智能座艙的色光交互對用戶視覺疲勞的影響

關鍵詞：色光；智能座艙；EEG；EPR；視覺疲勞；交互設計

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）24-0142-05

引言

智能座艙是伴隨人工智能、物聯網、云計算、大數據、大模型等技術發展下乘坐與操控空間，情緒識別、意圖識別等技術的發展，使座艙能夠與用戶產生更自然的交互，滿足用戶的需求。色光作為智能座艙一種信息輸出形式，不僅僅傳遞座艙系統發出的信號，還能以內部裝飾的形式與用戶進行情感交互，調節用戶情緒，在限制較小的座艙空間內，色光能夠在主動照顧用戶生理欲望和情感需求起到重要作用，如圖1 所示，汽車制造企業在不同階段推出的車內色光交互方案表明，在設計中巧妙運用色光交互，不僅可以提升座艙的照明功能、信息提示等，還能增強視覺吸引力。情感化的色光設計能更好地優化用戶的認知狀態和駕駛體驗。但是，隨著駕乘時間的延長，用戶會因為長時間暴露在單一色光下而產生視覺疲勞。這種疲勞不僅影響用戶的舒適度和注意力，還可能影響駕駛安全。智能座艙的色光交互設計需要更加注意色光的科學選擇和動態調節，以解決視覺疲勞問題，從而提升用戶的視覺興奮度和舒適度。因此，文中深入探討不同色彩的色光交互對智能座艙用戶的視覺疲勞產生的潛在影響，為未來智能座艙的色光交互設計提供可參考的數據。

一、色光交互對視覺疲勞的影響及測量

（一）色光交互對視覺疲勞的影響

環境色光的波長、色溫和照度均是影響情緒的重要物理因素，色光的情緒效應同時還受到色光時長、時間點、個體特征、主觀偏好及基因類型等的調節[1]。相比于中波長的綠光和高波長的紅光，短波長的藍光能夠對情緒、警覺性和生物節律產生更顯著的影響效應[2]。不同色溫的燈光對人的情緒和創造力有不同的影響，高色溫對積極情緒有顯著的提升效應，對緩解疲勞也有顯著作用。低色溫的燈光會給人一種收縮感，給人帶來一種溫馨、宜人的視覺感受[3]。光照環境與人體疲勞有較強相關性，570 到870lx 的照度下，疲勞程度變化最大[4]。在光的交互設計中，交互的動態效果為色光設計提供了更多的維度。學者Izso 引入了“動態光”這個術語，用來表示隨時間變化并可被感知的光照輸出形式，從而將這種變化的光與傳統的靜態光區分開來[5]。在相同色溫和照度條件設置下，動態燈光相較于靜態燈光能帶來更強烈的情感反應和警覺性[6]。動態光的變化形式、變化周期均對視覺感知度具有顯著影響[7]。不同速度下環境光的變化會影響駕駛員對車速的感知，從而影響駕駛體驗。連續平滑過渡的動態光會給用戶帶來安全和舒適的感覺，中速能提供最活躍的氣氛，高速的動態光會讓人感覺緊張和不舒適[8]。不同顏色和形式的色光能引起用戶特定的情感反應，從而調節用戶情緒狀態，這些情感反應能夠降低視覺壓力和疲勞感。色光還能通過影響生物節律，調節警覺性和視覺恢復質量，從而進一步緩解視覺疲勞。

（二）基于腦電的視覺疲勞測量

在以往研究中，通過腦電和VR 結合的形式，探索司機在超長隧道駕駛過程中的視覺疲勞表現，幫助分析制訂超長隧道中視覺疲勞緩解區的布局[9]。還有研究對光環境視覺疲勞的評價方法進行了研究綜述，認為腦電這些生理數據在評價光環境的視覺疲勞方面更具有優勢[10]。前人的研究表明了腦電在視覺疲勞測量中的潛力。

腦電波（electroencephalogram，EEG）是一種人體客觀生理信號，可定量評估大腦的疲勞程度。腦電波通常有 4 個頻段，分別為 δ（0.5 ～ 4 Hz）、θ（4 ～ 8 Hz）、α（8 ～ 14 Hz）和 β（14 ～ 30Hz）。 在視覺任務過程中，特別是在長時間注視屏幕或執行需要持續注意力的任務時，θ 波的平均功率會增加，這一現象被視為視覺疲勞的生理響應[11]。事件相關電位（Event-related Potential，ERP）是一種通過記錄大腦在特定刺激下的電信號生理響應，事件相關電位是人腦的高級功能電位，是與判斷、注意、感知、決策及工作記憶內容等認知過程相關聯的腦電位變化[12]。在ERP 研究領域，與視覺相關的ERP 成分有P100、N200、P300。P300 是呈現在刺激后300-500ms 間誘發出的腦電成分，這是一種與注意力、視覺、認知加工和決策制定相關的正波，P300 成分的峰值變化反映了被試在不同條件下的視覺加工差異[13]。通過分析P300 的波形和潛伏期，能夠更細致地了解被試在不同色光條件下的視覺負荷和注意力分配。

