車載顯示屏亮度對于道路安全的影響

李浩然，林燕丹

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

車載顯示是駕駛員在駕駛過程中的重要信息來源。隨著顯示技術和交互技術的發展，越來越多的功能被添加到車載顯示中。車速、導航信息和天氣等各種信息都集中顯示在顯示屏中。而與傳統的導光板顯示不同的是，車載顯示屏具有更高的亮度。另一方面，屏幕的尺寸也呈現出增長的趨勢。因此，當駕駛員觀察屏幕的時候，會有更多的光進入到駕駛員的眼睛里。在夜間駕駛過程中，駕駛員的視線會在道路和顯示屏之間來回切換。國際照明委員會(CIE)對路面亮度的要求僅為2 cd/m2，而顯示屏的亮度卻超過100 cd/m2[1]。這意味著道路和顯示屏之間會存在巨大的亮度差。根據人眼的特性，其存在三種工作狀態：明視覺、暗視覺以及中介視覺。當駕駛員觀察前方道路的時候，眼睛是工作在中介視覺的狀態，而顯示屏所對應的工作狀態為明視覺。在白天，亮度的變化僅僅會導致瞳孔尺寸的改變，但是在夜間，亮度改變還意味著眼睛中視細胞工作狀態的改變。在明視覺中，只有錐狀細胞在激活狀態，而在中介視覺中，部分桿狀細胞也會被激活[2-4]。但是在轉換過程中，細胞狀態的改變會花費一定的時間。這也意味著駕駛員的實習在從顯示屏切換到路面的過程中，駕駛員并不能立刻適應亮度的改變。盡管這一轉換過程并不長，但是還是會給道路安全帶來一定的風險。

在過往的研究中，焦淑蘭等[5-10]研究了人眼的對比度靈敏度和視場亮度之間的關系。然而，這一研究的重點并未落腳到轉換過程。因此，在本論文的研究中，我們把研究方向重點放在了人眼在轉換過程中的表現。我們探究了在觀察屏幕后視覺恢復時間和瞳孔尺寸的變化。根據實驗的結果，隨著屏幕亮度的增加，被試需要花費更長的時間來恢復視覺。把剎車距離納入考慮的因素，在車速不變的情況下，更長的恢復時間意味著更長的剎車距離。于此同時，瞳孔尺寸變化的程度也會隨之增加。這加劇了駕駛員的視疲勞。將這兩部分的因素綜合考慮，在車載顯示的設計過程中，屏幕的亮度必須加以限制。

1 實驗設計

1)實驗目的。本實驗的主要目標是探究在觀察不同的顯示器后，人眼的恢復時間以及瞳孔尺寸的變化情況。

2)實驗布局。我們搭建了特定的實驗場景來模擬夜間駕駛的過程。模擬場景的布局如圖1所示。

圖1 實驗場景布局Fig.1 Simulated scene layout

在實驗中，我們在一塊黑色的面板上張貼了四張朗道環作為觀察的目標。被試需要從3.3 m的距離來觀察朗道環。朗道環的外徑為11.5 cm，其對應的視角大小等同于從20 m的距離觀察道路標志對應的視角。顯示設備被放置于被試前方0.5 m處。在被試與朗道環之間還配置了風擋。

3)實驗設備。實驗中，我們使用了眼動儀來記錄瞳孔尺寸的變化，眼動儀的型號為tobii 1.0 其可以記錄瞳孔的尺寸和視線分布。同時，作為便攜式眼動儀，其不會對駕駛員的視線造成影響。為了使瞳孔尺寸的數據更加準確，實驗中禁止佩戴眼鏡，包括隱形眼鏡。

考慮到目前的車載顯示產品并不支持調光的功能。因此我們選用了尺寸相當的平板電腦來代替車載顯示屏。顯示屏上顯示的內容為一張導航圖片，用以模擬在實際駕駛過程中車載顯示上可能顯示的信息。顯示屏的亮度被分為11個等級。我們使用了成像亮度計來測量顯示屏的平均亮度。顯示屏的亮度范圍為6.9～234.3 cd/m2。其具體的亮度值如表1所示。

表1 顯示屏亮度

4)實驗過程。實驗中一共選用了12名被試。所有被試的裸眼視力都超過1.0。在實驗開始時，被試會首先被要求確認朗道環的方向以保證其可以在不佩戴眼睛的情況下識別視覺目標。考慮到桿狀細胞的激活時間，在識別朗道環之前，被試會先經歷10 min的暗適應。

