一種基于人眼特性的非線性汽車內(nèi)飾LED燈光調(diào)節(jié)策略

宋昀潔,李武斌,胡留成,巫冠群

(北京汽車研究院股份有限公司汽車工程研究院,北京 101300)

0 引言

照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)中很重要的一個(gè)因素。隨著人們對(duì)汽車發(fā)展的需求，用戶不僅僅滿足于照明系統(tǒng)的信息指示功能和車內(nèi)氛圍照明。對(duì)背景光亮度變化的舒適性，也提出了越來(lái)越高的要求。燈光亮度變化多樣性及舒適性的提升，不僅能夠?yàn)橛脩魩?lái)更好的體驗(yàn)，提升整車品質(zhì)，也成為汽車向著精細(xì)化、人性化發(fā)展的一個(gè)重要因素。

目前很多車型，在背景照明的打開(kāi)和關(guān)閉的過(guò)程中采用了漸亮漸滅的方式，但是常出現(xiàn)漸亮?xí)r亮度變化較快而漸滅時(shí)亮度變化較慢的現(xiàn)象，讓用戶感覺(jué)變化不一致不均勻。因此，提出一種符合心理感受的亮度變化設(shè)計(jì)，有著非常重要的意義。

本文作者研究了人眼對(duì)客觀亮度變化的響應(yīng)特性，提出客觀亮度按某一規(guī)律進(jìn)行非線性調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)人眼感知亮度接近于線性變化。基于孟塞爾顏色體系中的明視度(主觀亮度)與亮度因數(shù)(客觀亮度)之間的關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)其進(jìn)行修正，提出了一種切實(shí)可行的調(diào)光曲線。經(jīng)過(guò)實(shí)車驗(yàn)證，新的方案能夠確保亮度變化更加均勻平順，進(jìn)一步提高了用戶的感知度。

1 人眼對(duì)亮度變化的響應(yīng)特性

1.1 人眼感知亮度變化的特性

人眼分辨亮度變化的能力是有限的，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)，讓人眼觀察如圖1所示的P1和P2兩個(gè)亮度可調(diào)的畫面，使P1亮度從B緩慢增加至B+ΔB。當(dāng)增量ΔB很小時(shí)，人眼是分辨不出P1和P2是有差別的。當(dāng)人眼剛剛察覺(jué)兩個(gè)畫面的亮度有差別時(shí)，認(rèn)為P1和P2亮度相差一級(jí)，并記錄亮度的最小可見(jiàn)度閾值ΔBmin。

圖1 亮度級(jí)數(shù)實(shí)驗(yàn)方法示意

利用相同的方法，可以得出實(shí)際亮度變化所引起的主觀亮度感受變化曲線，如圖2所示。

圖2 主觀亮度變化曲線

由此可見(jiàn)，人眼感受到的亮度變化與客觀亮度變化呈非線性關(guān)系，人眼對(duì)于低亮度的感受較高亮度更敏感。體現(xiàn)在無(wú)顏色的中性色時(shí)[1]，如圖3所示。

圖3 人眼感受對(duì)比圖

雖然，人眼可分辨的最小亮度差ΔBmin不同，但ΔB/B是相同的，并等于一個(gè)常數(shù)。根據(jù)韋伯-費(fèi)納希定律(Weber Fechner Law)[2-3]，人眼亮度感覺(jué)的增量ΔS(心理量)不是正比于客觀亮度的增量ΔB，而是正比于亮度的相對(duì)增量ΔB/B，即

(1)

其中k為常數(shù)，對(duì)式(1)進(jìn)行積分可得

S=k0lnB+k1

(2)

式中：k0，k1均為常數(shù)。

式(2)表明，主觀亮度感覺(jué)與客觀亮度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。

1.2 孟賽爾顏色體系

韋伯-費(fèi)納希定律僅從心理角度證明了亮度變化與人眼感受之間的關(guān)系，沒(méi)有考慮顏色因素和實(shí)際應(yīng)用。人們通過(guò)研究和大量實(shí)驗(yàn)，建立了不同的色度學(xué)模型，其中孟賽爾顏色體系在國(guó)際中應(yīng)用廣泛，并且CIE 1976對(duì)其進(jìn)行了修正[4]。

