（交通运输规划与管理专业论文）基于驾驶员视知觉的车速控制和车道保持机理研究.pdf

武汉理i ：人学硕十学位论文 摘要 本论文以国家自然科学基金项目基于视觉光流率和边缘率的车速控制 理论与方法研究( 项目编号：5 0 7 7 8 1 4 2 ) 为依托。人的因素是引起交通事故的 主因。根据只本有关资料，将近9 0 事故是由机动车驾驶人和行人造成。在驾 驶员获取信息中9 0 以上是视觉信息，驾驶员主要通过周边视觉信息来感知车 速及车辆位置，然后进行判断、决策、行动。可见，如何从事故主因驾驶员 出发，改善其视知觉信息，提前控制车速、保持车道，实时地采取与道路线形 相适应的速度、轨迹运行，对提高道路交通安全水平具有重要的现实意义。 论文首先分析了驾驶员视觉特性，包括：驾驶员视野、注视点以及影响视 觉注意的因素。然后分析了影响速度感知的视觉因素，包括：边缘率、光流率、 对比度，并从时问频率、空问频率、角速度、生理心理等角度解析了各因素的 影响机理。在此基础上论文根据边缘率概念和物体运动方程推导了驾驶员在舒 适性匀减速下保持边缘率恒定时的边缘率控速设计模型。用3 d m a x 制作了小 汽车在高速公路上行驶时的边缘率实验影像，采取迫选法设计了主观等同速度 实验方案2 6 0 个，通过6 男2 女观测实验发现边缘率为1 2 h z 时速度高估值最 大，并把此边缘率作为合理值。根据实验结果对高速公路上从1 2 0 k m h 减速到 9 0 k m h 的边缘率密度进行了设计。 接着对雾天驾驶员速度感知机理及改善措旌进行了研究。针对以往实验中 采取全局浓度保持恒定的雾的缺陷，用3 d m a x 制作了小汽车在接近真雾环境 下( 实验场景中，驾驶员眼中雾的浓度呈线性变化) 高速公路上行驶时的实验 影像。采取迫选法设计了主观等同速度实验方案1 3 5 个，通过6 男2 女共2 1 6 0 0 人次观测实验发现雾天对驾驶员的速度感知产生双向影响。当能见度很小( 如 3 9 m 时) 会产生速度的高估，当能见度较高时会产生速度的低估，这与s n o w d e n 和a n s t i s 的单向影响不一致。论文从光流率和对比度的角度解析了实验结果不 一致产生的原因。能见度低时，近处光流率大是导致驾驶员产生速度高估的原 因；能见度较高时，对比度的下降是导致驾驶员产生速度低估的原因。最后提 出了基于边缘率的改善措施，通过速度感知实验得到边缘率为1 2 h z 时其感知 速度最大，以此边缘率作为雾天车速控制的合理值。 最后论文对现有车道保持的理论进行了归纳总结，包括基于光流和视网膜 流的车道保持理论、基于注视点的车道保持理论和基于扩张角的车道保持理论， 解析了各理论存在的缺陷。 关键词：交通安全，驾驶员，视知觉，车速控制，车道保持 武汉理【：人学硕十学位论文 a b s t r a c t h u m a nf a c t o ri st h ep r i m a r yc a u s ew h i c hc a u s e st r a f f i ca c c i d e n t s a c c o r d i n gt o t h ej a p a n e s es t a t i s t i cd a t a ，a b o u t9 0 a c c i d e n t sw e r ec a u s e db yt h ev e h i c l ed r i v e r a n dt h ep e d e s t r i a n v i s i o ni n f o r m a t i o na c c o u n tf o ra b o v e9 0 o fa l lt h ei n f o r m a t i o n w h i c hd r i v e r sg a i ni nt h e d r i v i n g ，d r i v e r sm a i n l yu s e t h ep e r i p h e r a lv i s i o n i n f o r m a t i o nt op e r c e p tt h ev e h i c l es p e e da n dt h ev e h i c l e sp o s i t i o n ，t h e nc a r r yo nt h e j u d g r n e n ta n dd e c i s i o n m a k i n g o b v i o u s l y , t or a i s et h er o a dt r a f f i cs a f e t y , i ti s i m p o r t a n t t oi m p r o v ed r i v e r s p e r c e p t i o ni n f o r m a t i o nt om a k ed r i v e r sa d v a n c e c o n t r o lv e h i c l es p e e d ，k e e pl a n ea n dr e a l t i m ea d o p tt h es p e e dw h i c ha d a p t sw i t ht h e r