It has been found that traveling on the roadways at night is an inherently more dangerous task than driving during the daylight hours. Driving is primarily a visual task, and there are certain situations at night in which vision and safety may be compromised. The effects of glare produced by the headlamps of oncoming vehicles have become an interesting problem to many lighting researchers. Depending upon the opposing lighting design (beam distribution and intensity) and the lighting conditions inside the vehicle, oncoming headlamps can be both visually discomforting and disabling to drivers at night. In recent years, the newer High Intensity Discharge (HID) headlamps have raised some concern because of their increased light output and brighter appearance as opposed to traditional Halogen headlamps. The objective of this study was to evaluate the discomfort and disability glare produced by different oncoming headlamps under two driver light adaptation levels. This study took place on the Smart Road at the Virginia Tech Transportation Institute. During the Discomfort Glare portion, participants drove an experimental vehicle at 20mph past the oncoming headlamps and were asked to rate their overall discomfort with the subjective deBoer scale. The Disability Glare portion involved drivers detecting a static pedestrian in the roadway while approaching each different set of glare headlamps. It was hypothesized that there would be significant differences in detection distance and discomfort glare rating across the different glare headlamp and adaptation level combinations. It was also hypothesized that age would have a significant effect on detection distance, and the subjective ratings. The results of this study revealed many significant main effects and interactions for the discomfort and disability glare portions. The main effect of glare source was the only significant factor for discomfort glare. The main effects of age, glare source and pedestrian location were all significant for the disability portion. In addition, the interaction of pedestrian location and glare source was also significant. Overall, there was no clear relationship between subjective discomfort ratings and objective disability measures. The conclusions of this research will be valuable to the consumer as well as the manufacturers and designers of future headlamps in revealing how glare can affect drivers on the road at night. This information can help guide new designs to maximize forward visibility while minimizing glare. / Master of Science

Vehicle crashes remain the leading cause of accidental death and injuries in the United States, claiming tens of thousands of lives and injuring millions of people each year. Many of these crashes occur during nighttime, where a variety of modifiers affect the risk of a crash, primarily through the reduction of object visibility. Furthermore, many of these modifiers also affect the nighttime mobility of older drivers, who avoid driving during the nighttime. Thus, a two-fold need exists for new technologies that enhance night visibility. Two separate studies were completed as part of this research. Study 1 served as a baseline by evaluating visual performance during nighttime driving under clear weather conditions. Visual performance was evaluated in terms of the detection and recognition distances obtained when different vision enhancement systems were used at the Smart Road testing facility. Study 2, also using detection and recognition distances, compared the visual performance of drivers during low visibility conditions (i.e., due to rain) to the risk perception of driving during nighttime under low visibility conditions. These comparisons were made as a function of various vision enhancement systems. The age of the driver and the characteristics of the object presented (e.g., contrast, motion) were variables of interest in both studies. The pivotal contribution of this investigation is the generation of a model describing the relationships between driver characteristics, risk perception, and visual performance in nighttime driving in the context of a variety of standard and prototype vision enhancement systems. Improvement of mobility, especially for older individuals, can be achieved through better understanding of the factors that increase risk perception, identification of systems that improve detection and recognition distances, and consideration of drivers' opinions on possible solutions that improve nighttime driving safety. In addition, this research effort empirically described the night vision enhancement capabilities of 12 different vision enhancement systems during clear and adverse weather environments. / Ph. D.