孟賽爾顏色模型從生理心理學(xué)角度得到了主觀亮度與客觀亮度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，明確了亮度、顏色等在人眼感知時(shí)的非線性關(guān)系。如圖4所示的孟賽爾顏色立體示意圖，中央軸代表中性色的明度等級(jí)，把亮度因數(shù)等于102的理想白色定義為等級(jí)10，而把亮度因數(shù)等于0的理想黑色定義為等級(jí)0。這樣，孟賽爾明度值V共分成0～10的在主觀感覺(jué)上等距離的11個(gè)等級(jí)。孟賽爾顏色體系明度值等級(jí)是用視覺(jué)實(shí)驗(yàn)的方法求得的，用光譜光度的方法測(cè)出各明度等級(jí)樣卡的亮度因數(shù)Y。

明度值V與亮度因數(shù)Y之間的函數(shù)關(guān)系，如下：

Y=1.221 9V-0.231 11V2+0.239 51V3-0.021 009V4+0.000 840 4V5

(3)

CIE 1976對(duì)式(3)進(jìn)行了修訂，如下：

(4)

式中：V為CIE 1976中定義的均勻顏色空間的明度；Y0為完全漫反射體的亮度因數(shù)，Y0=100。

由式(4)可見(jiàn)，人眼感知的亮度與客觀亮度之間存在近似于冪指數(shù)的關(guān)系。

圖4 孟塞爾顏色體系立體示意

2 LED調(diào)光曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 PWM調(diào)光技術(shù)

汽車背景照明系統(tǒng)常采用LED燈具，其亮度基本正比于通過(guò)LED的電流。因此，調(diào)節(jié)LED正向電流大小可以調(diào)節(jié)LED亮度。目前，工程上常用的調(diào)光技術(shù)是脈沖寬度調(diào)節(jié)(PWM)[5-7]。

PWM調(diào)光基于人眼視覺(jué)暫留特性，即當(dāng)光源停止發(fā)光后，光源的視覺(jué)像不會(huì)馬上消失，可以暫時(shí)在眼睛中停留。PWM使負(fù)載LED時(shí)亮?xí)r暗，如果亮暗的時(shí)間比視覺(jué)暫留時(shí)間短，人眼看到的是LED常亮。為了滿足各種工況，PWM的工作頻率越高越好，一般大于100 Hz。

PWM的原理是以一固定直流電壓經(jīng)過(guò)以一定頻率打開(kāi)和閉合的開(kāi)關(guān)，從而控制改變LED上的平均電流。設(shè)開(kāi)關(guān)開(kāi)閉周期為T，每次閉合時(shí)間為t，則占空比定義為

(5)

保持PWM方波振幅不變的情況下，改變占空比，平均電壓可以被控制。如圖5所示。

圖5 占空比示意

圖中T為正脈沖的持續(xù)時(shí)間(LED發(fā)光時(shí)間)，即為脈沖周期。

用PWM方法驅(qū)動(dòng)LED燈，當(dāng)T不變(即工作頻率固定)時(shí)，占空比較小的脈沖信號(hào)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的平均電壓相對(duì)較低，LED亮度比較暗；占空比較大的脈沖信號(hào)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的平均電壓相對(duì)較高，LED亮度比較高。由此可以推出，LED發(fā)光亮度與占空比大小成正比關(guān)系。

設(shè)能夠感知的明視度等級(jí)為N級(jí)，由控制單元設(shè)置的級(jí)數(shù)N越多，能夠精確實(shí)現(xiàn)的明視度差別級(jí)數(shù)就越多。根據(jù)以上推論，可得：

(6)