o a dg e o m e t r y f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed r i v e r sv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c s ，i n c l u d i n g ：v i s u a l f i e l d ，g a z ea sw e l l a sf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c ev i s u a la t t e n t i o n t h e nt h i sp a p e r a n a l y z e sv i s u a lf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c es p e e dp e r c e p t i o n ，i n c l u d i n g ：t h ee d g er a t e ， t h eo p t i c a lf l o wr a t ea n dt h ec o n t r a s t ，t h e na n a l y z e st h ei n f l u e n c em e c h a n i s mf r o m t e m p o r a lf r e q u e n c y , s p a t i a lf r e q u e n c y , a n g u l a rs p e e d ，p h y s i o l o g i c a lp s y c h o l o g y b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p to fe d g er a t ea n dn e w t o n s e q u a t i o no fm o t i o n ，t h es p e e dc o n t r o ld e s i g nm o d e lw h i c hb a s e do nt h ea s s u m p t i o n t h a tt h ed r i v e rm a i n t a i n st h ec o n s t a n te d g er a t ew i t ht h ec o m f o r t a b l ed e c e l e r a t i o n r a t ei sd e d u c e d b yu s i n gt h e3 d m a x , t h ee d g er a t ee x p e r i m e n tv i d e o st h a tc a r m o v i n g o nt h eh i g h w a ya r em a d e ，w ed e s i g n2 6 0s t i m u l a t i o no fs u b j e c t i v e l ye q u a l s p e e de x p e r i m e n t sb yu s i n gt h ef o r c e d c h o i c em e t h o d ，t h r o u g h6m a l e sa n d2 f e m a l e s e x p e r i m e n tr e s u l t s ，w ef i n dt h a td r i v e r ss p e e dp e r c e p t i o nv a l u ei s t h e l a r g e s tw h e nt h ec d g pr a t ei s12 h z ，b u tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e n8 h za n d16 h zi s l i t t e r , c o n s i d e r i n gd r i v e r ss p e e dp e r c e p t i o nv a l u ei st h el a r g e s tw h e nt h ee d g er a t ei s 12 h zu n d e rt h ef o ge n v i r o n m e n t ，t h e nw es e l e c t12 h za st h er e a s o n a b l ev a l u e a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n tr e s u l t ，w ed e s i g nt h ee d g pr a t es p a c i n gf o rc o n t r o l l i n gt h e s p e e df r o m12 0 k m ht o9 0 k m h a i m i n ga tp r e v i o u ss t u d yu s e du n i f o r mr e d u c t i o no ft h ei m