車內屏幕亮度舒適性研究與算法優化

【摘" 要】隨著汽車智能化不斷深入，汽車座艙環境的宜居性、舒適性越來越受到消費者與廠商的重視。提升車內屏幕的使用體驗顯得非常重要，因此研究屏幕亮度與人眼舒適性之間的關系很有必要。文章通過研究車內屏幕亮度在不同環境下與人眼舒適度之間的關系，歸納優化適用于車內屏幕的算法，從而得出人眼在不同環境下屏幕亮度顯示的最佳區間，其研究結果與測試方法可為車內屏幕亮度調節提供依據，具有一定的參考價值。

【關鍵詞】汽車屏幕光強度；光照度；亮度舒適度；算法

中圖分類號：U463.67" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）03-0061-05

Research and Algorithm Optimization on Brightness Comfort of In-car Screen

QIAN Keyu，QIAN Jinlu

（GAC Ramp;D Institute Intelligent Networking Center，Guangzhou 510000，China）

【Abstract】As vehicle intelligence continues to advance，the habitability and comfort of the automotive cabin environment are increasingly garnering attention from both consumers and manufacturers. Enhancing the user experience of in-car displays stands as a critically important pursuit. Consequently，an investigation into the correlation between screen brightness and visual comfort becomes highly imperative. To elaborate，delving into the relationship between in-car screen brightness across different scenarios and its impact on visual comfort leads to the synthesis of algorithms optimized for in-car displays. This endeavor culminates in determining the optimal range of screen brightness for visual comfort in varying environments. The research outcomes and testing methodologies，thus derived，hold significant merit as they provide foundational insights for calibrating in-car screen brightness，offering substantial reference value.

【Key words】In-car screen intensity；illumination；brightness comfort；algorithm

作者簡介

錢科宇（1994—），男，工程師，研究方向為智能座艙系統測試（通訊作者）；千瑾璐（1990—），女，碩士，工程師，研究方向為智能座艙與信息安全。

1" 引言

隨著汽車智能化、信息化快速發展，車內屏幕成為越來越多的汽車標配，越來越多的顯示屏成為人與汽車不可或缺的交互通道。然而，如果在車內長期使用屏幕，由于光線的變化或屏幕光線強弱不合理，極易導致使用者視覺不適。過強與過弱的屏幕亮度在用戶長期使用時，容易產生視覺疲勞或身體不適，嚴重的可能影響乘員健康與行車安全。因此車內屏幕光線強度控制在一個合理舒適的區間內，可以明顯提升乘員的駕乘舒適感，使乘員更樂于使用屏幕與車輛進行交互和娛樂，間接提升車載應用的用戶使用頻率與持續關注度，并創造消費場景以及使用價值。

目前國內外相關方面的研究成果如下。方衛寧、郭北苑、張俊紅[1]等人的研究發現環境照度、顯示屏亮度以及亮度對比度會對用戶操作產生影響。張艷霞、李宏汀、徐躍進[2]在研究不同環境下手機顯示最優亮度時發現：在室外不同照度（10klux、20klux、30klux）時，手機屏幕亮度最優值呈線性變化。李孟君、黎文偉[3]的實驗與研究驗證了人眼亮度感覺與實際亮度呈線性關系，并闡述了調節屏幕亮度的算法。在人眼舒適度（視疲勞）的測量方面，楊春宇、胡皓[4]等研究發現：光照時間、照度、色溫和對比度的交互作用對視疲勞影響十分顯著。Lin（2005）對不同屏幕影響因素進行了研究，發現屏幕亮度顯著影響視覺績效，且亮度與屏幕對比度存在交互作用，顏色對視覺績效沒有影響[5]。

根據以上研究，影響屏幕舒適性（抗疲勞）的主要因素在于亮度對比度、環境光照度，而由于汽車屏幕顏色組合相對固定（行業/企業標準），光照時間方面影響較小。

目前國內外論文大部分都是描述電子設備在辦公場合或者外界使用環境下屏幕亮度對人體舒適性/疲勞度影響，很少涉及到車內環境下車載屏幕對人眼舒適性測量體系與評價方法。因此，本文將對車內環境屏幕亮度對人眼的舒適性展開測試與研究，主要從如下幾個方面入手。

1）設計試驗，在不同環境下，對車內環境亮度與中控屏屏幕最佳舒適亮度進行測量與統計。

2）通過分析數據，找出中控屏屏幕最佳舒適亮度與車內環境亮度之間的關系，對現有屏幕亮度算法進行優化。

3）進行算法評價并給出常見環境下的中控屏屏幕最佳亮度區間。

2" 試驗設計

基于引言的研究成果與收集到的資料信息，梳理了汽車屏幕場景的特點，在實車上進行測試發現，實際車內亮度300～3000lux左右，夜間路燈情況下光線在20～100lux不等，夜間無外界光源情況下車內光照度低于20lux，夜間對向來車遠光燈的光亮又可達到2000lux以上。在視覺舒適度評價方面，將以受試者主觀評價分析表為主，對視覺舒適度方面進行評價，并采集不同環境光線場景下受試者調節的最佳亮度數據，給出對應的最佳亮度區間。根據測試評價標準[6]，闡述的評價視覺疲勞的測試要求，參考手機亮度與視覺疲勞度試驗方法以及試驗結果[7]，設計車內環境亮度試驗方法和需采集的數據以及對應數據處理方式。根據光照理論知識，結合上文得出的影響因素進行實車試驗。具體內容如下。

