客機駕駛艙視覺顯示終端的舒適性亮度調光曲線研究

李天宇，孟瑩瑩，孫耀杰，楊 彪

(1.復旦大學光源與照明工程系，上海 200433；2.哈爾濱工業大學(深圳)建筑學院，廣東 深圳 518000)

引言

目前，民用客機需要在晝夜交替、天氣變換等復雜光環境下飛行，環境光的變化直接影響飛行員觀察儀表動態，飛機駕駛艙的視覺環境是影響飛行安全的重要因素之一[1，2]。駕駛艙內傳統的照明控制系統分為手動控制和時間控制等，操作簡單直觀，但便利性、智能化程度較低，過多地依賴操控人員，影響其專注度[3，4]。駕駛艙自動調光系統很好的解決了這個問題[3]。自動調光系統能根據環境光變化自動調節儀表亮度，使飛行員在任何光環境下都能清晰辨認儀表信息，保證了駕駛艙舒適的照明環境。例如，當光照傳感器捕捉到的環境光發生變化時，如果顯示器和儀表儀表盤能自動調節到一個舒適的水平，將可以有效提高視覺舒適度，保障良好的視覺環境[5，6]。

針對當前飛機駕駛艙內照明系統調控的局限問題，駕駛艙內自動調光系統的舒適性研究亟待展開，即通過傳感器測得環境光照度與電壓關系；環境光照度與顯示器、儀表盤舒適亮度的視覺曲線關系。本研究旨在探討在環境光變化過程中，顯示器和儀表盤最舒適亮度，為飛機駕駛艙自動調光提供數據來源，緩解駕駛員視覺疲勞。

1 自動調光系統

自動調光系統操作流程:通過分布的傳感器感受飛機駕駛艙內環境光照度的變化，將光信號轉化為電信號，由計算機處理電信號之后，根據自動調光曲線輸出相應的調節電壓，驅動可調節的開關電源模塊，從而調節各電源模塊的輸出電壓，達到自動改變亮度[7]。自動調光邏輯過程如下：環境光→輸入傳感器信號→輸出控制信號→顯示單元發光[8]。其調光原理圖如圖1所示。

圖1 駕駛艙自動調光系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of automatic dimming of the cockpit

駕駛艙自動調光系統需要通過光照傳感器來檢測駕駛艙內的環境光照度變化[9，10]。自動調光控制的響應時間應在 0.5～2 s的范圍，為了實現更精準快速的自動調光，本研究將針對該問題進行實驗設計和研究分析，確定環境光照度與顯示器和儀表盤亮度之間的關系，找到人眼最舒適的顯示器和儀表盤亮度，得到關系曲線。

2 實驗方法

2.1 光環境設置

環境光照度與顯示器和儀表盤亮度的舒適度調節實驗將基于實驗室環境搭建，采用多通路全光譜LED任意照明場景模擬光源建立照度可調節照明環境。對顯示器和儀表盤亮度與環境光照度變化的實驗。實驗室選用的LED為實驗室定制，任意照度、光譜可調，照明場景結構如圖2所示。

圖2 多通路LED模擬光源及實驗照明場景Fig.2 Lighting booth used in experimental setting and arrangement of LED light sources

在LEDCube中，按指數遞增的方式設置8個等級的環境光，照度依次為1、3.3、10、33、100、333、1 000、2 048 lx，這些環境光在實驗中通過無線遙控切換不同照度的照明場景，用于模擬飛行過程中的真實環境光照度[11]，通過改變環境光照度條件來進行舒適性亮度調節實驗。

2.2 視覺終端模擬

對于駕駛艙顯示器的亮度，采用了電腦顯示器作為顯示單元來進行實驗，分十級來控制顯示器光源的亮度。對于駕駛艙儀表盤的亮度，采用鏤空板模擬儀表盤。燈箱光照作為儀表盤的亮度。光照設置D65日光光譜調節模式，顏色采用標準規定的夜視兼容綠色，由 LEDCube 軟件調節，顯示器和儀表盤的實驗設備如圖3所示。

圖3 顯示器和儀表盤的實驗設備Fig.3 The experimental equipment of monitor and dashboard

2.3 舒適度調節實驗

實驗將分別針對顯示器和儀表盤部件，進行靜態和動態兩種調光視覺功效評估模擬，被試者參與試驗，根據環境光的變化調節出最舒適的顯示器和儀表盤亮度。

對于駕駛艙顯示器的亮度，招募被測者根據環境光的變化來調試感受的顯示器光源亮度級別，通過亮度計測出一到十級顯示器的亮度。對于駕駛艙儀表盤的亮度，被測者根據環境光的變化來調試感受的儀表盤光源亮度百分比。

招募被試人員10名，平均年齡為25歲，經 Landolt 環測試，所有測試對象的視力或矯正視力正常。每名被測者在八個不同的環境光照度下進行顯示器亮度實驗和儀表盤亮度實驗。在不同的環境光照度下調整出他們認為的最舒適的顯示器和儀表盤亮度。完成整個實驗過程進行了20個工作日。實驗場景如圖4所示。