a g ec o n t r a s t ，w e m a d ee x p e r i m e n tv i d e ot h a tc a rm o v i n go nt h eh i g h w a yi nr e a lf o ge n v i r o n m e n tw i t h 3 d m a x ( t h ed e n s i t y o f f o g i n c r e a s e d l i n e a r l y w i t hv i s u a ld i s t a n c e ) 13 5 s u b j e c t i v e l ye q u a ls p e e de x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e db yu s i n gt h ef o r c e d - c h o i c e m e t h o d 6m a l e sa n d2f e m a l e s e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tf o ge x e r t s a t w o w a yi n f l u e n c e t ot h ed r i v e r ss p e e dp e r c e p t i o n w h e nv i s i b i l i t yw a sl o w ( e g ：3 9 m ) ，f o gr e s u l t e di no v e r e s t i m a t i o no f t h es p e e d ，w h e nv i s i b i l i t yw a sh i g h e r ， f o gr e s u l t e di nu n d e r e s t i m a t i o no ft h es p e e d ，i ti sn o ti n a c c o r d a l i c ew i t ho n e w a y i n f l u e n c eo fs n o w d e na n da n s t i s h a v ea n a l y z e dt h er e a s o nw h yt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l ti si n c o n s i s t e n ta n de m e r g ei nt e r m so fl i g h ts t r e a mr a t ea n dc o n t r a s tr a t i o i l l t h e s i s w h e nv i s i b i l i t yi sl o w ，t h en e a r b yo p t i c a lf l o wr a t ei sg r e a tw h i c hc a u s e t h e d r i v e ro v e r e s t i m a t et h es p e e d ；w h e nv i s i b i l i t yi sh i g h e r ，t h ed e c l i n eo fc o n t r a s tc a u s e t h ed r i v e ru n d e r e s t i m a t et h es p e e d f i n a l l y ，t h ei m p r o v e m e n tm e t h o dw h i c hb a s e do i l t h ee d g er a t ew a sp r o p o s e d ，t h r o u g hs p e e dp e r c e p t i o ne x p e r i m e n t ，d r i v e r ss p e e d p e r c e p t i o nv a l u ew a st h el a r g e s t w h e nt h ee d g er a t ew a s12 h zu n d e rt h ef o g e n v i r o n m e n t ，t h e n12 h zw a ss e l e c t e da st h er e a s o n a b l ev a l u e f i n a l l y , t h ep a p e rc a r r i e so nt h ei n d u c t i o na n ds u m m a r ya b o u tt h ee x i s t e d v i s i o n - b a s e dl a n e k e e p i n gt h e o r y , i n c l u d i n g ：( 1 ) l a n e k e e p i n gt h e o r yw h i c hb a s e do n t h eo p t i c a lf l o wa n dr e t i n af l o w ；( 2 ) l a n e - k e e