Da die menschliche Sehleistung bei geringer Beleuchtung stark vermindert ist, birgt die Teilnahme am nächtlichen Straßenverkehr besondere Gefahren. Sowohl Kraftfahrzeugführer als auch schwächere Verkehrsteilnehmer sind sich dieser Problematik offenbar nicht hinlänglich bewusst und verhalten sich häufig hochriskant. Dies hat, gemessen an der Exposition, eine überproportionale Häufigkeit und Schwere von Nachtunfällen zur Folge. Um dieser Situation zu begegnen, erscheinen neben konventionellen Präventionsmaßnahmen der Verkehrsüberwachung und -erziehung oder Eingriffen in die Verkehrsinfrastruktur auch neuartige fahrzeugtechnische Systeme geeignet. So wurden in den letzten Jahren Fahrerassistenzfunktionen entwickelt, welche mittels adaptiver Lichtsteuerung die Ausleuchtung des Verkehrsraumes verbessern sollen. Hierfür wird das lichttechnische Signalbild anderer Fahrzeuge mittels einer Kamera erfasst und die eigene Scheinwerferlichtverteilung so angepasst, dass die Straße maximal ausgeleuchtet wird, um die Hinderniserkennung zu verbessern und trotzdem gleichzeitig eine Blendung anderer Kraftfahrer zu vermeiden. Als zusätzlich integrierte Funktion kommt auch eine automatisierte Fernlichtschaltung zum Einsatz. Bislang war nicht belegt, ob diese sogenannten Adaptiven Frontbeleuchtungssysteme (AFS) in der Lage sind, tatsächlich zu einer Erhöhung der nächtlichen Verkehrssicherheit beizutragen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Anforderungen zur Blendungsvermeidung beim Einsatz derartiger Assistenzfunktionen aufzustellen und die Wirksamkeit adaptierter Scheinwerferlichtverteilungen zu bewerten. Hierfür wurden entsprechende empirische Untersuchungen durchgeführt. So konnten in der ersten Studie Blendungsgrenzwerte ermittelt werden, welche sicherstellen sollen, dass andere Verkehrsteilnehmer nicht über das bislang übliche Maß hinaus durch die Scheinwerfer geblendet werden, wenn neuartige AFS zum Einsatz kommen. In einem weiteren Experiment wurde geprüft, ob unter Einhaltung dieser Grenzwerte eine nennenswerte Erhöhung der Erkennbarkeitsentfernungen für schlecht sichtbare Hindernisse auf der Straße erreichbar ist. Die letzte Studie beschäftigte sich mit der Frage, in welchem Umfang adaptierte Lichtverteilungen im realen Straßenverkehr zum Einsatz kämen, um deren mögliche Wirksamkeit besser beurteilen zu können. Parallel hierzu wurde auch das Fernlichtnutzungsverhalten der Probanden untersucht. Wie die durchgeführten Untersuchungen zeigen konnten, ergeben sich durch den Einsatz adaptierter Lichtverteilungen signifikante Verbesserungen bezüglich der Erkennbarkeit von Hindernissen gegenüber konventioneller Kraftfahrzeugbeleuchtung in teils beträchtlichem Ausmaß. Außerdem konnte ermittelt werden, dass adaptierte Scheinwerferlichtverteilungen im realen Straßenverkehr in erheblichem Umfang zum Tragen kämen. Aufgrund der viel zu geringen Fernlichtnutzung könnten Kraftfahrer auch besonders stark von der automatisierten Fernlichtschaltung profitieren. Damit kann davon ausgegangen werden, dass neuartige AFS tatsächlich überaus geeignet sind, nächtliche Kollisionen von Kraftfahrzeugen mit unbeleuchteten schwächeren Verkehrsteilnehmern oder Wild zu vermeiden. Trotz dieser Einschätzung sind die letztlich zu erwartenden positiven Auswirkungen auf die Verkehrssicherheit womöglich eher gering, wenn es nicht gelingt, alle Verkehrsteilnehmer für die Gefahren des nächtlichen Straßenverkehrs zu sensibilisieren. Zudem können Adaptive Frontbeleuchtungssysteme selbstverständlich nicht allen Ursachen nächtlicher Kollisionen mit Hindernissen auf der Straße wirkungsvoll begegnen. / Since the human visual performance is substantially degraded under low illumination levels participating in nighttime traffic is particularly dangerous. Drivers as well as vulnerable road users are not sufficiently aware of this and therefore expose themselves to severe risks. Compared to overall exposure, a disproportionately high number of severe injuries and fatalities occur in nighttime traffic. Besides conventional approaches such as enforcement, education, and infrastructural measures, new automotive systems promise additional gains in road safety. Recently, Adaptive Frontlighting Systems (AFS) have been developed that are meant to improve road illumination in front of the car. Therefore, other lit vehicles are detected by a camera, which allows adapting the beam pattern according to the traffi c situation. The maximum of illumination is directed at the road to enhance object detection while omitting oncoming traffic to prevent glare to other drivers. This functionality also includes high beam automation. Up to now it has not been convincingly substantiated if so-called AFS are actually capable of increasing road safety. Thus, the aim of this thesis was to set up system specifications for the prevention of glare and to assess the impact of adapted light distributions by conducting adequate empirical studies. The first study identified illuminance thresholds in order to assure that other drivers will not suffer from glare when AFS are applied that are beyond present levels caused by regular low beams. The second experiment examined if the adaptation of beam patters within these identified limits improves detection distances for unlit obstacles on the road. The last study examined the extent of AFS’ applicability in real nighttime traffic, to better estimate the possible efficacy of such systems. The high beam usage behavior of the test subjects was also analyzed within this driving study. Adapted beam patterns turned out to significantly improve obstacle detection in comparison to conventional low beams. It was found that adaptive lighting functions could cover a substantial part of time driven in rural areas. Besides, high beam automation could dramatically increase high beam usage since drivers mostly fail to maintain manual switching. Taking these findings into consideration AFS seem to be suited to prevent collisions with unlit obstacles during nighttime driving. However, their impact on road safety could remain marginal unless road users are sensitized for the dangers of participating in traffic during darkness. Moreover, AFS cannot counteract all causes of nighttime collisions.

