【汽车照明技术】防眩远光灯——最理想的交通标识照明

作者：Kyriakos KOSMAS

单位：德国达姆斯塔特工业大学

编译：翁梓馨

指导老师：林燕丹

摘要

德国达姆斯塔特工业大学照明技术实验室展开了以远光灯对交通标识进行照明的研究。研究主要考虑两个方面：司机利用远光灯对交通标识的信息识别和交通标识反光带来的眩光问题。在分析了以往的研究成果后，实验室做了进一步的模拟实验。在模拟实验中，采用不同等级的远光灯对不同位置的交通标识进行照明，从而计算出标识信号的表面亮度极值以及反射回司机眼部的照度值。通过亮度和照度的计算，可以得出一种既能有效识别交通标识信息又不会对司机造成眩光影响的理想交通标识照明。

简介

对远光灯的研究是为了能在最大化满足驾驶员视觉需求的同时，又不对其他道路者使用产生眩光干扰。传统意义上的远光灯一味追求亮度以满足司机视觉需求而忽视了对其他人造成的眩光影响，近光灯不会对他人造成眩光干扰却减少了司机的视野。防眩远光灯则是结合了两者的优点，既能提高司机的视觉又不对他人造成不良干扰。这些都得利于摄像镜头，它能捕捉到对向来车或是超车，并将它们排除在远光灯的照射范围内。但我们需要注意到，交通标识也是属于远光灯照射范围内。又由于它们特殊的反射性质，光线会朝司机方向反射。这可能对司机造成眩光影响并导致司机能看清交通标识信息的距离减小。由于这种眩光是由汽车自身的前照灯产生的，因此又称其为自发眩光。已有静态实验表明，交通标识的眩光照度与它的立体角大小有关。汽车越接近交通标识，它的立体角就越大，若想要降低眩光，此刻就必需减少它的照度。OEM曾尝试将交通标识也从车灯照射范围中除去，但明亮的周围环境与昏暗的交通标识会导致标识信息无法被有效识别。

本文的目标是找到理想的交通标识照明，它既不会产生自发眩光，又有良好的标识信息识别能力。文章首先介绍已有的文献资料，并进一步为理想交通标识照明提出了理论方案。

文献资料

AULBACH用汽车前照灯对反光标识牌进行照明，并检测了能有效识别交通信息的距离。测试分为实验室研究和动态测试两个部分。在实验室研究中，AULBACH在屏幕上给出不同大小的标识牌来模拟50m，100m和200m的距离，调节屏幕的亮度来比较被试者对交通标识的分辨能力。结果显示当标识的亮度在3到30 cd/m²时比较理想，当亮度低于0.5 cd/m²时交通标识过于黑暗，而亮度高于200 cd/m²时标识过于明亮。亮度超过10 cd/m²时，被试人员反映区别不是很大。另外实验还发现，蓝色的交通标识更容易造成眩光，因此不建议采用蓝色作为标识的颜色。在动态测试中，AULBACH在一弯道前设置了不同颜色的交通标识牌，让被试人员驾车以50 Km/h的速度前行并读取标识牌上的弯道方向信息。根据他的结果，由红色和绿色组成的交通标识牌有最高的分辨率。但考虑到红绿色盲的需求，此种颜色组合仍不被推荐。于是，建议用红白颜色的标识牌，这样既增加了颜色对比，又可在较低照度环境中识别。

FRANK检测了交通标识的光度学指标。他的实验主要研究对交通标识的识别与标识的眩光。在实验室中，FRANK邀请被试人员对不同亮度、颜色、尺寸的交通标识进行不舒适眩光评价。同时，被试人员可以调节交通标识的亮度，来找到能够从环境中识别标识信息的最低亮度对比度。结果显示，当周围环境亮度为0.01 cd/m²时，所需的标识亮度为0.04 cd/m²。当标识亮度增加后，环境亮度对标识信息的影响逐渐下降。FRANK同时注意到，当标识距离从70m变为300m时，最理想的标识亮度增加为2倍。因此，他提出最理想的交通标识照明的亮度约为20 cd/m²，环境亮度约为0.01 cd/m²。

1999年，AULBACH和FRANK一同在真是道路环境中测试了交通标识牌的照度情况。实际的交通标识照度可以分为直接照度与间接照度两部分。在干燥环境的大多数情况下，间接照度这部分都可以被忽略不计。而在下雨天，间接照度的影响则会增加至两倍。