p i n gt h e o r yw h i c hb a s e do nt h eg a z e p o i n t ；( 3 ) l a n e k e e p i n gt h e o r yw h i c hb a s e d o nt h es p l a ya n g l e k e yw o r d s ：t r a f f i cs a f e t y ；d r i v e r ；v i s u a lp e r c e p t i o n ；s p e e dc o n t r o l ；l a n ek e e p i n g 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：主l 望 日 关于论文使用授权的说明 期：加彭，tz j 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：j - 皂导师(期加罗，z 武汉理f ：人学硕士学位论文 1 1 目的与意义 第1 章绪论 论文将工程心理学、交通工程学和实验科学等多学科理论与方法相结合， 进行交通安全改善技术研究，提高道路视觉信息人性化水平，实现驾驶员与道 路和谐。项目对基于驾驶员视觉的低成本局部道路安全改善机理进行研究，从 道路交通事故主要致因元素驾驶员出发，一方面研究驾驶员基于光流率、 边缘率感知车速的机理，在此基础上结合影响驾驶员速度感知的其它因素研究 基于驾驶员视知觉信息进行车速控制的机理，为强制车速控制提供新的思路和 理论基础；另一方面根据知觉光流场、视网膜流场、车道保持有效视觉区域研 究驾驶员车道保持机理，为局部危险路段车道保持辅助设施设计提供依据。 人的因素是引起交通事故的主因。根据同本有关资料，将近9 0 事故是由 机动车驾驶人和行人造成；美国有关权威报告指出，9 0 事故是由人的错误引 起；在我国至少有8 0 以上事故与机动车驾驶入有关。又有研究表明，在人的 因素中，感知错误占4 8 1 ，判断错误占3 6 o ，反应错误占7 9 。在驾驶员 获取信息中9 0 以上是视觉信息，驾驶员主要通过周边视觉信息柬感知车速及 车辆位置，然后进行判断、决策、行动。可见，如何从事故主因驾驶员出发， 改善其视知觉信息，提前控制车速、保持车道，实时地采取与道路线形相适应 的速度、轨迹运行，对提高道路交通安全水平具有重要的现实意义。 1 ) 车速控制的研究意义 车速与事故强度有关，事故数与车速差有关。在美国大约有1 3 致命碰撞 的道路交通事故与超速相关。澳大利亚交通专家研究表明，当车速大于6 0 k m h 时，车速每增加5 k r n h ，事故率约为原来的2 倍，事故严重程度呈指数形式增 长。美国联邦公路署研究认为相邻路段8 5 位速度差小于1 0 k m h ，百万车公里 事故率为0 4 6 ；在1 0 , - 。2 0 k r n h 时，事故率为1 4 4 ；大于2 0 k m h ，事故率为2 7 6 ； 速度差增大事故率成倍上升。据2 0 0 2 年统计，我国所发生的交通事故中直接原 因为超速行驶造成，占总事故5 7 ，在事故原因中排第五位；2 0 0 4 年，我国交 通事故一次死亡3 人以上的交通事故中，有1 5 是由超速引起；2 0 0 6 年全国查 处的1 3 亿人次交通违法违规行为中超速占1 2 3 。我国超速现象严重，控制车 速及其差值是减轻事故强度、数量的关键。光流率、边缘率是驾驶员重要的速 武汉理i ：人学硕士学位论文 度感知源，实验证实了其能改善自我运动的视知觉速度估计水平，其合理设计 可让驾驶员实时感到其车速存在危险性，且能产生真实车速高估、车距低估， 改变长时间行驶后产生的速度适应性缺陷，使驾驶员在经验车速、车距不变下， 降低车速、维持安全车距。目前，人们对基于光流率、边缘率的车速控制机理、 理论和方法等缺乏了解、研究。本项目试图从驾驶员视知觉出发，对低成本改 善驾驶员知觉速度危险性，引诱和强制驾驶员减速的光流率、边缘率控制速度 的理论进行研究，为其应用奠定基础。 2 ) 车道保持的研究意义 2 0 0 5 年全国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人死亡、4 6 9 9 11 人受伤，直接财产损失1 8 8 亿元。其中侧面相撞占总事故数量的3 4 ，其导致 的死亡人数占总死亡人数的2 7 。这说明驾驶员在行车过程中会经常性地偏离 车道，因此如何使驾驶员合理保持车道对减少交通事故来说意义重大。目前关 于驾驶员车道保持的辅助措施主要有两种：1 、在车辆上安装智能仪器来辅助驾 驶员的车道保持；2 、在道路边缘设置振动路肩，当驾驶员偏离车道时车辆就会 产生振动并发出“隆隆声”从而提醒驾驶员注意保持车道。以上两种措施都能 在一定程度上改善驾驶员的驾驶行为，但各自存在局限性：智能仪器的成本很 高，通常只能在高端车辆上进行安装，难以普及，且智能仪器的精确度受天气、 周围环境等不确定因素的影响，适应范围较窄；振动路肩仅能在车辆偏离车道时 提醒驾驶员，不能防患于未然。