軍用紅外車載駕駛儀人機功效分析

王紅培

(中國華陰兵器試驗中心,陜西 華陰 714200)

1 引 言

紅外車載駕駛儀在軍事上主要用于軍事車輛裝備的戰場機動,能夠實時探測和顯示車輛前方路況的視頻圖像,輔助駕駛員駕駛車輛,實現夜間和惡劣天氣條件下的快速隱蔽機動,支持軍用車輛全天時、全天候作戰,在世界軍事領域得到日益廣泛的應用。紅外車載駕駛儀輔助駕駛過程中,駕駛員作為有意識的主體起著主導作用,人機功效也因此成為決定紅外車載駕駛儀作戰效能的關鍵因素之一。

近年來國內外對紅外車載駕駛儀的研究取得許多成果,如燕山大學的劉秋錦[1]、電子科技大學的吳傳福[2]、華南理工大學的邊二濤[3]等對紅外車載夜視系統進行了研究設計；Brehar R[4]、Hwang S[5]、王國華[6]等對車載紅外行人檢測算法進行了研究；Lu Yuesheng[7]、Michelle A G[8]等基于紅外成像技術進行了夜間車載行人探測系統的設計和實驗驗證；沈振一[9]、范德營[10]等對車載紅外視頻圖像的三維重建和彩色化進行了研究。但這些研究主要集中于系統設計、行人檢測算法、視頻圖像處理等方面,對軍用紅外車載駕駛儀人機功效進行系統性的研究較少。為此,本文研究分析軍用紅外車載駕駛儀的人機功效評價關系,以駕駛視野性、視覺舒適性和操縱舒適性為重點,對軍用紅外車載駕駛儀的人機功效進行分析和評價。

2 人機工效關系模型

軍用紅外車載駕駛儀一般由紅外探測器和顯示器兩大部分組成,紅外探測器安裝于車外用于探測路況信息,顯示器安裝于駕駛室內供駕駛員觀察。其基本工作原理為如圖1所示。

圖1 紅外車載駕駛儀工作原理

研究紅外車載駕駛儀的人機功效,需要從系統整體的高度,分析處理人、機、車、環四大要素的相互關系和變化規律。對于人機關系的研究模型,英國學者Elwyn Edwards于1995年提出了SHEL模型[11],用以研究系統軟件(Software)、硬件(Hardware)、環境(Environment)和人員(Liveware)之間的關系。根據軍用紅外車載駕駛儀的特點,輔助駕駛過程中駕駛員無需對其進行過多的操作,因此本文將SHEL模型簡化,提出了HEL模型,將車輛、行車環境統一劃歸為系統環境的范圍。因而該模型所蘊含關系可概括為兩種:一是L-H關系,即駕駛員與紅外車載駕駛儀的交互關系,核心是駕駛員與顯示器的人機界面交互關系；二是L-E關系,即駕駛員與駕駛室空間、照明、外部環境照度、路面等行車環境因素的關系。

根據紅外車載駕駛儀的輔助駕駛特征,以駕駛員為中心分析人機交互關系,可將駕駛員對人機功效的需求可分為三層。如圖2所示,最基本的需求是安全行車,要求紅外車載駕駛儀和車輛共同構成的視場,具備良好的視野性,從而將路況信息順暢的傳遞給駕駛員；更進一步的需求是高效行車,要求紅外車載駕駛儀和外部環境共同構成的人機觀察界面,具備良好的觀察效果,便于駕駛員長時間觀察行車；最頂層的需求是舒適行車,要求紅外車載駕駛儀和車輛共同構成的空間結構狀態,具備方便、舒適的可操作性,使駕駛員在輔助駕駛過程中實現舒適的操作、駕駛體驗,從而更好的完成行車任務。因此,對于軍用紅外車載駕駛儀的人機功效進行評價,視野性、視覺舒適性和操縱舒適性是核心內容。

圖2 人機功效評價概念模型

3 駕駛視野性分析

紅外車載駕駛儀駕輔助駛過程中,分析其視覺信息傳導過程,可將駕駛視野性區分為駕駛員視區和駕駛儀視區來評價。

3.1 駕駛員視區分析

輔助駕駛過程中,人眼和顯示器的交互決定了駕駛員對路況信息的獲取。駕駛員視區是指頭部和眼睛在規定的條件下,人眼可覺察到的水平面與鉛垂面內所有的空間范圍。根據人機工效學資料,人體在坐姿下的自然視線是向下15°,最佳眼動界限是上下30°。人眼最佳直接視野是左右25°。對于紅外車載駕駛儀而言,顯示器的尺寸、安裝位置和傾角應符合駕駛員的人眼視野特性。相關國軍標中規定,對于軍用顯示器的布局,最佳視區一般位于水平視線以下15°～45°、左右距主視線15°的視區內,如圖3所示。