<p>To give a realistic impression in a driving simulator for nighttime driving, there are many challenging aspects to consider. One of the most important aspects is the illumination caused by the headlights of the own vehicle. To give a realistic impression there is the need to consider the characteristics of the headlight in use to be able to represent main and dipped beam, but also to represent different models and types of headlights. </p><p>Another important aspect is the dazzling effects caused by the light cast by other vehicles upon the driver. These effects are not only important to give a realistic and visually appealing simulation, but also to simulate blinding effects which may affect the drivers ability to perceive the traffic environment to a large degree. </p><p>This thesis describes methods to simulate these vital aspects of night-drive simulation in real-time using the capabilities of today's graphics cards.</p>

To give a realistic impression in a driving simulator for nighttime driving, there are many challenging aspects to consider. One of the most important aspects is the illumination caused by the headlights of the own vehicle. To give a realistic impression there is the need to consider the characteristics of the headlight in use to be able to represent main and dipped beam, but also to represent different models and types of headlights. Another important aspect is the dazzling effects caused by the light cast by other vehicles upon the driver. These effects are not only important to give a realistic and visually appealing simulation, but also to simulate blinding effects which may affect the drivers ability to perceive the traffic environment to a large degree. This thesis describes methods to simulate these vital aspects of night-drive simulation in real-time using the capabilities of today's graphics cards.

Da die menschliche Sehleistung bei geringer Beleuchtung stark vermindert ist, birgt die Teilnahme am nächtlichen Straßenverkehr besondere Gefahren. Sowohl Kraftfahrzeugführer als auch schwächere Verkehrsteilnehmer sind sich dieser Problematik offenbar nicht hinlänglich bewusst und verhalten sich häufig hochriskant. Dies hat, gemessen an der Exposition, eine überproportionale Häufigkeit und Schwere von Nachtunfällen zur Folge. Um dieser Situation zu begegnen, erscheinen neben konventionellen Präventionsmaßnahmen der Verkehrsüberwachung und -erziehung oder Eingriffen in die Verkehrsinfrastruktur auch neuartige fahrzeugtechnische Systeme geeignet. So wurden in den letzten Jahren Fahrerassistenzfunktionen entwickelt, welche mittels adaptiver Lichtsteuerung die Ausleuchtung des Verkehrsraumes verbessern sollen. Hierfür wird das lichttechnische Signalbild anderer Fahrzeuge mittels einer Kamera erfasst und die eigene Scheinwerferlichtverteilung so angepasst, dass die Straße maximal ausgeleuchtet wird, um die Hinderniserkennung zu verbessern und trotzdem gleichzeitig eine Blendung anderer Kraftfahrer zu vermeiden. Als zusätzlich integrierte Funktion kommt auch eine automatisierte Fernlichtschaltung zum Einsatz. Bislang war nicht belegt, ob diese sogenannten Adaptiven Frontbeleuchtungssysteme (AFS) in der Lage sind, tatsächlich zu einer Erhöhung der nächtlichen Verkehrssicherheit beizutragen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Anforderungen zur Blendungsvermeidung beim Einsatz derartiger Assistenzfunktionen aufzustellen und die Wirksamkeit adaptierter Scheinwerferlichtverteilungen zu bewerten. Hierfür wurden entsprechende empirische Untersuchungen durchgeführt. So konnten in der ersten Studie Blendungsgrenzwerte ermittelt werden, welche sicherstellen sollen, dass andere Verkehrsteilnehmer nicht über das bislang übliche Maß hinaus durch die Scheinwerfer geblendet werden, wenn neuartige AFS zum Einsatz kommen. In einem weiteren Experiment wurde geprüft, ob unter Einhaltung dieser Grenzwerte eine nennenswerte Erhöhung der Erkennbarkeitsentfernungen für schlecht sichtbare Hindernisse auf der Straße erreichbar ist. Die letzte Studie beschäftigte sich mit der