煤矿井下近距离视空间知觉绩效研究

1、煤矿井下近距离视空间知觉绩效研究任大伟，刘阳，陈立涛 （山东科技大学，矿业与安全工程学院，工业工程系）摘要: 煤矿井下环境复杂，空间狭小，人员设备集中，色调单一，视空间知觉的准确与否直接影响安全生产。通过模拟煤矿井下环境，设计了井下目标物体视空间知觉定位实验，研究了被试由远及近和由近及远两种模式下对不同色彩目标物体的视空间知觉定位绩效。实验数据表明，在模拟井下环境中，人的视空间知觉距离显著小于目标距离，且实验中被试对深红色目标物体视空间知觉最小。另外，实验目标物体IHS色彩空间特征中的色调值（H）对视空间知觉影响呈现出了规律性。实验结果对煤矿井下警示标志设置、生产设施设备配色和安全距离制定等活

2、动提供了参考。关键词:煤矿井下；视空间知觉；IHS中图分类号TP11；TB1 文献标识码 AStudy of Visual Spatial Perception Performance at Close Range in Coal Mine Ren Dawei, Liu Yang，Chen Litao， (Shandong University of Science and Technology, Mining and Safety Engineering, Department of Industrial Engineering)Abstract: The environment in co

3、al mine is complex, and the space is narrow, and personnel and equipment gather together, and color is single. The visual spatial perception affects the safety in production. By simulating the environment in coal mine, visual spatial perception experiment was

4、designed, which studied the, visual spatial perception performance to different color targets under the two modes of from far to near and from near to far. The empirical evidence showed that visual spatial perception distance was significantly less than the target distance,

5、and the deeppink objects in the experiment was minimum. In addition, the H of the IHS color space of the experimental target on visual spatial perception appeared regularity. The experimental results provides reference for corresponding warning marks

6、, setting color and safe distance in coal mine.Keywords: coal mine; visual spatial perception; IHS1. 引言煤矿井下生产环境复杂，各类人员、设备和生产活动集中在近距离范围内，井下人员需准确判断各类近距离目标物体的相对位置。而由于煤矿井下无自然光照，完全依靠矿灯等照明设备采光，且色彩以灰黑色为主，易产生视觉疲劳，井下各类物体的颜色和相对运动方向是否对人的视空间知觉绩效产生影响值得研究。视空间知觉是个体对同一物体的凹凸或对不同物体远近的反映，空间知觉需要依靠许多客观条件和机体内部条件或线索并综合有机体

7、的已有视觉经验而达到。概括起来，视空间知觉的线索包括单眼线索和双眼线索。单眼线索主要强调视觉刺激本身的特点，主要包括对象的相对大小、遮挡、质地梯度、明亮和阴影、线条透视、空气透视和运动视差。在产生深度知觉之前, 不仅双眼视差, 而且双眼透视信息, 都在空间频率域内作了预处理。双眼刺激由两眼视网膜接收后在空间频率域内进行图像预处理。经过预处理后输出的信号分成两路，有单眼线索刺激则进行模式识别, 否则汇成双眼复合的视场。经过各个通道处理后的线索或者纤细被传送到更高层次上进行整合, 最后即以深度知觉或者空间知觉的形式输出, 然后被人所感知姚国正.有单眼线索与无单眼线索的深度信息处理方式J.生物化学与

8、生物物理进展,1984,4:20-24.。目前针对在煤矿井下煤矿工人的近距离视空间知觉判断影响的因素研究甚少，且主要集中在交通领域。郭伟力等人在卡车驾驶员的视空间知觉研究中,用视空间知测试仪对248名男性卡车驾驶员在视觉对象低速和高速运动条件下的视空间知觉准确性进行了测量。结果表明安全组与事故组卡车驾驶员的视空间知觉准确性，在视觉对象低速运动条件下差异不显著，高速运动条件下则差异显著,且工龄对卡车驾驶员视空间知觉准确性有显著影响郭伟力.卡车驾驶员的深度知觉研究J.人类工效学,1999,5(3):10-13.。褚跃德在其篮球运动员深度知觉能力的初步研究中，揭示不同运动水平的篮球运动员深度知觉能力