圖3 軍用顯示器觀察人眼最佳視區

考慮到軍事車輛行車過程中路況的復雜性和需高度關注的安全性,紅外車載駕駛儀顯示器安裝位置應在滿足國軍標規定的前提下,同時便于較好地觀察視頻圖像。因此,水平面最佳的視野顯示范圍可取標準視線的左右15°范圍內,垂直平面最佳的視野范圍可取水平視線以下30°范圍內。同時為了適應駕駛員的視角變化,顯示器屏幕角度的調節范圍也應該控制在此范圍之內。

3.2 紅外車載駕駛儀視區分析

紅外車載駕駛儀的攝像頭決定了系統對路況信息的探測范圍,該范圍可用紅外車載駕駛儀視區來表征,其大小主要與攝像頭的光學視場和安裝位置相關。

為了定量分析紅外車載駕駛儀的視區和盲區,將攝像頭探測到的前方道路最近點與安裝位置的地面距離定義為落地距離,將落地距離處道路左右方向上可視的最遠距離定義為可見路寬,如圖4所示。可以看出,垂直方向上大于等于落地距離的區域為可視區域,落地距離越小盲區越小；可見路寬越大,水平方向上的盲區越小,可視范圍越大。

圖4 紅外車載駕駛儀的垂直、水平視區

假設攝像頭的水平、垂直視場分別為α、β,攝像頭在車體上的安裝高度為L,可見路寬為x,落地距離為y。如圖5所示,則滿足以下關系:

(1)

圖5 紅外車載駕駛儀視區計算示意圖

根據上述關系進行仿真分析,落地距離與攝像頭安裝高度的關系如圖6所示,可以看出二者關系為正相關,因此為了減少盲區攝像頭安裝高度不宜太高。當然攝像頭安裝也不能過低,否則太接近地面,視線容易被路面上凹凸起伏、雜草等的遮擋。安裝高度可選擇為0.5～1.5 m,此時落地距離為1.9～5.6 m(垂直視場為30°時)。

落地距離與攝像頭垂直視場的關系如圖7所示,可以看出二者關系為負相關。當垂直視場小于10°時,安裝高度為1 m和1.5 m時的落地距離均超過10 m。因此攝像頭設計時垂直視場應大于10°,當然視場過大也會給設計生產帶來額外的負擔,可根據實際需求進行合理選擇。攝像頭垂直視場可選擇為≥25°,這樣安裝高度為1.5 m、1 m時的落地距離分別小于7 m、小于5 m。

圖6 落地距離與攝像頭安裝高度的關系

圖7 落地距離與攝像頭垂直視場的關系

可見路寬與攝像頭安裝高度的關系如圖8所示,二者關系為正相關。一般單車道寬度為3 m左右,要求紅外車載駕駛儀的可見路寬應≥3 m,當攝像頭水平垂直視場均為25°時要求安裝高度≥1.5 m。而過大的安裝高度會造成落地距離的增大,進而增大垂直方向上的盲區。

圖8 可見路寬與攝像頭安裝高度的關系

可見路寬與攝像頭水平視場的關系如圖9所示(攝像頭垂直視場為25°),二者的關系同樣為正相關。安裝高度為1 m和1.5 m的條件下,當攝像頭水平視場為30°時可見路寬分別為2.5 m、3.6 m,當攝像頭水平視場為36°時可見路寬分別為3.0 m、4.4 m。

圖9 可見路寬與攝像頭水平視場的關系

因此,為減小落地距離、增大可見路寬,達到盡量減少駕駛盲區的目的,應綜合考慮選擇攝像頭的水平視場、垂直視場及安裝高度。根據上述分析,攝像頭垂直視場可選擇≥25°,水平視場選擇≥36°,安裝高度選擇1～1.5 m,此時落地距離<5 m、可見路寬≥3 m,基本能夠滿足正常行車需求。