2016年，SCHREIER模拟开启远光灯的驾驶环境，并测试了交通标识牌反光带来的自发眩光。他的目的是找到交通标识的亮度极值与标识牌的尺寸之间的关系。为此，他改变标识牌的明亮度、颜色或者尺寸，并测试不同标识牌带来的不舒服眩光。实验同样是在实验室环境中进行，在实验室屏幕上模拟乡村道路驾驶环境，通过显示各种交通标识让实验人员来评价交通标识带来的眩光。实验结果显示，当交通标识的尺寸变大时，人眼所接受的亮度极值减小。这表明了人眼所接受的标识牌亮度与标识尺寸有关，而且人眼对尺寸大的标识牌更为敏感。但颜色和标识所在位置没有对标识牌亮度造成显著性差异。

理论方案

本文着重考虑眩光与标识的识别度，以此来确定最佳交通标识照明。这对于防眩远光灯是设计尤为重要，因为交通标识本身可能会由于反光而产生眩光。为了更明确地定义最理想的照明环境，对司机眼部照度的计算需要充分考虑光的分布，因此将以远光灯和近光灯结合的方式来设置照明环境。以0%代表近光灯，100%代表远光灯，每10%为一个跨度，计算不同的配光组合。

同时，选用了四种不同位置的交通标识牌：左方、右方、上方和前方。交通标识牌是从德国道路交通标准中选取的。

图1. 实验场景

标识位置确定后，反射回人眼的照度也就可以计算了。极端地，可以假设标识牌上反射率为1，同时假设司机坐在汽车的中间位置。图2 画出了在四种标识牌位置，各自反射回的照度与距离的函数图像。每一张图中有11条曲线，分别代表了不同的远光灯等级，其中以0%HB代表近光灯。

图2. 四种位置下交通标识反射回人眼的照度

与预期的结果一样，当远光灯等级提高后，人眼处的照度也增大。前方的交通标识对人眼产生的照度最大，而上方2m处的交通标识产生的照度最低。左侧与右侧的照度结果比较后发现，右侧标识牌产生的照度约为左侧的3倍。一个可能的解释就是左侧的交通标识角度较高，不属于远光灯的大部分照亮区域。从图中可以总结出，远光灯通过标识牌反射回人眼的照度均超过了2lx，且比近光灯产生的照度更多，因此更容易产生自发眩光。如果能随着距离的改变动态地调整远光灯的亮度，使其反射回人眼处的照度值保持在一个定值，比如2lx，就能很好的解决这一问题。我们提供了以下一种算法：

其中，

式中的Eglare代表人眼处的照度，θ指发光角。根据以上公式，可以根据距离与远光灯等级，确定出某一位置的交通标识牌上反射的亮度。结合AULBACH的实验结果，理想的交通标识照明其标识牌的亮度不宜超过30 cd/m²，因此当亮度确定后，可以反过来推算出不同距离的理想远光灯等级。同时，交通标识反射回人眼的照度应达到2lx，以便识别标识牌上的信息。综合亮度与照度参数，就可以得出理想的远光灯等级，它既能保证不产生眩光干扰，同时又能让司机清楚辨认标识牌上的信息。计算结果如图3所示。

图3. 不同距离的理想远光灯等级

从图中可以明确的是，在距交通标识大约100m到150m处，远光灯就需要被调节，才能做到既不产生眩光又保证司机对标识牌的辨认。而标识牌所处的位置不同，相应对远光灯的调节也就不同。综合以上结果，可以看出对交通标识的照明是与汽车与标识距离有关的动态变化的过程，这一动态变化过程既要考虑不让标识牌产生眩光，又要保证标识牌的信息能被有效辨认。

本文取值标准为人眼处照度2lx，标识牌表面亮度30 cd/m²，以达到理想的交通标识照明。这些值会在接下来的动态场景实验中做进一步的修正。

结论

本文讨论了远光灯应该如何对交通标识进行照明，主要考虑到交通标识的反光不应对司机造成眩光干扰，同时交通标识的信息应有效地被识别出。当开启远光灯时，交通标识的反射特性有可能产生眩光，实验结果显示当交通标识位于汽车前方时，对司机眼部产生的照度最大可达35lx，容易造成眩光影响。综合已有文献资料，计算出了相应的远光灯等级。这一结果与标识牌的距离、位置均有关系，因此远光灯等级必须随着与标识牌距离的改变而动态变化，才能获得最理想的交通标识照明。