基于CATIA、SPEOS的某型轎車視覺舒適性分析與實車評價

王振

摘 要：近年來汽車制造商都在追求駕駛艙的未來科技感，儀表臺上的屏幕的數量和尺寸都在增加，且大多采用無帽檐設計，而內飾上類似鍍鉻設計的亮條設計仍為主流。本文主要基于CATIA/SPEOS軟件，針對顯示屏及內飾亮條造成的視覺舒適性問題，采用CATIA二次開發工具進行光線追蹤分析，并對反光程度進行SPEOS模擬仿真分析，最終進行實車驗證及方案整改，提高駕駛員視覺舒適性。

關鍵詞：CATIA/ SPEOS;視覺舒適性;光線追蹤

0 引言

隨著電子技術的進步及消費者對汽車顯示設備要求的提高，更大尺寸且更加高清的組合儀表、中控大屏，甚至是副駕側娛樂屏，都愈加頻繁地出現在新車型上。由于更加前衛的儀表臺主題設計風格，儀表臺上的內飾亮條，多個屏幕的設計，都將成為干擾駕駛員視覺舒適性，造成炫目現象的潛在因素。影響駕駛員視覺舒適性的主要變現有以下三種情況。

（1）炫目/耀眼：

內飾裝飾條或顯示屏，因表面反光率較高，造成鏡面反射效應，將外界光線反射入人眼，對駕駛員造成炫目/耀眼現象。

（2）夜間投影成像：

在夜間，顯示屏或按鍵背光等發光源的光線經風窗玻璃反射進入人眼，形成投影成像。

（3）日間成像成像：

在日間，外界光線進入車內經顯示屏或裝飾條表面反射，再經風窗玻璃的二次反射進入人眼，形成投影成像。影響駕駛員視覺舒適性的三種主要現象，光線反射原理如圖1所示。

1 視覺舒適性校核流程

如前所述，影響駕駛員視覺舒適性的原理及表現各有不同，但其中炫目及風窗投影現象可以采用CATIA二次開發工具來進行光線路徑追蹤校核，但此方法僅能判斷是否有炫目、成像等現象，卻無法判別其真實效果。綜上，本文提出一種汽車駕駛艙視覺舒適性校核流程，具體流程如圖2，并以此作為后續校核分析工作的思路指導。

2 基于CATIA、SPEOS對駕駛員視覺舒適性的計算機輔助分析

2.1 基于CATIA、SPEOS的光學模型搭建

2.1.1 賦予材料屬性及光學屬性

利用CATIA V5強大的建模及裝配能力，將車輛的儀表臺、儀表臺亮條、組合儀表、中控大屏、方向盤、A柱飾板、擋風玻璃、門窗玻璃、車身外殼等相關零件進行數據處理，將上述零件各自整合為單個完整幾何體，以利于材料及光學屬性的賦予。同時為考慮中控大屏出廠產品在屏幕玻璃表面涂有AR防眩光涂層，需要為中控屏幕玻璃表面設置FOP表面光學屬性。

對照表1，分別賦予各零件模型材料屬性及光學屬性，并將CATIA顯示模式調整為含材料著色。

2.1.2 建立人眼傳感器

因RAMSIS眼點的視覺仿真與試驗結果較為吻合，且不同百分位的人體RAMSIS 眼點均可準確仿真[1]。故本文在視覺仿真中選擇RAMSIS眼點進行計算。

確定駕駛員眼點位置后，以此眼點位置設置人眼傳感器。根據《車輛人機工程學》[2]可知，人體綜合視野在垂直方向約為130°（視水平線上60°，下方70°），在水平方向約為120°，故將傳感器X、Y坐標設置如圖3，且焦距設置為28.8 mm。