4 視覺舒適性分析

4.1 視覺舒適性影響因素分析

行車過程中視覺是駕駛員獲取路況信息的唯一途徑,為保證行車安全,駕駛員觀察顯示器應具備良好的視覺感受性,即視覺舒適性。視覺舒適性較差時,不僅會影響駕駛員對路況信息的感知,也容易導致疲勞,影響行車效率和安全。良好的視覺舒適性應具備以下條件:(1)駕駛員具有正常的視覺感知能力,即視力正常；(2)顯示器所產生的視覺刺激,具有足夠的強度被駕駛員所接收；(3)顯示器和外部環境構成的光環境,使駕駛員眼鏡處于一個舒適的狀態。

可見,視力水平正常條件下,駕駛員的視覺舒適性主要受顯示器性能因素和光環境因素影響。其中,顯示器性能因素主要包括顯示器的亮度、對比度、分辨率、刷新頻率等參數；光環境因素主要是外部環境影響下的車內光環境。隨著顯示器性能的不斷發展,對比度和分辨率已經不再是制約顯示效果的主要因素。因此,顯示器屏幕亮度和光環境因素是分析評價視覺舒適性的重點。其中,光環境主要通過屏幕反射光亮度和人眼的適應性,來影響其視覺感知。鑒于紅外車載駕駛儀的使用時機主要是夜間和低能見度天氣,環境照度相對較低,本文將主要研究對人眼適應性的影響。

光環境對人眼適應性的影響主要是基于人眼對亮度的響應特性來實現的。在照度不同的環境下,人眼對同一亮度會具有不同的響應值[12]。如圖10所示,每幅圖中小方塊的亮度相同,其背景亮度由小到大變化時,人眼會產生不同的觀察效果。

圖10 環境照度變化下的視覺差異性

目前研究[13]中,日本厚生勞動省頒布的“顯示器作業指南”中推薦照度為500 lux以下；美國國家勞動安全衛生研宄所推薦的照度為500～700 lux；還有研究發現45 %的作業者認為適宜照度為400～600 lux,40 %認為適宜照度為200～400 1ux。

4.2 基于環境照度的顯示器亮度調節試驗

紅外車載駕駛儀使用時機多為低照度環境,顯示器亮度對駕駛員視覺的影響極大。為了探索基于環境照度的顯示器亮度適應性特點和規律,進行了基于環境照度的顯示器亮度調節試驗。

試驗在野外夜天光環境下進行,照度環境為傍晚到夜間的實際照度,當天為農歷4月21日,日落時間為19∶56、月出時間為23∶50。試驗對象為某型駕駛儀,其顯示亮度可手動調節。試驗中使用KWZ-2000微光照度計測試環境照度,使用PR-670亮度色度計測試顯示器的顯示亮度。

測試顯示器的顯示亮度時,圖像背景為土路,路面相對比較平整且在顯示器中的亮度顯示比較均勻,取路面顯示區域3個不同的點進行測試。

試驗觀察人員3人,視力正常且不低于1.5,擁有正常的色覺和光照變化適應明暗功能,年齡18～35歲,在不同的照度環境下觀察顯示器圖像,并根據視覺舒適性情況進行亮度調節。通過試驗,得到亮度調節數據如表1所示。

表1 亮度調節試驗結果

可以看出,不同環境照度下的顯示器適宜亮度存在顯著差異,說明駕駛員的視覺舒適性受環境照度的影響較大。同時,3名駕駛員中有2名調節的亮度檔位比較一致,另外1名稍有差異。說明由于每名駕駛員的生理需求不同,其亮度調節數據存在一定的個性化差異,但是差異性并不顯著。

現代心理物理學中,史蒂文斯通過使用數量估計法得到了大量的試驗數據并據此來研究刺激強度與感覺量的關系。Rudd等研究[14]指出,孤立表面的亮度與照度的關系可用史蒂文斯冪定律表示。陳碩等的研究[15]表明,史蒂文斯冪函數能夠擬合人眼亮度對比的試驗模型。

因此,根據人眼視覺認知規律特點,可將紅外車載駕駛儀顯示器適宜亮度與環境照度的關系,用史蒂文斯冪函數表示為

L=aIb

(2)

式中,I為環境照度,單位為lx；L為紅外車載駕駛儀顯示適宜亮度,單位為cd·m-2；a、b分別為冪函數的擬合參數。

圖11 顯示適宜亮度與環境照度關系曲線

根據表1的試驗結果,對史蒂文斯冪函數模型進行參數擬合,可以得出a=941,b=0.715,擬合曲線如圖11所示。紅外車載駕駛儀的主要使用場景為夜間,照度環境一般為10-2lx～10-4lx,因此根據擬合曲線得出,顯示器適宜亮度為6～35 cd·m-2。