視覺疲勞還可以基于個體對自身疲勞感知的直接反饋，依靠個體自我來評估其疲勞狀態，這種方式靈活且更易于實施。單一的主觀評價和生理評價無法對色光引發的視覺疲勞進行相互驗證，為了準確地評估色光交互對視覺疲勞的影響，本研究提出了聯合主觀評價和腦電生理信號評價的視覺疲勞評價方法，如圖2。

二、基于EEG的色光交互與視覺疲勞的關聯研究

（一）實驗目的

智能座艙的智慧感在于能夠自動識別人的疲勞，主動做出反饋。為了探究智能座艙中如何通過色光交互設計減少座艙中人的視覺疲勞問題，本文通過對比無色光交互的座艙和有色光交互的座艙對人視覺產生疲勞的時長，以及不同顏色的色光對視覺疲勞的影響差異，得出人在產生視覺疲勞時，不同色光持續的時長，從而為智能座艙提供色光交互設計的參考數據。同時，也通過人對色彩的偏好，來判斷色光偏好是否可以延長視覺疲勞產生的時長，從而進一步確立用戶主觀體驗與色光交互情感化設計的關聯性。

（二）實驗準備

本實驗挑選蔚來汽車座艙作為參照物，用UE5 和AE 制作完成色光交互的智能座艙實驗仿真視頻。仿真視頻模擬了座艙在夜黑情景下的“紅、橙、黃、綠、青、藍、紫與無色彩燈光”等色光開啟效果，表1 羅列了實驗中使用色光的CIE1931xy值。

共有20名被試者參與實驗，每個參與實驗的被試者均有正常或矯正正常的視力，無色盲和色弱，試驗前24h未飲酒、抽煙、喝咖啡、服用藥物。實驗中的VR 設備采用華為VR glass，腦電數據采用國際10-20系統，嵌入式34 導聯腦電帽與津發科技腦電系統進行采集，采樣頻率為40Hz，每個導聯注入電導液，以使每個電極電阻低于5kΩ。

（三）實驗步驟

如圖3所示，實驗共分為4個步驟。步驟一：在實驗開始前，所有被試需戴上腦電和VR設備，休息10 秒來平復狀態；步驟二：在初始階段模擬無色光交互狀態，被試體驗模擬無色光交互狀態的智能座艙乘坐，在感到疲勞后，通過手中控制器隨機切換到有色光的智能座艙模擬乘坐，記錄其體驗時長；步驟三：當被試在當前色光中感到疲勞后，即可通過手中的控制器隨機切換到下一個色光中，依次做完所有色光樣本，記錄每次體驗的時長；步驟四：實驗結束，匯總每種色光的體驗時長和腦電數據，并對被試的偏好色光進行調查。

（四）實驗數據處理方法

為了從原始腦電信號中提取對應的頻率成分，同時剔除噪聲和干擾，需要對腦電信號做濾波處理，去除腦電信號中的眼電和肌電等電信號，濾除低于0.5HZ 和高于50HZ 的干擾信號。計算公式為：

三、實驗實施與數據分析

（一）視覺疲勞在θ波上的表現

提取被試的腦電數據導入Matlab 平臺的Letswave 工具進行分析，先經過式（1）（2）對原始腦電數據進行預處理，再根據式（3）對θ 波進行平均功率計算。如圖4 所示，θ 波的平均功率隨著被試體驗的時間增長而增大，尤其在50s-80s 的θ 波的平均功率相比于前50s 的平均功率顯著增長（t=12.2，p ＜ 0.05，￠²=5.48），表明被試在50-80s 的時間內視覺負荷增長最大，被試開始進入視覺疲勞狀態。在100s 以后，θ 波的平均功率達到最大，被試在此時的視覺負荷也達到最大。

（二）視覺疲勞在ERP上的表現

將經過式（1）、（2）預處理后的腦電數據導入到SPSS進行分析， 選擇Fp1、Fpz、Fp2、AF4、AF3、F7、F3、Fz、P3、Pz、P4、O1、O2、OZ、FC1、FC5、FT9、FT10、FC6、FC2、F4、F8這些腦電能量活躍區域的電極進行配對T 檢驗，電極O1（t=3.738、plt;0.05）、O2（t=3.536、plt;0.05）、OZ（t=3.661、plt;0.05）、Pz（t=3.306，plt;0.05）、P3（t=3.028、plt;0.05）的平均差值較大，說明ERP 成分在這幾個電極上有顯著變化。選擇以上5 個電極做ERP 分析，分析時程為切換色光呈現后800 ms，基線為切換色光前200 ms。根據式（4）做平均疊加后通過Letswave 的Figuare 工具繪制ERP 平均波形圖如圖5 所示。

由圖5可知，在200ms 到600ms之間出現的顯著正向波幅，特別是在300ms 左右的波幅最大，符合P300 的特征，P300波幅的大小被認為與被試投入的視覺注意力資源量成正比。有色光交互體驗階段的P300 波幅高于無色光交互體驗階段，表明有色光相比無色光更能有效吸引被試的視覺注意力，增加了對視覺認知加工資源的分配。較大的P300波幅表現在紅色、紫色和藍色色光交互體驗階段，紅色、紫色和藍色色光交互體驗階段相較于其他色光，大腦分配了更多的視覺注意力資源來處理這些視覺刺激。