2.1.3 建立顯示屏光源

利用SPEOS中光源設置模塊，在顯示光源定義界面，設置顯示圖片的位置和大小，并載入標準RGB光譜文件。完成后的組合儀表及中控大屏如圖4所示。

2.1.4 建立外界環境源

利用SPEOS中光源設置模塊，在外界環境源定義界面，首先，選擇自然光Natural Light為光源類型，設置天空Zenith方向及太陽光方向。根據本文提出的視覺舒適性分析流程，此處太陽光方向以光線路徑追蹤分析結果來參考決定。其次，選擇環境模擬Environment，導入環境模擬文件SunRoad.hdr，完成后外界環境源設置如圖5所示。

2.2 基于CATIA的光線追蹤分析

2.2.1 炫目耀眼光線路徑追蹤分析

因外界光線可能來自任何方向，其中只有極少部分光線通過內飾件及顯示屏表面的反射進入駕駛員眼睛，故為減小分析工作量，本文采用視線跟蹤算法：由眼點位置發出光線，經顯示屏及內飾件表面反射后，追蹤光線的反射路徑，以此來判斷潛在有害光線的來源方向。

本文利用CATIA二次開發工具，對某型轎車的儀表臺亮條、組合儀表、中控大屏、副駕娛樂屏進行了炫目耀眼光線追蹤分析。CATIA二次開發工具界面如圖6，需輸入光線發出點、反射面、反射面邊界線、邊界線上一點，工具自動生產由眼點發出光線，經反射面反射后的光線路徑。經工具校核，某型轎車結果如圖7。結果顯示：組合儀表及左側儀表臺亮條沒有炫目耀眼風險，因光線路徑分別被天幕及門飾板遮擋，而天幕采用隔膜夾層，可過濾強光。右側儀表臺亮條、中控大屏和副駕娛樂屏都存在一定炫目耀眼風險，光線路徑大致從右前門玻璃射入，但各個區域反光面積及光線角度不同。根據視覺舒適性校核流程，需對右側儀表臺亮條、中控大屏及副駕娛樂屏進行SPEOS光線仿真分析，以判斷炫目耀眼程度。這三項的炫目耀眼仿真需單獨根據不同陽光直射方向分三種白天工況進行。

2.2.2 投影成像光線路徑追蹤分析

如前文所述，投影成像雖然有日間和夜間成像兩種情況，且二者發光源并不相同，但二者仍有共通之處，即在被風窗玻璃反射前，光線都由艙內零件表面所射出，故可將艙內零件表面作為發光面來進行光線追蹤分析。利用CATIA二次開發環境，本文設計開發出一種投影成像校核工具，其操作界面如圖8。此工具需輸入發光面、眼點、反光面及控制點數量。其中控制點數量用來控制光線路徑的計算數量，但只有能夠計算出結果的光線路徑會被顯示，如果無投影成像現象，將不生成光線路徑。

經工具校核，某型轎車反光成像結果如圖9，該型轎車在前風擋玻璃及左右側窗玻璃均有出現反光成像現象，其中前風擋玻璃僅有組合儀表形成了投影成像，距離B區距離70 mm，中控大屏及副駕娛樂屏成像區域均在內飾非反光零件表面，故實際成像不存在。左側窗玻璃上：組合儀表、中控大屏、左側儀表亮條均有成像現象，其中組合儀表的成像位置有影響駕駛員左前方視野的潛在風險。右側窗玻璃上：右側儀表臺亮條和副駕娛樂屏均有成像現象，但副駕娛樂屏成像面積較小，且位置非駕駛員視野重要區。另外，左、右側儀表臺亮條在兩側窗的成像區域與駕駛員觀察左右外后視鏡視線有部分重疊。根據視覺舒適性校核流程，需對左、右側儀表臺亮條、組合儀表在玻璃上的成像進行SPEOS光線仿真分析，以判斷炫目耀眼程度，因左、右側儀表亮條在側窗的成像原理為光的漫反射，故各將其分為一種白天工況進行仿真分析。而組合儀表在前風擋及側窗玻璃上的成像情況為夜間成像，故將其單獨作為夜間工況進行仿真分析。