因此研究基于驾驶员视觉信息的车道保持机理 为车道保持辅助设施设计提供新思路和理论基础具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 视知觉降速的研究现状 目前国内外采用的知觉降速措施种类很多，归结起来主要有以下两种类型： 知觉缩减车道措施和基于光流率、边缘率的车速控制措施。 1 ) 知觉缩减车道 在了解知觉缩减车道之前，首先要分清知觉缩减车道和实际缩减车道之间 的区别，实际缩减车道是指通过改变道路几何参数来缩减车道，其能够起到降 低车速的作用，这在文献【l 】中得到了验证，但实际缩减车道将会带来其它潜在 的不利因素( 如：影响紧急车辆出行) ，而知觉缩减车道是指通过标线影响驾驶 员视觉使之产生车道变窄的感觉，其并未真正的缩减车道，能够避免实际缩减 2 武汉理l 人学硕 学他论文 牛道宽度所带束的问题，适用范围更广，主要有两种形式，一是通过铺设路向 标线j 1 i 缩车递宽度( 见图11 ) 。二是通过视错觉知觉缩减车道( 见图l 一2 ) ，图 1 2c 的| ，i 】条纵向直线为_ _ f 行直线，在v 型交叉线条( 与竖线斜交) 的影响下， 看起柬变得不平行了当平行线沿着v 型丌口方向延伸时，甲行线有逐渐靠拢 的趋势。知觉缩减车道在图内外有广泛的应用，但目前关于知觉缩减车道的降 速效果尚存在争论，一方面缩l 戗车道能够降低车速，而另一方面通过标线压缩 牛道时能够给驾驶员提供附加的视觉诱导信息，这将会导致车速的增加。 d a v i d s e d ”( 2 0 0 3 ) 对路面标线的视觉诱导作用进行了研究，指出：在先前没有设 置路面标线的路段添加路面杯线后将会导致更高的车速，而在先前已设置路面 标线的路段添加标线知觉缩减车道宽度时将会降低车速。w i l s o n 口1 ( 2 0 0 4 ) 提出 了如卜假设：当移除了增加驾驶员安全感的视觉线索后，驾驶员通常会降低车 速，并对此假设进行了实验，实验结果表明当移除路面标线后，重大事故发生 率降低了1 ，3 ，车速也降低了7 m p h 。从上述综述可见，知觉缩减车道研究尚缺 少理论支撑，在应用研究过程中出现了矛盾与冲突，对此问题需要进步深入 地研究。 图1 1 铺设路面标线压缩车道宽度 图卜2 佐尔纳错觉 心心沁心心 彤彬形 武汉理：人学硕十学位论文 2 ) 基于视觉光流率、边缘率的知觉降速技术 视觉光流率、边缘率的概念 在影响驾驶员速度感知的视觉因子中，光流率和边缘率得到了广泛的重视， 国内外学者对此都做了一些相关的研究，取得了一定的成果。光流率是人运动 时，空问中各点穿过视野的相对速度，光流率是物体速度估计、移动方向判断 的重要线索【4 】。经过观察者的光整体流率由观察者速率和高度决定，人运动得 越快和接近地面时，整体光流率就会增加，人对速度的主观知觉很大程度上取 决于整体光流率。 边缘率是单位时间内穿过观察者视野边缘或间断的数目，如果纹理元素间 距己知，边缘率就能告诉观察者速度。在许多现实世界中，整体光流率与边缘 率是相关的，当边缘率( 纹理变细) 增大，观察者就会知觉到速度更高【4 1 。 视觉边缘率、光流率在交通及其他领域的应用 人们丌始意识到和逐渐重视光流率对视知觉速度控制的效用始于波音7 4 7 的首次引进。该型飞机引进后，飞行员未意识到驾驶室高度的变化( 眼睛高度 变化) ，按照以外的经验驾驶，以致飞机起飞、着陆时滑行过快，有时会导致起 落架损坏。在交通中，首先有意识、有目的应用边缘率来减速的是d e n t o n 5 ( 1 9 8 0 ) 在英国环行交叉口减速的应用，其设置了间距逐渐减小的横向标线使驾驶员产 生速度高估进而降低车速，统计数据表明，采取该措施后平均车速降低了2 3 ， 速度差降低了3 7 。 边缘率、光流率在交通中“无意识地进行速度控制的使用有很多。马萨 诸塞州大学j ( 2 0 0 4 ) 在强制减速设施研究中发现，在整个车道上铺设间距逐渐减 小的横断面线，可显著地降低车速；日本在9 0 年代早期，利用同宽逐段减小间 隔的“人字型知觉缩减车道进行了降速，且效果显著。1 9 9 7 年，美国在一个 居民区的街道上铺设了间隔逐渐减小的“人字行路面标记，铺设一周后8 5 位车速减少1 5 ，最高车速减少1 3 m p h ，两年后8 5 位车速减少5 ；在另外一 处出口匝道上也铺设了同样的路面标记，两月后8 5 位车速减少2 4 ，总碰撞 减少4 3 ，大货车碰撞减少8 6 ；r i c h a r d l 7 1 ( 2 0 0 0 ) 对出口匝道知觉缩减车道的 路面标记( 实质上知觉缩减车道和等间距边缘率的混合，申请者注) 的降速进 行了实验和评价，发现其对小汽车和货车速度减少有很大影响，而小汽车和货 车速度超过标志建议速度比例也显著减少。s t u a r tt g o d l e y 8 】( 2 0 0 0 ) 等通过研 究发现，等问距和间距逐渐减小的横向标线和边缘线都能够起到降低车速的作 4 武汉理i ：人学硕士学位论文 用，且横向标线的减速效果要优于边缘线。t a k a s h io g u e h i t g 等通过驾驶模拟器 对驾驶员的速度感知进行了研究，其认为刺激物相对于驾驶员的角速度以及刺 激物出现的频率对驾驶员的速度感知都存在影响，驾驶员的速度感知与角速度 和刺激物出现的频率成正比，该研究基于“驾驶员通过视角大于4 5 0 的视觉区 域进行速度感知 的假设，该假设有待进一步的验证。