在確保被試的視力足夠后，我們可以開始正式實驗。正式實驗的過程如圖2所示。首先，被試需要保持眼睛閉合，在這段時間，實驗者會隨機改變朗道環的開口方向。之后，被試需要直視顯示屏10 s，同時一段提示音會響起，提示音的持續時間同樣為10 s，因此提示音的結束可作為提醒被試向前看的標志。在觀察屏幕期間，被試并不會知曉顯示屏的實際亮度。在被試開始觀察前方朗道環的同時，實驗者開始計時。在確認朗道環的開口方向之后，被試會向實驗者示意并說出開口方向。實驗者會記錄觀察時間以及準確性。之后，被試需要重新閉上眼睛，而實驗者則在這期間調整顯示屏的亮度以及朗道環的開口方向。實驗中不斷重復上述過程直到所有的顯示屏亮度都被使用。

圖2 實驗流程Fig.2 Experiment process

2 數據處理方法

盡管被試的視力都超過1.0，但是他們的觀察能力仍然存在一定的差異。與此同時，觀察者的觀察方式也會對觀察時間造成影響。因為明視覺是中央視覺，而中介視覺和暗視覺都是周邊視覺，所以在暗環境中，如果被試采用斜視的觀察方式，他們將獲得更佳的觀察效果。在本實驗中，我們真正關心的是恢復時間隨亮度改變的變化情況，因此觀察時間的絕對量并不是特別重要，相反，時間的相對量能夠更好地反映這一關系。如果直接使用絕對量來進行分析，那些觀察能力相對弱的觀察者的觀察數據將會更大程度上決定實驗結果。于此同時，采用絕對量也會使實驗數據的分布更加分散，也就使得觀察時間與屏幕亮度的關系更加不清晰。考慮到以上方面，對于每個被試的數據，我們都進行了歸一化的處理。

(1)

其中Tre為相對恢復時間；Tab為絕對恢復時間；Tmin為絕對恢復時間在所有亮度等級下的最小值；Tmax為絕對恢復時間在所有亮度等級下的最大值。

對于Tmin和Tmax，為了避免奇異值的影響，我們需要舍棄部分異常數據。處理方式是首先計算每個被試的數據的標準差，然后去除偏移量超過三倍標準差的數據。

對于瞳孔尺寸數據，其數據本身就是一個相對量。所以我們并不需要對數據進行標準化的處理。但瞳孔尺寸的數據存在其他問題，由于人眼狀態的不穩定性，即使在同一亮度下，瞳孔的尺寸也會發生微小的改變，這會給數據帶來很大的噪聲。為了弱化噪聲的影響，我們需要對原始數據進行濾波。濾波的過程實際上是對原始數據做了一次卷積。在本實驗中，我們選取高斯核作為濾波器的核函數。高斯核是基于高斯分布的一種核函數。在卷積過程中，對于每一個數據，其數值取決于其本身與相鄰數據的加權平均，高斯核的權重分布與高斯分布類似，高斯函數如下所示：

(2)

通常，我們會選取高斯分布的特殊形式，也就是正態分布即

其函數分布的形狀如圖3所示。

圖3 不同參數設定下高斯分布Fig.3 Gaussian distribution under different parameters

在本實驗中，μ的值被設定為0，也就是說，對于每個數據，在卷積過程中都是以其自身為中心值。σ2是數值與卷積核的尺寸相關。如果卷積核的尺寸被設定為5，那么σ2的數值需要設定為1，相應的卷積核的權重分別是0.054, 0.024, 0.4, 0.024, 0.054。如果卷積核的尺寸設定為3，那么σ2的值需要設定為0.2。其對應的權重分布為0.073, 0.89, 0.073。在本實驗中，我們選取的卷積核的尺寸為5.

由于高斯函數的傅里葉變換仍然是高斯函數，因此高斯函數可以構成一個平滑的低通濾波器。在經過高斯濾波之后，大部分的高頻噪聲會被去除，瞳孔尺寸的曲線也會更加平滑。

3 實驗結果

3.1 恢復時間

對于每個亮度等級，我們都獲得了12個恢復時間的數據。如上所述，其時間的分布是分散的，因此我們需要對數據進行歸一化處理，歸一化處理后如圖4所示。

圖4 恢復時間在不同亮度下的歸一化數值Fig.4 Normalized data of recovery time under different luminance level

從圖4中可以看出，從某種程度上，恢復時間會隨著屏幕亮度的增加而增加。為了使這一關系更加清晰，我們利用SPSS對數據進行了進一步的處理，以獲得其平均值和置信區間。其處理結果如圖5所示。