2.3 基于SPEOS的視覺舒適性仿真分析

根據光線追蹤分析結果，可以將所有需要SPEOS仿真分析的工況分為5個工況，其中4個為白天工況，太陽光線分別從4個方向射入車內，陽光方向根據光線追蹤分析來確定。夜間工況，需要分析組合儀表屏在前風擋及側窗玻璃上的成像是否對駕駛員視野產生安全影響。其中一種工況下的仿真設置如圖10，其他工況仿真設置只是光源Source項選擇不同。仿真分析結果如圖11。

經仿真分析，在夜間工況下，組合儀表在前風擋玻璃、側窗玻璃上都有成像現象，且位置與投影成像光線追蹤工具所計算的結果基本一致。雖然成像較為明顯，但因成像位置均不在駕駛員重點視野區域內，故評估成像對駕駛員視野無影響。

經仿真分析可知，白天工況下的四種情況中，左、右兩側儀表臺亮條將外界光線經漫反射后，在左、右兩側窗玻璃上都產出了成像，且成像位置與駕駛員觀察外后視鏡視野方向重合，容易造成對駕駛員側后方視野不利影響。而中控大屏因玻璃表面有防眩光涂層屏，并無造成炫目耀眼。副駕娛樂屏和儀表臺右側亮條雖然對右側來向的陽光進行了反射，但因反射光線強度不足，沒有對駕駛員造成炫目耀眼現象。

對于光線直射造成的中控大屏顯示內容可視可讀性，本文參考標準《CIE145-2002》及《ISO15008》，這兩項標準綜合考慮環境光亮度，背景光亮度，以及本身顯示字符亮度，最終以“視覺對比度C”作為量化評判參數：

其中Lb為背景亮度，Ltarget為目標字符亮度。根據實際情況可將視覺對比度的使用工況分為三種。具體可讀可視性評判標準如表2。

利用SPEOS的Virtual Human Vision Lab能，對中控大屏反光區域進行采樣分析，此時中控大屏反光區域的顯示內容視覺對比度為0.72到0.81之間，符合表2中可讀可視性要求，故判定當陽光直射時，中控大屏上顯示內容仍然可讀可視。

3 實車驗證及整改措施

結合前述分析結果，為了對仿真結果進行實車驗證，在日間、夜間分別將車輛停放在與仿真條件相同的光線條件下，在各光線條件下，前風擋及側窗玻璃上產生的成像現象均與仿真分析一致。實車成像效果如圖12。

經實車評價，組合儀表在前風擋及側窗的成像位置在駕駛員主要關注區域之外，評判反光成像可接受。因白天工況下，儀表臺亮條在側窗玻璃上的成像對外后視鏡視野有影響，在車輛試制后期，對亮條表面材質進行了整改，即將亮條改為磨砂表面，從而有效降低了反光成像現象。

4 結語

本文工作圍繞某型轎車的駕駛員視覺舒適性為研究內容展開，提出了基于CATIA、SPEOS的光線追蹤及仿真分析流程和方法。通過對駕駛艙內各個顯示屏及內飾亮條的仿真分析，將影響視覺舒適性的各種炫目、成像現象直觀地展示出來，有利于及早發現發問題并提出整改措施。實踐表明，采用本文方法有利于降低項目風險，并節省后期開發成本。

參考文獻：

[1]文學.基于SPEOS的汽車中控屏防眩目仿真精度影響因素研究[J].汽車技術，2019（1）：57-62.

[2]毛恩榮，張紅.車輛人機工程學[M].第二版.北京：北京理工大學出版社，2007：57-58.

[3]陳龍姣.基于某車型外后視鏡眩光分析及優化[J].企業科技與發展，2016（4）：101-108.

[4]彭瀟.基于CATIA、RAMSIS、OPTIS對汽車中控液晶屏的炫目仿真分析[C].上海：中國汽車工程學會年會論文集，2016：1735-1739.