k a t z i 0 1 ( 2 0 0 6 ) 设计了等 间距与行车方向垂直的“人”字型铺面标记( 在整个车道上) 和知觉车道缩减 路面标记( 在车道左右两侧，未贯穿整个车道，前者实质上是光流率和知觉缩 减车道，后者是知觉缩减车道和边缘率的混合，申请者注) ，且在干线路段上进 行了实验，通过实地观测数据评价发现平均速度下降6 k m h ，8 5 位车速下降 8 k m h 。2 0 0 4 年，美国在公路与铁路平面交叉的公路引道中心线安装了7 0 - - , 1 0 0 f t 长等自j 距的立柱渠化设施( 立体边缘率，作者注) ，发现汽车与火车的碰撞大大 减少【】。美国研究委员会认为【1 2 】，路面标记理想间隔是减速失败时驾驶员应该 看到更多条数的路面标记，适当的减速时看见的路面标记数保持一个常数率。 w a l t e r 1 3 】( 1 9 9 5 ) 在直升飞机驾驶模拟器开发中，运用仪表表面上光流率密度 变化提示引导飞行员高度重置和高度变化率控制，减轻飞行员在飞行高度变化 时光流率( 视觉角速度) 与飞机速度成比例的误解，维持光流率密度为常数来 改善在高度变化期间高度的判断水平。佴晓东【1 4 】( 2 0 0 0 ) 研究了枕木对列车驾 驶员所产生的速度感进行( 枕木引起的速度感实质上等同于边缘率，申请者注) ， 指出人对物体运动而产生的速度感实际上是一种与角度变化有关的角速度，司 机对枕木运动而产生的速度感大小与司机眼睛高度成反比，与视线俯角正弦平 方成正比。 从以上研究可知，边缘率和光流率可以提高视知觉对真实速度的高估和真 实距离的低估；车辆在高速行驶时，驾驶员的视野成狭窄的圆锥形，驾驶员是 通过视觉的光流率和边缘率变化末感知车速。因此，可通过驾驶员的视觉光流 率和边缘率变化来控制车速、车辆碰撞和弥补驾驶员对车速的适应性缺陷。“光 流率和“边缘率 属于工程心理学概念范畴，但公路交通领域在“路面标记 和“交通渠化设施使用中，“无意识体现或利用了光流率和边缘率效用，也 取得了很好的降低车速效果，但缺乏对其机理的了解和理论与方法的指导。 国内外在“边缘率和光流率”的“无意识”交通实践中，采用了等间距、 逐段缩小间距和逐条缩减间距三种设计理念，运用了立体和平面两种边缘率和 光流率型式，但对边缘率和光流率在公路上开发利用还没有进行专门深入地研 武汉理j l ：人学硕十学位论文 究。理论上，问距逐渐缩小的边缘率和光流率是理想的，若| 、日j 距逐渐缩小，可 保证逐渐减速后通过驾驶员视觉的边缘率和光流率数量保持恒定或增大，将引 诱驾驶员进一步降速，会取得更大降速效果；而对于等间距而言，速度减少后 通过驾驶员视野的边缘率和光流率量降低，驾驶员减速后将会加速，因此，等 l 日j 距的边缘率和光流率降速效果会受到限制，这在触摸实验中得到了证实。而 实践中多用等间距，与理想状态相违背，可能是交通界缺乏边缘率和光流率概 念和其对速度控制机理的了解影响。人对间距的刺激感受有上下阈限限制，在 上下闽限内还具有差别阈刚。5 】，边缘率和光流率长期降速效果低于短期效果， 可能是驾驶员视觉差别阈限的知晓所致。设想可根据具体道路环境特点，对光 流率、边缘率密度和起始位置进行设计，使车速按照管理者期望和可控的方向 降低车速；另外，若能让驾驶员感受到边缘率和光流率的增大或者不变不是质 地问距变小所致，或许能提高长期降速效果，这些都需要进一步的理论研究和 实验证实。 3 ) 知觉降速研究尚待深入的问题 从以上综述来看，知觉降速的研究主要集中于通过路上实验和驾驶模拟器 确认措施的有效性上，而缺乏理论研究。目前一些存在争议的问题都是因为缺 乏理论的支撑，如知觉缩减车道的降速效果研究，其仅仅停留于假设阶段。因 此，应该从基础理论出发，研究驾驶员通过知觉感知车速的机理，分析影响驾 驶员速度感知的知觉因子，建立相关的理论体系，以此来指导知觉降速的实验 和实践，优化各种措施的设计参数，这样知觉降速研究才会有新的突破。 1 2 2 车道保持的研究现状 目前关于驾驶员车道保持的研究主要有两种不同的理论：1 、基于驾驶员注 视点和注意力分布特征的车道保持理论；2 、基于光流和视网膜流出发的车道保 持理论。 基于注视点和注意力分布的车道保持理论是由d o n g e s 】率先提出的，其提 出了具有影响力的两点模型，该模型认为驾驶员通过近点区域判断车辆与道路 边缘线的距离，通过远点区域识别曲线段的切点，然后根据二者来获取曲线段 曲率信息进而保持车道，即该模型认为曲率是驾驶员保持车道的唯一输入。 l a n d 1 7 1 通过驾驶模拟器和注视点仪研究了车辆在曲线段行驶时驾驶员的注视点 6 武汉理l ：人学硕十学位论文 和注意力分布特征，其发现车辆在曲线段行驶时驾驶员的注视点多集中于切点 位置，并且在进入曲线段1 2 s 之前就丌始搜寻切点。l a n d i 博j 和m e s t r e 憎】通过实 验得到当驾驶员只能看到一个近端( 车辆前7 - 8 m ) 和一个远端( 车辆前1 0 2 0 m ) 时，驾驶员对车辆轨迹的控制和驾驶员能够看到整段路时样好，其中近点用 于保持在车道的位置，而远点用于维持车辆行驶的稳定性。