9、存在显著差异。在1-22岁这个年龄阶段, 深度知觉能力不受年龄因素影响褚跃德.篮球运动员深度知觉能力的初步研究J.应用心理学,1988,4:55-59.。余浩等人在海员的深度知觉研究中，研究表明深度知觉作为一项指标，对于海员好与坏的鉴别提供了参考。不同年龄、工作年龄、海员从事龄组之间海员深度知觉不存在显著差异，职务高低、来源和文化水平的海员深度知觉不存在显著差异。深度知觉作为一项指标, 对海员的选拔是合适的余浩.海员的深度知觉研究J.中华航海医学与高气压医学,2006,3(1):15-17.。Jochen Musseler等人在Visual space perception and actio

10、n: Introductory remarks ,指出在动态环境视觉是必不可少的行动，明确感知过程和行动计划更加互锁。在视觉空间知觉是尤其明显，强调打开不同的理论和实证的角度，使其相得益彰 Jochen Musseler. Visual space perception and action: Introductory remarks J, Visual Cognition, 2010, 1:129-136.。IHS是描述物体色彩特征的常用指标，I、H、S分别表示亮度、色调和饱和度。在视觉绩效研究中常用来作为RGB转换后的量化指标使用，IHS与RGB之间的转换以三角变换公式为准。如公式（1-1

11、）和式(1-2）所示： 式（1-1） 式（1-2）王晓艳等人在一种基于结构相似度的IHS与小波变换相结合的遥感影像结合算法中，指出该算法在提高融合影像分辨率的同时, 能很好地保持原始多光谱影像的光谱特性, 是一种理想的遥感影像融合方法王晓艳.一种基于结构相似度的IHS与小波变换相结合的遥感影像融合算法J.兰州大学学报,2011,47(5):1-6.。柴艳妹等人在一种基于方向性信息测度和IHS变换的图像融合新方法中，表明与传统的IHS 融合方法和基于直方图匹配的IHS 融合方法相比, 该新方法在保持T M 光谱信息和抗噪声能力方面具有明显优势柴艳妹.一种基于方向性信息测度和IHS变换的图像融合新

12、方法J.西北工业大学学报,2004,22(4):422-425.。2. 实验方法本实验根据已有的研究基础，通过模拟煤矿井下的视觉环境，选取一定数量的人员作为视空间知觉的实验对象，测量不同目标物体IHS色彩空间的感知距离。2.1模拟井下环境及实验装置模拟井下环境主要是针对视觉环境，用支撑材料搭建长500cm，宽220cm，高270cm的长方体空间，四周及顶底使用黑色遮光布覆盖，留出一端开口供被试进出和前后移动，另一端，目标物体摆放于高120cm黑色实验台上。覆盖空间所用黑色遮光布反光率约3.5%左右邹韧.煤的最小反光率与反光旋转角试验J.煤田地质与勘探,1980,6:72-73.。其余实验材料包

13、括大小相等、形状相同、颜色不同的18cm×18cm×18cm的纸制正方体目标物体、卷尺、可调节照明模拟矿灯、照度计、温湿度计、实验记录表等其他辅助性工具。表2.1为所选用目标物体颜色RGB值与IHS转换值。2.2 被试实验共招募20名被试，均为男性，年龄均值为21.45岁，方差为28.95，所有被试矫正视力均在1.0以上，无色盲色弱，认知水平大致相当且未参加过类似实验。2.3 实验过程步骤一：于晚间20时许，召集被试于实验室内，关闭实验室窗帘防止外界光线影响室内照明。打开所有照明灯具，以白色为背景墙，在高120cm的白色桌面上摆放黑色正方体目标物体，分别在300cm、350