圖5 恢復時間與亮度等級之間的關系Fig.5 Relationship between recovery time and luminance level

在這一過程中，數據的置信區間被設定為95%，結合屏幕亮度的定標數據，我們可以看出，隨著屏幕亮度等級的提高，觀察者需要更多的時間來恢復視力，但當屏幕亮度超過100 cd/m2后，增長的速率將會降低。考慮剎車距離，恢復時間越長，駕駛員需要的反應時間就越多。在同一速度水平下，觀察了更高亮度的駕駛員會需要更長的時間來發現前方的物體。因此，也就會有更長的剎車距離，這增加了事故的風險。

3.2 瞳孔尺寸

瞳孔尺寸的數據通過眼動儀獲取。數據的值為瞳孔尺寸與被試定標時瞳孔尺寸數據的比值，也就是說，我們不需要再對數據進行標準化的處理。在實驗過程中，眼動儀對數據的采集是連續的，即使在眼睛閉合過程中也會嘗試采集數據。因此在最終的數據中會包含大量的零數據。我們使用MATLAB去除了值為零的數據。然后將剩下的數據按照亮度水平排列從而獲得各個亮度等級下瞳孔尺寸隨時間變化的情況。考慮到在舍棄掉部分數據之后時間并不是連續的，因此橫軸僅僅代表每個數據的序號，但是在一定程度上，其仍然可以反映數據的先后順序。

圖6 去異常值后瞳孔尺寸數據Fig.6 Pupil size data after NAN dropped

如圖6所示，原始數據被噪聲嚴重影響。為了是尺寸變化的趨勢更加明顯，我們利用第三章所述的方法對數據進行了濾波。圖7是濾波后的結果，從圖中我們可以看出大部分的噪聲都被去除了，因此我們可以更加清晰地觀測瞳孔尺寸的變化情況。

在圖7中，每一個谷都代表了觀察屏幕的過程。因為數據是按照亮度等級排列的，我們可以看出，隨著亮度等級的增長，在觀察屏幕過程中的瞳孔尺寸會越來越小。與恢復時間相同的是，當屏幕亮度超過100 cd/m2之后，瞳孔尺寸的變化將不再明顯。

圖7 濾波后瞳孔尺寸數據Fig.7 Pupil size data after filtering

另一方面，在觀察朗道環的過程中，也就是圖中的峰段。可以發現在開始的過程中會存在一個更高的峰。而隨著屏幕亮度的增加，這個峰的值會變得越來越高，而第二個峰的值基本沒有什么變化。對此我們的猜測是隨著亮度等級的增加，會有更少的桿狀細胞處于工作狀態，考慮到桿狀細胞的激活需要時間，在觀察者剛開始觀察目標的時候，可用的桿狀細胞的數量更少。因此眼睛會需要更多的光來觀察事物，也就意味著瞳孔的尺寸需要更大，而隨著時間的推移，更多的桿狀細胞處于激活狀態，瞳孔的尺寸也將回歸至正常值。

總體而言，隨著屏幕亮度的增加，瞳孔尺寸的變化會更大。假定其變化時間是接近的，對于眼睛而言，睫狀肌需要更大程度的縮放。如果這樣的過程在夜間駕駛中反復出現，這會使得駕駛員更加疲勞。

4 結論

在本文中，我們設計了實驗來探究在亮度轉變過程中車載顯示的亮度對于駕駛員視覺恢復時間和瞳孔尺寸變化的影響。我們采用了多種數學方法來使得數據更加清晰。根據實驗結果，我們可以得到兩個結論：①隨著屏幕亮度的增加，恢復時間會同步增加，但這一趨勢在屏幕亮度超過100 cd/m2之后會減緩。②隨著屏幕亮度的增加，人眼瞳孔尺寸的變化情況會增加，在屏幕亮度超過100 cd/m2之后這一趨勢同樣會減緩。根據以上兩點結論以及人眼的工作機制，我們可以知道，車載顯示亮度的增加會在一定程度上增加夜間駕駛的危險以及司機的疲勞程度。

同時，我們同樣有一些發現，但這些發現暫時無法用已有的理論框架來進行解釋。例如，在觀察目標的過程中，瞳孔的尺寸會先上升到一個很高的值，隨后下降至一個更低的水平。上述的峰值會隨著屏幕亮度的增加而增加。目前我們僅僅可以猜測這與桿狀細胞的工作狀態相關，但我們仍然需要更加深入的實驗來通過生理數據進行闡述。

下一步，我們會對車載顯示的亮度進行更加深入的研究，尋找最適合駕駛員的屏幕亮度設計，從而使得實驗結果可以被進一步應用到車載顯示的設計之中。