5 操縱舒適性分析

5.1 操縱舒適性影響因素分析

紅外車載駕駛儀輔助駕駛過程中,駕駛員對紅外車載駕駛儀的操縱主要包括兩個方面:一是坐姿下對顯示器視頻圖像的觀察,駕駛員的關注點是坐姿觀察的舒適性；二是坐姿下對各項功能按鍵的操作,駕駛員的關注點是對各項功能的調節是否方便快捷。因此可將操縱舒適性進一步分解為坐姿觀察舒適性和操作便捷性。其影響因素如圖12所示。對于紅外車載駕駛儀的使用,考慮到行車前調節完畢后,行車過程中一般不需要進行過多的操作,因此對于操縱舒適性進行評價,可將坐姿觀察舒適性作為重點。

圖12 操縱舒適性影響因素

5.2 坐姿觀察舒適性分析

坐姿是駕駛員完成行車任務的基本姿態,長時間行車過程中,駕駛員很容易因為坐姿不當造成疲勞。坐姿觀察舒適性包括頭頸部、背部、腰部、臀部、腿部的舒適,觀察顯示器時駕駛員頭頸部的舒適是重點,其他部位的感受主要與汽車座椅有關。這就要求顯示器所處的位置,應使駕駛員觀察時頭頸部處于一個舒適的狀態。

可以看出,紅外車載駕駛儀顯示器的安裝位置對駕駛員觀察姿態有決定性作用。因此,顯示器安裝位置應方便駕駛員觀察,避免駕駛員長時間仰頭、低頭或扭頭,從而增加駕駛頸部或腰部的疲勞感。通過前文的分析可知,駕駛員處于正常坐姿時,其最佳視野范圍為:標準視線水平面上的10°～20°范圍,垂直平面最佳的視野范圍為25°～30°范圍。如圖13所示,顯示器的屏幕要位于駕駛員的最佳視野范圍內,與顯示器屏幕尺寸和人眼距離L有關。

圖13 觀察距離與顯示器屏幕尺寸關系示意圖

則有:

(3)

即:

(4)

通常情況下觀察目標在560 mm處最為適宜,小于380 mm時會引起目眩,視疲勞程度增加,超過760 mm時會影響細節的觀察。正常坐姿下,駕駛員眼睛到前擋風玻璃的距離約為500 mm,即380 mm≤L≤500 mm。

目前顯示器的長寬比一般為4∶3或16∶9,可以計算出,若紅外車載駕駛儀顯示器屏幕長寬比為4∶3,其最佳尺寸為8.5～11.5 in；若紅外車載駕駛儀顯示器長寬比為16∶9,其最佳尺寸為9～12 in。顯示器屏幕超出最佳尺寸時,一部分顯示內容在駕駛員眼睛的標準視線之外,且顯示器的體積和重量會大幅度增加,安裝困難；當然顯示器屏幕也不能過小,否則容易使駕駛員分辨路況和障礙物困難,不僅帶來安全隱患,過度緊盯屏幕觀察也容易導致眼睛和頭頸部的疲勞。

6 結 論

(1)根據提出的軍用紅外車載駕駛儀人機功效關系模型,分析認為駕駛視野性、視覺舒適性和操縱舒適性是人機功效評價的核心內容。

(2)駕駛視野性評價的重點是駕駛員視區和駕駛儀視區,基中駕駛員視區與顯示器安裝位置有關,分析得出了其最佳安裝位置為水平面標準視線的左右15°、垂直平面水平視線以下30°的范圍內；駕駛儀視區與攝像頭視場和安裝位置有關,為減少輔助駕駛盲區,應盡量減小落地距離、增大可見路寬,攝像頭垂直視場可選擇≥25°,水平視場選擇≥36°,安裝高度選擇1～1.5 m。

(3)視覺舒適性評價的重點是光環境對人眼適應性的影響,基于環境照度的顯示器亮度調節試驗結果表明駕駛員的視覺舒適性受環境照度的影響較大；引入史蒂文斯冪函數模型,通過參數擬合得出顯示器的適宜亮度為6～35 cd·m-2。

(4)操縱舒適性評價的重點是坐姿觀察舒適性,其中顯示器的安裝位置對駕駛員觀察姿態有決定性作用；從顯示器屏幕尺寸與人眼距離之間的關系入手,分析得出屏幕長寬比為4∶3時最佳尺寸為8.5～11.5 in,長寬比為16∶9時最佳尺寸為9～12 in。