【技术文章】夜间交通中准确发现物体所需能见度研究

原文：《Required Visibility Level for Reliable Object Detection during Nighttime Road Traffic in Non-Urban Areas》

作者：Anil Erkan, David Hoffmann, Nikolai Kreß, Tsoni Vitkov, Korbinian Kunst, Markus Alexander Peier and Tran Quoc Khanh

简介：为了给前照灯提供设计基础，讨论了物体能见度所需的最低照明条件。为此，在封闭测试场地和有照明的测试场地中进行了研究，并考虑了物体基本能见度所需的可见度水平。结果表明在非城市地区需要至少13.35的能见度才能基本看到目标物体。

关键词：汽车照明；物体能见度；夜间交通；非城市地区；能见度等级

编译：曹君勤，缪雯卿

指导：林燕丹

共有11名驾驶员（年龄范围：18至59岁）参加了有照明场地的研究，15名驾驶员（年龄范围：18至34岁）参加了封闭测试场地的研究，假设驾驶机动车辆所需的视力至少为0.7。针对检测对象与观察者之间的距离和角度的变化，将灰卡设置在测量网格的固定位置上。隧道内的可用面积为120m×1km封闭试验，场地长度超过的道路，宽度约20m，可用度约12m。测量网格可以在图1中观察到。

两项研究中测量网格到对象行的距离分别为40m、60m、80m和100m。

图1 非城市地区检测研究的测量网格示意图

由于场地的限制，如图1左边有4×5个测量网格，共20个物体位置在检测研究期间进⾏了调查。在封闭无照明测试场地，4×6测量网格物体中总共考虑了24个物体位置。表格1和2显示测试车辆前方灰卡在相应测量网格中的准确位置。

表1 物体在有照明测试场地中的位置

与有照明相比，无照明测试场地的总宽度为18m（±9.00m），网格点之间的水平距离为3.00m。对于这个测量网格，没有物体位于车辆的纵轴上，因为这里灰卡将部分直接站在道路标记上，从而影响这些位置的检测条件。

表2 物体在无照明封闭测试场地中的位置

实验流程如图2所示，实验从15分钟的适应阶段开始。随后，将灰卡放置在第⼀个随机选择的位置上。前照灯光强度以离散PWM级别从0%增加到100%，驾驶员的任务是在固定第二辆车时按下按钮，发出看到到灰卡的信号。需要注视以确保所有驾驶员都可以重现观察者与检测对象之间的角度。在当前对象位置完成所有PWM级别后，以随机顺序选择下⼀个对象位置。

图2 实验流程图

数据评估从确定物体亮度L_O和背景亮度L_B记录的亮度图像开始（四个周围区域的背景亮度的平均值），如图3中左侧的隧道和右侧的封闭测试场地。亮度图像按行记录，因此每个PWM水平的亮度图像足以评估相应行中的所有五个或六个对象位置。

图3 有照明测试场地（左边）和无照明封闭测试场地（右边）的亮度图像

从图4可以观察到物体亮度Lo和背景亮度L_B从45的PWM水平线性增加。这会导致亮度差异ΔL对象与其环境之间的关系也线性增加。

图4 有照明场地中物体位置1处灰卡的亮度L（左）和亮度对比度C_W（右)

由于亮度对比度C_W进入饱和范围，因此不允许在更高的PWM水平上进行区分，但可见度级别可以用于进一步评估。如图5，可见度水平随着PWM水平的增加而增加，从而在进一步评估中能够对测试车辆的LED前照灯的整个可调强度范围进行差异化观察。

图5 有照明场地中物体位置1处灰卡的亮度L（左)和能见度VL(右)

在不同物体位置对LED前照灯进行各种控制所产生的可见度水平代表了自变量。因变量是给定可见度级别下灰卡的发现概率。这是通过确定在相应能见度级别发现灰卡的驾驶员比例来计算的。

图6 有照明场地中物体位置1处灰卡的可见概率p与可见度等级VL之间的关系

图6表明现有可见度级别和可见概率之间的关系可以很好地由心理测量函数拟合（R²=0.994），可见概率达到p=90% 时，可见度需要为1.505。通过这种方式，可以评估所有对象位置，并确定所需可见度级别的空间解析分布，如表所示3。

表3 有照明场地中不同物体位置所需的可见度

从表3可以看出所需的可见度级别范围为1.505到21.500。正如驾驶者所述，造成这种情况的潜在原因是物体靠近有照明场地的墙壁。驾驶员表示，靠近有照明场地边缘使得物体被发现变得更加困难。因此，在考虑偏心角度相关性时，不会进一步考虑最右侧的物体位置。

图7 能见度VL和角度相关性

如图7物体的可见度水平的角度相关性来自视网膜上受体（视锥细胞和视杆细胞）分布的结果。偏心角θ与所需能见度的高斯关系如图7，随着偏心角θ的增加，物体的可见度水平会降低，对于优化的发光强度分布的设计，中心内凹区域代表关键区域（“最坏情况”）。分析结果如图8，相关系数为0.984，可见度与物体位置比例之间存在相关性，灰卡的检测概率至少为90%。

图8 能见度VL与有照明场地中灰卡被准确发现的物体位置比例之间的关系

从图8可以看出，要物体在90%位置上能够准确地发现灰卡，需要13.35 的可见度级别。如果向车辆驾驶员提供约4.95的可见度水平，则可以在50%的物体位置上实现对灰卡的准确地发现。表4列出了所需的能见度级别在2.585至25.439 范围内，所需要的能见度级别。图9展示可见度级别与准确发现灰卡的位置比例之间的关系。

表4不同物体位置所需的可见度级别

图9 能见度VL与准确发现灰卡的物体位置比例之间的关系

如图9表明，可见度水平与准确发现物体的位置比例之间的关系也可以通过心理测量函数拟合（R²=0.959）。准确发现灰卡所需的可见度级别增加到表4中90%的物体位置通过考虑心理测量函数来确认。

因此，在封闭的测试场地，需要大约25的可见度级别才能准确地发现90%的物体位置处的灰卡。因此，对于机动车辆前照灯光分布的设计，必须保证13.35的可见度水平作为绝对最低要求，以便非城市地区夜间道路交通的车辆驾驶员达到合格的可发现率的条件（>70%）。

本文讨论了夜间非城市道路交通中必要的能见度VL的确定，以便可以准确地发现物体。为此，检测研究是在有照明场地和无其他照明场地进行的。使用反射率约为4% 的灰卡作为检测对象，将其放置在车辆前方的测量网格中，根据距离和偏心角确定对象检测。为此，考虑40m至100m的物体距离。因此，在可见度研究中近光和远光强度都是不同的，而驾驶员的任务是发出发现物体的信号。

有照明场地研究的结果表明，90%的发现概率需要13.35的可见度水平。该值与 Damasky 确定的可见度12.7相近。如果考虑无其他照明道路的情况，所需的可见度级别将增加到25。