2.2 LED調(diào)光曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前常用的LED調(diào)光曲線，是線性調(diào)光曲線，如圖6所示。

圖6 線性調(diào)光曲線

圖中X軸代表亮度級(jí)數(shù)(N)，Y軸代表占空比大小。隨著亮度級(jí)數(shù)的增加，占空比等比例增加。根據(jù)韋伯-費(fèi)納希定律可以推知，客觀亮度的等比例變化對(duì)于人眼感受來(lái)說(shuō)是非線性的。具體表現(xiàn)是：從亮到暗變化緩慢，而從暗到亮變化會(huì)快，甚至?xí)霈F(xiàn)跳變，給人一種閃光的感覺(jué)。因此，為了實(shí)現(xiàn)人眼感知的亮度變化是線性的，占空比調(diào)節(jié)應(yīng)按對(duì)數(shù)關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，即：

(7)

取N=0～100，可以得到圖7所示曲線。

圖7 調(diào)光曲線

不同亮度級(jí)數(shù)，對(duì)應(yīng)的占空比大小數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 不同亮度級(jí)數(shù)下的占空比數(shù)值

3 LED調(diào)光優(yōu)化工程實(shí)現(xiàn)

3.1 內(nèi)飾燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成

文中提出的方法應(yīng)用于車內(nèi)背景照明系統(tǒng)中，可以集成于車身控制器或燈光控制模塊。控制模塊根據(jù)外部的燈光開(kāi)關(guān)輸入和亮度要求，調(diào)用亮度校正曲線，再輸出至LED驅(qū)動(dòng)電路，控制LED燈漸亮漸滅。如圖8所示。

圖8 背景照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 軟件邏輯實(shí)現(xiàn)

內(nèi)飾燈光控制的軟件邏輯如下：

(1)根據(jù)亮度初始值，調(diào)節(jié)模型判斷燈光漸亮或者漸滅，同時(shí)實(shí)際輸出PWM占空比與初始亮度輸入對(duì)比值，和漸亮/漸滅過(guò)程中的校正值實(shí)時(shí)反饋給調(diào)節(jié)模型；

(2)調(diào)節(jié)模型根據(jù)反饋值，按照模型調(diào)度周期，輸出需要執(zhí)行的下一個(gè)亮度級(jí)數(shù)N和時(shí)間步長(zhǎng)；

(3)調(diào)節(jié)模型輸出的時(shí)間步長(zhǎng)和亮度級(jí)數(shù)N，通過(guò)漸亮/漸滅校正曲線，采用查找表的方法，輸出對(duì)應(yīng)的亮度PWM占空比輸入給驅(qū)動(dòng)芯片，同時(shí)反饋信息。

燈光調(diào)節(jié)邏輯狀態(tài)圖如圖9所示。

圖9 燈光調(diào)節(jié)邏輯狀態(tài)圖

基于上述設(shè)計(jì)方法，在實(shí)車驗(yàn)證時(shí)，由于LED光源并非CIE定義中的理想光源，并且由于透光材料均勻性不一致，都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，使得實(shí)際整改效果與理論計(jì)算不完全一致。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和測(cè)試驗(yàn)證，對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后的曲線和數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 亮度調(diào)整曲線

由圖可知，N在介于28～73之間，亮度變化較式(7)更緩慢;N>73時(shí)，亮度變化較快。

調(diào)整后的效果，背景光亮度漸亮的過(guò)程與漸滅過(guò)程，主觀感知變換速率一致，并且在變化的過(guò)程中，不同級(jí)別的亮度變化更加平順，達(dá)到期望的效果。

4 結(jié)論

文中研究人眼對(duì)客觀亮度變化的響應(yīng)特性，基于孟塞爾顏色體系中明視度和亮度的非線性關(guān)系，建立了汽車內(nèi)飾LED照明的亮度級(jí)數(shù)和驅(qū)動(dòng)占空比的優(yōu)化控制關(guān)系曲線。

通過(guò)實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證，修正后的調(diào)光曲線驅(qū)動(dòng)輸出，達(dá)到人眼對(duì)汽車內(nèi)飾背景LED光亮度變化的均勻感覺(jué)的效果，大幅度提升了用戶感知的舒適度。