圖4 視覺終端光照舒適度實驗場景Fig.4 The experiment process of adjust Visual Display Terminal

3 數據結果

在不同的光環境照度下，被試將調節顯示器亮度調整至舒適的亮度。這個亮度被記錄為舒適亮度。10名被試者分別測試 8 個環境光照度，共取得 80 個數據點。可得顯示器和環境光照度實驗數據如表 1 所示。可以得知，對于顯示器舒適亮度，當環境光照度為 10 lx 時，平均舒適亮度約為 20 cd/m2，100 lx 時為 32 cd/m2，1 000 lx 時為 58 cd/m2。

表1 顯示器-環境光照度數據

同時，在不同的環境光照度下，測試對象通過LEDCube軟件將儀表盤亮度調整至舒適的亮度，并記錄亮度數據(燈箱的亮度分布不均勻，使用亮度及測量了燈箱5個位置數據，取平均值作為記錄亮度)。儀表盤和環境光照度數據如表2所示。可以得知，對于儀表盤舒適亮度，環境亮度為10 lx時平均舒適亮度約為47 cd/m2，100 lx時為120 cd/m2，1 000 lx時為331 cd/m2。

表2 儀表盤-環境光照度數據

依據心理物理學的費希納定律，為了實現線性化調光，使感受亮度隨時間線性增加或減小，必須使光源的實際亮度隨時間以幾何級數增加或減小，以彌補人眼對亮度感知的滯后。顯示器亮度視覺曲線和儀表盤亮度視覺曲線分別如圖5和圖6所示，橫軸的環境亮度以對數刻度表示，并制作擬合曲線。結果表明，當環境光照度增加時，顯示器和儀表盤的舒適亮度均有提升，并且服從冪函數關系。從圖中可以看出，在調光由暗變亮的過程中，采用“基于感受亮度的線性化調光算法”，感受顯示器亮度和儀表盤亮度均隨時間變化呈指數上升。

圖5 顯示器與環境光照度的關系結果Fig.5 The results of relationship of monitor and ambient illuminances

圖6 儀表盤與環境光照度關系的結果Fig.6 The results of relationship of dashboard and ambient illuminances

實現線性化調光算法的關鍵是推導出環境光照度和感受亮度之間的函數關系。因此將橫軸的環境光照度取對數，并做出模擬的函數曲線。函數法的好處在于不需要存儲大量的數據，因此不需要太多的存儲空間，當調光控制器的內存容量比較小時非常方便。

在實驗中環境光照度最高為2 048 lx，而真實的環境光照度可能達到100 000 lx，曲線需要覆蓋到駕駛艙能感受到的所有可能的光環境亮度，因此需要依據模擬曲線的函數關系將實驗外推。另外還要根據顯示器和儀表盤的最高亮度對所得曲線進行成比例調整。外推并調整之后得到顯示器和儀表盤的自動調光視覺曲線如圖7和圖8所示。顯示器的最大亮度為1 000 cd/m2不隨環境光增長而飽和，但儀表盤的最大亮度為3.4 cd/m2，建議環境光處于高照度時全開，即當環境光大于1 000 lx時使儀表盤亮度達到飽和。

圖7 顯示器與環境光照度的舒適亮度曲線Fig.7 Preferred luminance curve of Monitor light against ambient illuminance

圖8 儀表盤對環境光照度的舒適亮度曲線Fig.8 Preferred luminance curve of indicator light against ambient illuminance

實驗心理學理論研究表明，心理感受量與實際的物理刺激量并不是線性對應，當物理量增加一倍時，心理量的增量不是一倍，而是落后于物理量的增加。因此在普通的調光過程中，若是由暗變亮，感受亮度開始變化比較快，而后面則逐步減慢；在由亮變暗的過程中則恰好相反。線性化調光基于心理感受量的特性，可以將感受亮度線性變化為目標，計算生成基于感受亮度的線性化調光曲線。

4 結論

本研究主要針對客機駕駛艙中視覺終端(顯示器、儀表盤)的調光控制開展了研究，通過搭建實驗室環境模擬真實場景，來測試不同環境光照變化下，視覺終端的舒適性亮度調節方法。環境光照度與顯示器、儀表盤舒適亮度實驗是研究的重點環節，通過被試實驗可以得到舒適度最優調光曲線，結果分析可知，環境光照度增加時，顯示器和儀表盤的舒適亮度更高，并且服從冪函數關系。同時根據曲線可以擬合視覺終端與環境光照度的關系及舒適亮度曲線函數表達式。

本研究結果可為客機駕駛艙自動調光照明系統提供數據參考，舒適性調節是自動調控策略的重要內容之一。本文后續的工作是研究環境光照與傳感器光電特性關系，以及駕駛艙不同傳感器布局對調光影響等問題。