2.1" 被測樣本

1）人員選擇：隨機選取年齡在20～50歲被試人員5人作為總體樣本。按年齡段分為3組，采用正態分布：其中20～30歲2人，30～40歲2人，40～50歲1人，平均年齡32歲；測試人員無眼科疾病且視力正常，男女比例為1：1。

2）被測車輛：選擇某型A級車，帶全景天窗，儀表位于中控臺上方，中控屏位于中控臺中部。被測車輛整體布局見圖1。

2.2" 試驗變量與試驗設計

試驗采用雙因混合試驗方式，受試者在不同行車場景下驗證屏幕不同亮度的舒適性。由于不同車型設計不同，車內環境亮度也會有顯著區別。參考測試方法標準[6]，此次試驗選用普通A級轎車進行測試，亮度對比度為定值，設定相同的色溫，屏幕對比度、色域等參數保持一致。

2.2.1" 自變量

1）環境光照度。場景包括早晨/傍晚（晴天、陰天、面向陽光、背向陽光），中午（晴天、陰天），夜晚（有路燈、無路燈、對向來車、背向來車）。測試場景及對應編號見表1。

2）車內不同位置。每一場景取環境（主駕/副駕/左后排/中后排/右后排）5個方位的光照度值。

2.2.2" 因變量

1）人眼最適合光照度值以及主觀舒適度評價分值。

2）默認光照度下，主觀舒適度評價分值。

白天會自動調整為白天模式，黑夜自動調整為黑夜模式，其中白天模式對比度0.6，黑夜模式對比度0.9。屏幕均可調亮度，分別為0～100%亮度值，屏幕默認亮度值50%。

2.3" 試驗程序

整個試驗在封閉道路上進行低速測試，保證測試的安全，具體步驟如下。

1）測試前記錄人員會充分告知受試者測試步驟與內容，在測試開始前會對車內5個位置（主駕、副駕、后排左中右位置）進行光照度測量，作為一個基準。

2）指定試驗環境下，受試者進入車內后，給予1min適應車內環境亮度。

3）點亮中控屏與儀表屏，開始進行測試。測試包含儀表屏（正對）測試、中控屏測試。

2.3.1" 儀表屏測試

儀表測試僅在駕駛位置測試。每位受試者首先正視前方目標觀測物1min，然后目視儀表屏幕10s，被測者根據舒適度評價表手動調節屏幕到最合適的亮度，記錄者記錄當前最合適的亮度百分比。

2.3.2" 中控屏測試

每位受試者首先正視前方目標觀測物1min，然后對中控屏進行試驗材料相關任務操作。被測者根據舒適度評價表手動調節屏幕到最合適的亮度，達到最佳亮度后，記錄者記錄當前最合適的亮度百分比。每位被測者將會輪流坐到駕駛位、副駕位、后方3個位置進行舒適度評價。每次測試開始前，時間需間隔30min，目的是為了消除人眼對已測屏幕亮度的適應性，再次調整亮度后進行新一輪測試。

2.3.3" 結果處理

在進行數據統計分析之前，剔除不合格數據。

1）數據預處理：對同一條件的前后進行對照測試，利用以下公式進行初步處理。

（1）

其中，光照度的數據處理公式為：

式中：x——樣本數據；n——測試數目（測試樣本量）；D——數據差值的均值；Sp——數據標準差；t——檢驗統計量。

此次分析的是人眼感受到的光線，故應以光強度（nit）來衡量在環境光強值的情況下，屏幕對應的光強度，已知光照度與光強度之間的換算公式為：

I——光強度，cd；" ——通光量，Lm；Ω——發散角度，sr。

2）環境光強度計算：太陽光或戶外自然光可以被視為幾乎平行光線，因此可將光照度直接視為環境光強度。

3）位置光強度計算：要計算進入人眼的光強度，需要考慮屏幕的光強度、人眼與屏幕的夾角以及距離。而車內空間受觀察位置的影響如圖2所示。

計算水平與垂直距離可求得觀察者的發散角度，故位置光強度P公式如下：

式中：a ——水平距離；b ——垂直距離；β ——發散角度夾角。

前排兩邊觀察屏幕夾角β約為45°（距離0.4m），后排左右為30°（距離1.5m），后排中為0°（距離1.2m）。已知屏幕光強度最大為1100nit。

3" 評價結果

根據試驗設計，在不同時間段，邀請30名受試者進行不同光線條件的測試。屏幕不點亮的情況下，測量不同時間段車內主駕、副駕、后排左中右位置人眼觀測位的環境光亮度（光照度）數據，如圖3所示。