Frage, in welchem Umfang adaptierte Lichtverteilungen im realen Straßenverkehr zum Einsatz kämen, um deren mögliche Wirksamkeit besser beurteilen zu können. Parallel hierzu wurde auch das Fernlichtnutzungsverhalten der Probanden untersucht. Wie die durchgeführten Untersuchungen zeigen konnten, ergeben sich durch den Einsatz adaptierter Lichtverteilungen signifikante Verbesserungen bezüglich der Erkennbarkeit von Hindernissen gegenüber konventioneller Kraftfahrzeugbeleuchtung in teils beträchtlichem Ausmaß. Außerdem konnte ermittelt werden, dass adaptierte Scheinwerferlichtverteilungen im realen Straßenverkehr in erheblichem Umfang zum Tragen kämen. Aufgrund der viel zu geringen Fernlichtnutzung könnten Kraftfahrer auch besonders stark von der automatisierten Fernlichtschaltung profitieren. Damit kann davon ausgegangen werden, dass neuartige AFS tatsächlich überaus geeignet sind, nächtliche Kollisionen von Kraftfahrzeugen mit unbeleuchteten schwächeren Verkehrsteilnehmern oder Wild zu vermeiden. Trotz dieser Einschätzung sind die letztlich zu erwartenden positiven Auswirkungen auf die Verkehrssicherheit womöglich eher gering, wenn es nicht gelingt, alle Verkehrsteilnehmer für die Gefahren des nächtlichen Straßenverkehrs zu sensibilisieren. Zudem können Adaptive Frontbeleuchtungssysteme selbstverständlich nicht allen Ursachen nächtlicher Kollisionen mit Hindernissen auf der Straße wirkungsvoll begegnen. / Since the human visual performance is substantially degraded under low illumination levels participating in nighttime traffic is particularly dangerous. Drivers as well as vulnerable road users are not sufficiently aware of this and therefore expose themselves to severe risks. Compared to overall exposure, a disproportionately high number of severe injuries and fatalities occur in nighttime traffic. Besides conventional approaches such as enforcement, education, and infrastructural measures, new automotive systems promise additional gains in road safety. Recently, Adaptive Frontlighting Systems (AFS) have been developed that are meant to improve road illumination in front of the car. Therefore, other lit vehicles are detected by a camera, which allows adapting the beam pattern according to the traffi c situation. The maximum of illumination is directed at the road to enhance object detection while omitting oncoming traffic to prevent glare to other drivers. This functionality also includes high beam automation. Up to now it has not been convincingly substantiated if so-called AFS are actually capable of increasing road safety. Thus, the aim of this thesis was to set up system specifications for the prevention of glare and to assess the impact of adapted light distributions by conducting adequate empirical studies. The first study identified illuminance thresholds in order to assure that other drivers will not suffer from glare when AFS are applied that are beyond present levels caused by regular low beams. The second experiment examined if the adaptation of beam patters within these identified limits improves detection distances for unlit obstacles on the road. The last study examined the extent of AFS’ applicability in real nighttime traffic, to better estimate the possible efficacy of such systems. The high beam usage behavior of the test subjects was also analyzed within this driving study. Adapted beam patterns turned out to significantly improve obstacle detection in comparison to conventional low beams. It was found that adaptive lighting functions could cover a substantial part of time driven in rural areas. Besides, high beam automation could dramatically increase high beam usage since drivers mostly fail to maintain manual switching. Taking these findings into consideration AFS seem to be suited to prevent collisions with unlit obstacles during nighttime driving. However, their impact on road safety could remain marginal unless road users are sensitized for the dangers of participating in traffic during darkness. Moreover, AFS cannot counteract all causes of nighttime collisions.