m e s t r e l 2 0 】等通过实验 得到人们对自我运动角度的感知与注视点的位置有关，当注视点靠近切点时， 感知最为敏感。l a n d 和m e s t r e 的研究在一定程度上验证了d o n g e s 两点模型的 合理性，然而有研究【2 卜2 2 】指出驾驶员并不能准确地估计曲线的曲率，尤其是小 半径曲线的曲率。因而该模型认为驾驶员基于曲率进行车道保持缺乏合理性。 对此，d a r i 0 1 2 3 j 等对两点模型进行了修正，所提出的模型依赖于近点及远点的视 角，车辆轨迹的变化率与近点视角及远点视角成正比，并通过模拟仿真实验验 证了该模型的合理性。m e s t r e t 2 4 】通过驾驶模拟实验研究了切点的突出显示是否有 助于驾驶员在弯道的驾驶，研究结果表明，曲线段上切点的显示能够显著地改 善驾驶员在左转曲线段和小半径曲线段的驾驶行为，m e s t r e 的研究为曲线段交 通安全设施设计提供了一定的思路，然而其切点是通过计算机图形实时动念显 示的，因而需要我们探索在道路上的合理实现形式。 基于光流和视网膜流的车道保持理论是由g i b s o n l 2 5 】( 1 9 5 8 ) 最先提出的， 其认为驾驶员的车道保持是基于光流扩张点的，驾驶员在驾驶过程中通过保持 光流扩张点与道路中心线重合来保持车道。但基于光流扩张点的车道保持理论 受到了一定质疑，r e g a n l 2 6 1 、w a r r e n i 2 7 1 、c r o w e l l t 2 8 1 提出光流受到人跟的运动及 身体的运动而发生了变化，只有当驾驶员的身体和眼球都不发生运动时驾驶员 才能够基于光流扩张点保持车道，且当车辆在曲线段行驶时，驾驶员视觉光流 场中并不存在光流扩张点。对此，w a n n 2 9 】通过研究提出了基于视网膜流和注视 点的驾驶员车道保持理论，其认为通过视网膜流和注视点驾驶员能够清晰地判 断出车辆的位置及与目标点的偏差从而合理地保持车道。在上述研究中都未考 虑到驾驶员眼部运动和身体运动中所涉及的非视觉信息，对此一些学者对视觉 信息的充分性进行了研究，w a 玎伽【3 0 】通过实验得到如下结论：当非视觉信息缺 失时人们仍能准确的判断当前的方向从而合理的保持车道，然而其实验是在低 速区域下( v 1 ) 进行的，不能适用于驾驶员的情况；r o y d e n l 3 1 1 进行了相同 的实验，其认为当视网膜流的变化速率超过5 0 s 时，单纯的视网膜信息不足以 让驾驶员准确的判断方向，此时驾驶员需要借助非视觉信息来判断方向、保持 7 武汉理i ：人学硕十学何论文 车道；w i l k i e 3 2 】等认为眼睛与身体的相对运动还会提供一些非视觉信息：如： 肌肉运动信息、前庭信息等，这些信息也有助于驾驶员保持车道，当这些信息 缺失时驾驶员仅通过视网膜流和注视点是不能够准确保持车道的，对此其提出 了基于视网膜流、注视点及非视觉信息三因素的驾驶员车道保持模型。 从以上综述可以看出，两种类型的模型分别从两个方面研究了驾驶员车道 保持行为，基于注视点和注意力分伟的模型从实验数据这一表象出发来探索驾 驶员车道保持的机理，基于光流和视网膜流的车道保持理论从驾驶员眼部成像 角度出发，由本质来解析驾驶员的车道保持行为，然而两类模型之间尚不存在 统一，如基于光流和视网膜流的车道保持理论就不能解释“当驾驶员只能看到 一个近端( 车辆前7 8 m ) 和一个远端( 车辆前1 0 - - - 2 0 m ) 时，驾驶员对车辆轨 迹的控制和驾驶员能够看到整段路时一样好”这一现象，因而本论文拟从驾驶 员生理心理出发，采用计算机模拟仿真实验来探索驾驶员车道保持行为，完善 现有车道保持模型，研究基于驾驶员视知觉信息进行车道保持的机理，从而为 局部路段( 小半径曲线、长直线段、大型桥梁等) 交通安全设施设计提供依据。 1 3 研究目标、内容和方法 1 3 1 研究目标 本文的主要目标包括以下两个部分： 1 ) 为改善我国驾驶员驾驶行为，提高道路交通安全性寻找一种比较可行的 解决办法。 2 ) 建立系统的基于驾驶员视知觉的车速控制和车道保持机理，为工程实践 提供有效的理论指导。 1 3 2 研究内容 本文的研究内容主要包括： 1 ) 驾驶员基于光流率、边缘率感知车速的机理研究 2 ) 研究出视觉边缘率控制车速的机理，以及与车速的定量关系； 3 ) 从视觉光流率、环境对比度的角度解析雾天驾驶员速度感知的机理，并 提出基于视觉边缘率的改善措施； 4 ) 对现有的基于驾驶员视知觉的车道保持机理进行归纳总结，指出各自存 r 武汉理1 ：大学硕十学位论文 在的缺陷，找出可行的基于视知觉的车道保持方法。 1 3 3 研究方法 在研究过程中，主要采用以下研究方法： 1 ) 运用工程心理学、交通工程学和实验科学等多学科理论与方法相结合， 进行交通安全改善技术研究，提高道路视觉信息人性化水平，实现驾驶员与道 路和谐。 2 ) 采取室内计算机仿真实验，理论与实验相结合，提高理论与方法适用性 水平。 3 ) 依据光流率含义，运用整体光流率与边缘率相关性，光流率、边缘率与 速度的相关性，光流率与高度的关系，边缘率与质地密度关系，以及驾驶员高 速行驶时的视觉特性，驾驶员不同视高下实验车速与边缘率关系，研究光流率、 边缘率度量及计算方法。 