3.1" 車內光強度分布規律

由圖3可知，車內光強度分布規律如下。

1）早晨光強度500～2500nit受光線方向影響較大，車內前后排光照度在背光條件與向光條件下相差2～3倍。

2）中午光強度車內分布較為規律，前后排光強度最高可達2500～3000nit，前后排光亮度差別在2～3倍，后排左右基本強度相同，中間光強最弱。

3）夜間不同條件下光照度變化極大，在無正向來車時，光強度在50nit以下，在正向來車時，前排光強度可達300～500nit，后排中間也在200～400nit。

在默認亮度下（白天模式為80%，黑夜模式為50%），根據公式求得主駕、副駕的光強度分別為600nit與200nit。默認屏幕亮度下各環境疲勞評分如圖4所示。

3.2" 最佳光照度與環境光強度之間的關系

根據環境光強度數據以及對應環境下的最佳屏幕光強度試驗獲取的數據，對各種環境光線強度下的最佳屏幕光線進行處理，通過公式（2）～（4）統計各個光照強度下屏幕在觀察者的入眼光線強度。屏幕最佳光強度與環境光強度如圖5所示。

根據整體曲線可以看出光照度較低時，曲線擬合較好，后面差異較大，是典型的分段函數特征，因此可對數據進行分段采集與解析。不同環境光照度下的最佳屏幕光強度如圖6所示。

根據曲線擬合，在白天模式下，屏幕光強度與環境光強度之間呈線性關系如下。

式中：f（x）——屏幕最適宜光強度；x——當前環境光強度，可由光通量測量儀測量得出；γ——最大屏幕光強度；δ——適應區間波動系數；g（x）——環境光增益系數，比例系數。

通過比較可知，當光通量超過10000lux時，屏幕亮度可調至最大γ；當光通量超過1000lux小于10000lux時，g（x）為In（x），值為0.15；當光通量小于1000lux大于200lux時，屏幕光強度為常值120，δ為0.04；當光通量小于200lux時（排除強光瞬時影響），帶入公式，符合要求：

C=0.8，p=-0.13，δ為0.01，故分段函數如公式（7）所示。

3.3" 不同光照環境下的最佳亮度區間

1）環境光強與人眼最適合區間光強的關系：根據前文得出的算法，對其他車型車輛進行測試，得出在默認屏幕適應亮度下與經過算法優化后的主觀舒適度對比見表2。

2）舒適性主觀評價：根據現有算法，結合早中晚相同環境條件下屏幕亮度調節，并再次進行用戶疲勞度評價評分，具體如圖7所示。

通過圖7對比圖4可發現：在A1～A4、C1～C4場景下，被測者疲勞度有明顯下降，在B1～B4場景下也有所改善。

4" 結論

通過采集不同環境下車內環境光照度以及對人眼視覺舒適度的測試，結合試驗數據進行分析，可以得出以下結論。

1）車內光環境分布受早中晚時間影響較大。在早晨或傍晚時，車內光照度前后排差異較大，光環境波動從200～2500lux不等；在中午時分，車內光照度分布較為均勻，前排比后排高1～3倍，光照度從500～3000lux不等；夜晚車內光照度受外界強光影響較大，無強光時車內前后排區別不大，光照度從5～200lux不等。

2）屏幕光強度與環境光強度之間的關系為分段函數。當光通量超過10000lux時，屏幕亮度應調整為最大值；當光通量小于10000，大于1000lux時，屏幕亮度與環境光照度呈對數關系；當光通量小于1000lux大于200lux時，屏幕亮度為常數；當光通量小于200lux時，屏幕亮度與環境光照度呈線性關系。

3）結合算法評估出不同環境條件下的最佳屏幕亮度：當光通量超過10000lux時，屏幕亮度約295nit；當光通量小于10000大于1000lux時，屏幕亮度約為256nit；當光通量小于1000lux大于200lux時，屏幕亮度約為139nit；當光通量小于200lux時，屏幕亮度約為21nit。

當然，本文試驗也存在一定的局限性，如：試驗基于單獨一款車型實施，不同車型尺寸結構不同存在一定的差異；試驗基于特定地區進行，存在不同經緯度地區的差異性。

參考文獻：

[1] 方衛寧，郭北苑，張俊紅. 機車操縱臺液晶顯示器參數調節對視覺功效的影響[J]. 鐵道學報，2004，25（6）：40-44.

[2] 張艷霞，李宏汀，徐躍進. 室外環境不同照度下手機屏幕亮度最優參數研究[J]. 人類工效學，2013，19（4）：4-9.

[3] 李孟君，黎文偉. 基于視覺特性的手機屏幕亮度自適應調節算法[J]. 計算機科學，2019，2（2）：255-260.

[4] 楊春宇，胡皓，向奕妍. LED照明環境下照明參數對人眼視疲勞的影響[J]. 土木建筑與環境工程，2018，40（4）：88-93.

[5] Lin，C.C.Effects of screen luminance combination and text color on visual performance with TFT-LCD[J]. International Journal of Industrial Ergonomics，2005，35（3）：229-235.

[6] T/CVIA 73—2019，視覺疲勞測試與評價方法[S].

[7] 張艷霞. 手機屏幕亮度的可用性研究[D]. 杭州：浙江理工大學，2013.

（編輯" 凌" 波）