14、cm、400cm和450cm处设置4个观察点，作为被试的“目标距离”，让被测站立在各个观察点观看物体，产生视空间知觉，大约观察15分钟。此时，测得模拟井下环境温度为25，相对湿度是60%，室内环境平均照度值是150.3lx，模拟井下环境内部平均照度为0.5lx，并调节模拟矿灯照度为150lx。步骤二：被试依次进入模拟井下环境，通过手持模拟矿灯照明双眼观察摆放于另一端的粉红A目标物体，并限定被试8s内根据直觉由近到远定位与步骤一中4个目标距离相同的位置，实验员分别记录被试所定位的位置，该位置距离目标物体间的长度文中称作“视空间知觉距离”。步骤三：将步骤二中的目标物体依次更换为粉红B、深红色、兰花

15、紫、深天蓝、青绿色、森林绿、灰色、黄色、橙色等9种颜色，并重复进行步骤二。步骤四：将步骤二中的由近及远更改为由远及近，且选择深红色、青绿色、森林绿、粉红色A、灰色，再次重复步骤二。表2.1 目标物体体颜色RGB值和IHS转化表颜色R（红）G（绿）B（蓝）I（色调）H（亮度）S（饱和度）深红色255201471410.650.86粉红A2551051801800.620.42粉红B2551922032170.850.11兰花紫2181122141810.510.38深天蓝01912551490.571.00青绿色02551271270.331.00森林绿3413934691.000.51灰色12

16、812812812800黄色25525501700.501.00橙色25516501400.391.003. 实验分析及结果讨论实验中，每个被试分别对10种颜色由近及远测得400个视空间知觉数据，对5种颜色由远及近测得200个视空间知觉数据。表3.1为部分被试对森林绿目标物体的视空间知觉距离。表3.1 森林绿目标物体视空间知觉数据目标距离视空间知觉距离被试1被试2被试3被试4被试5被试6被试7被试8被试9被测1030041436434732632033733932535136035045441439738639139840939041241440050245946446445745546545

17、04644644505585055215205185095155075135113.1 实验分析针对以上数据的分析主要从被视空间知觉距离均值与目标距离值的关系、不同色彩目标物体IHS特征与视空间知觉间的关系两个方面进展开。视空间知觉实际距离与目标距离的关系表3.2为目标距离与被试视空间知觉距离均值、由远及近视空间知觉距离均值、由近及远视空间知觉距离均值对照表，表中各类视空间知觉距离均值都大于目标距离。经回归分析，各类视空间知觉距离均值与目标距离呈线性关系，且拟合优度判定系数均大于99.99%，其拟合方程如式(3-1)、式(3-2)和式(3-3)所示。 式（3-1） 式（3-2） 式（3-3）表

18、3.2 目标距离与视空间知觉距离均值 目标距离值（）全部视空间知觉距离均值（）由远及近视空间知觉距离均值（）由近及远视空间知觉距离均值（）300318.53329.75311.8350369.55382.3361.9400422.24436.67413.59450473.93489.93464.33以上拟合方程能够以99.99%涵盖所有的数据，经检验表明，被试视空间知觉距离与目标距离在水平上存在显著差异；经检验由近及远和由远及近两种视空间知觉距离在存在显著差异。 目标物体IHS特征与视空间知觉距离的关系图3.1表示在相同目标距离时，对视空间知觉距离的认同频次与IHS色彩空间中H、S的相互变化趋势图。图中四条曲线的拟合方程分别如式（3-4）、式（3-5）、式（3-6）和式（3-7）所示。图3.1认同频次与H、S关系图 式（3-4） 式（3-5） 式（3-6） 式（3-7）H<0.5时，随着H的增大，由远到近和由近到远的视空间知觉的变化趋势大致相同，对每种颜色认同频次相一致；在H>0.5时，随着H的增大，由远到近的视空间知觉的变化幅度要大于由近到远的视空间知觉的变化幅度，且由远到近对每种颜色认同频次大于由近到远认同频次；随着S的增大，由远到近和由近到远的视空间知觉的变化趋势大致相同，对每种颜色认同频次相一致。图3.2表示在相同目标距离时，对视空间知觉距离的认同频次与IH