4 ) 根据驾驶员视觉特性，光流率、边缘率在触摸、截获、碰撞实验中发现 与分析，公路上无意识的实践效果分析，驾驶员在公路上驾驶速度期望、经验， 在控制、自动、外生、内生环境变量下驾驶员生理、心理特征等交通心理学、 工程心理学研究成果，对驾驶员基于光流率、边缘率感知车速的机理进行解析。 根据光流率及边缘率含义及其速度关系来研究车速与驾驶员视觉光流率及边缘 率密度关系模型。 5 ) 根据驾驶员注视点分布、车道保持有效视觉区域、光流场、视网膜流场 等特征，结合计算机模拟仿真研究基于驾驶员视知觉信息的车道保持机理。 1 3 4 技术路线 9 武汉理i ：人学硕士学位论文 驶员视觉特性 时 卒 频 率 o j 速 度 感 视 神 经 系 统 自| l 胞 响 陲bj于tn边n缘ii率ln2到i 卜匝 钙驶员甚于边 缘牢感知车速 的肌删 旱 现 光 流 场 小 i 几j 区 域 光 流 ；蕾 定 义 i 叫区域光流率 度感知的影响 员动态视型 驶员基 流率感 速的机理 车辆动力学 物体运动学 = = = = = 2 气 缘率、光流率i 背景密度 l 前提、假陵l _ _ 。_ _ _ _ 。- - _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。一 _ - _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 i 影响驾驶员速 幢感知的其它 冈素 度 适 应 性 于光流搴q 缘率控镧， 速的桃理习 基于驾驶贷视知觉t 息的乍速控制机理 錾警鸳驶贯祝知觉信息 y 。 ! 的驽驶行为改善机堙， 驾驶员车道保持的影嚼 稠巨 域l 嘛 扩 张 角 注 视 点 确定小i 卅协i 素与驾驶员 车道保持行为的关系 芋道保持模型机理。 标定模型参数 图1 - 3 技术路线图 l o 3 d m a x 、v c + + 构建人机交互、p 台 r 改变路血质地、 边缘线、呈现不 州视觉区域、变 化滓视点 武汉理t 人学硕十学位论文 1 4 论文章节安排 本文的主要内容和章节安排如下： 第1 章绪论。简要阐述论文研究背景和意义，叙述基于驾驶员视知觉的交 通安全技术的研究现状，分析关键内容及存在问题，并介绍论文的主要工作。 第2 章驾驶员视觉特性分析。对驾驶员运动视觉特性进行详细地讨论分 析。 第3 章影响速度感知的视觉因素及其影响机理。对影响驾驶员速度感知的 主要视觉因素进行原理解析，为知觉降速的设计提供基础。 第4 章用恒定边缘率控制车速的设计理论首先解析知觉降速的机理，然后 根据边缘率概念和物体运动方程推导驾驶员在舒适性匀减速下保持边缘率恒定 时的边缘率控速设计模型，用3 d m a x 制作了小汽车在高速公路上行驶时的边 缘率实验影像，并通过心理物理实验确定边缘率的合理值。 第5 章雾天驾驶员速度感知机理及改善方法。首先分析以往雾天速度感知 实验的缺陷，然后用3 d m a x 制作了小汽车在接近真雾环境下( 实验场景中， 驾驶员眼中雾的浓度呈线性变化) 高速公路上行驶的实验影像，采取心理物理 实验得到雾天驾驶员的速度感知情况，接着从光流率和对比度的角度解析这种 现象形成的原因，最后有针对性地提出基于边缘率的改善措施并确定边缘率的 合理值。 第6 章基于视知觉的车道保持理论与方法。 第7 章结论与展望。对论文所做的工作和所得到的结论进行总结，针对研 究尚待深入的地方对未来的研究工作进行展望。 武汉理- f i ：大学硕十学位论文 绪论( 第1 章) 一b - 驾驶员视觉特性分析 熏 ( 第2 章) 孛 分析驾驶员的动态视觉特征 上 7 j ll = 影响速度感知的视觉因素及影响机理( 第3 章) 石 对各视觉冈子的影响机理进行解析 u 用恒定边缘率控制车速的设计理论( 第4 章)模孤 建立恒定边缘率控制车速的模型，进行模拟实建_ i 验，确定边缘率密度的合理值 不f 如誊。】 l l 幌i 之# i i 雾天驾驶员速度感知机理及其改善方法( 第5 章) 二王兰 通过心理物理实验得到雾大驾驶员的速度感知情 的殉 况，进一步的解析驾驶员速度感知的机理，并确 定雾大条件下边缘率密度的合理值 u 降于视知觉的车道保持理论与方法( 第6 章) 图1 4 章节安排 1 2 武汉理1 i 大学硕七学位论文 第2 章驾驶员视觉特性分析 对驾驶员视觉特性的分析一方面有利于有针对性地提出改善措施，另一方 面有利于建立更加真实的实验场景，提高实验结果的科学性，本章主要对驾驶 员的视野、驾驶员注视点和影响驾驶员视觉注意的因素进行分析。 2 1 驾驶员视野 张殿业【3 习( 2 0 0 0 ) 对驾驶员动态视野与行车安全可靠度进行了研究，指出 驾驶员不断对车外运动和相对静止物体进行感知判断，感知范围的大小对行车 安全至关重要。即使平面静态视野感知区域相同时，驾驶员动态视野感知域的 离散分布较大。研究结果表明，静态视野不能完全反映实际视域水平；事故组 与非事故组驾驶员的动态视野失误点相比差异显著( p 0 0 5 ) ；并提出动态视野可靠度与最大行车速度的对应关 系。 图2 1车速与动态视野关系