（三）視覺疲勞在體驗時長的主觀表現

從實驗開始到被試感到視覺疲勞所經歷的時間段為視覺疲勞潛伏時長，如果該色光視覺疲勞潛伏時長較長，說明該色光對被試的眼睛造成的壓力較小，視疲勞感受較為緩慢，意味著這種色光環境更適合長時間的使用，對視覺舒適度更高。匯總所有被試對不同色光的視覺疲勞潛伏時長，如圖6 所示，不同色光對人視覺疲勞的影響程度不同，其中藍色、紫色、青色3 種色光視覺疲勞潛伏時長最長，其均值分別為117 秒、111 秒和103 秒，紅色和綠色3 種色光視覺疲勞潛伏時長最短分別為74 秒和80秒。

如圖7所示通過對比無色光交互與有色光交互，對視覺疲勞潛伏時長的統計分析，發現在無色光交互階段，被試的平均視覺疲勞潛伏時長為51 秒，而在有色光交互階段，平均視覺疲勞潛伏時長顯著增加至98 秒。這一結果表明，在有色光交互的情境下，被試對于單一的色光表現出了更長時間的注意力，顯著影響了被試的視覺疲勞潛伏時長（t=6.57，plt;0.05，￠²⁼1.34^）。通過調查被試偏好色光，匯總隨機色光視覺疲勞潛伏時長和偏好色光視覺疲勞潛伏時長。通過對隨機色光和偏好色光兩組數據的比較，觀察到在偏好色光條件下，被試的視覺疲勞潛伏時長長于在隨機色光條件下的時長具有顯著性（t=4.68，p ＜ 0.05，￠²⁼1.17）。這一結果表明，被試更愿意持續參與與其喜好相關的色光交互，這與色光對情感和視覺體驗的影響有關。

（四）結論

在研究中，通過被試的主觀疲勞表現和腦電相關事件電位（ERP）分析兩種方法，探討了色光交互對視覺疲勞的影響。腦電數據顯示，有色光交互相比無色光交互，色光交互給用戶帶來更多的視覺刺激，大腦會分配更多加工資源用于處理視覺信息，從而延長用戶疲勞潛伏時長。經過對比分析發現，偏好色光相較于其他色光，能夠引發用戶情感響應，從而緩解用戶疲勞。此外，對不同色光條件下的視覺疲勞時長分析發現，紫色、藍色、青色的疲勞潛伏時長最長，而紅色和綠色最短，紅色盡管可以引起更強的視覺刺激，但是長時間的強視覺刺激，也會讓用戶視覺疲勞。綜合而言，通過綜合主觀和客觀方法，研究深刻揭示了色光在視覺疲勞方面的差異，為不同應用場景下色光的應用提供了有益的理論支持。

四、色光交互設計應用

六自由度并聯機構能夠模擬復雜的運動狀態，因此被廣泛地用于模擬具有運動特征的平臺或者產品，例如，本文利用六自由度并聯智能座艙來幫助用戶能夠體驗真實的駕駛情境。座艙內部配備有高清顯示屏、環繞音響系統、舒適的座椅以及智能傳感設備，這些設備共同為用戶提供了沉浸式的駕駛環境。通過六自由度并聯智能座艙能夠在實驗室環境中精確模擬真實的駕駛情境，使得用戶無需面對實際道路駕駛的風險，可以在完全安全的條件下感受各種駕駛樂趣。本文在六自由度并聯智能座艙基礎之上進行了設計優化，加入了色光交互設計，如圖8 所示。色光交互系統通過改變光線的顏色和亮度來模擬更加真實的駕駛場景，還能通過影響用戶的情緒狀態和視覺感受來提高用戶的心理和生理的舒適度，減少長時間的駕駛帶來的疲勞和壓力。

基于對智能座艙用戶疲勞模式的深入研究以及對腦電波動的分析，發現在50秒到80秒的時間范圍內，θ波的平均功率顯著上升，這個時間段內，用戶的視覺負荷和疲勞感增長最為顯著。持續的視覺刺激會導致認知資源的持續消耗，當這種消耗達到一定閾值時，用戶會開始感受到明顯的疲勞。50秒到80秒這個時間段可能代表了多數用戶視覺認知資源消耗的“臨界點”。通過主動干預措施，在用戶感受到視覺疲勞之前預先調整色光，來避免視覺疲勞進一步加劇。因此，在色光交互設計中，控制色光跳轉在50秒到80秒這個區間可以有效避免單一色光帶來的用戶視覺疲勞。再結合不同色光給用戶帶來不同的視覺疲勞表現和色光的特性。例如，設計每個色光的持續時間為紅色50 秒、橙色70秒、黃色60秒、綠色50 秒、青色70秒、藍色80秒、紫色 80秒。可以更好地調控用戶在智能座艙中的視覺疲勞，提供更為舒適、愉悅的乘坐體驗。

在六自由度并聯智能座艙的色光交互設計中，共設計3種模式：普適模式、偏好模式、隨機模式，如表2所示。“普適模式”為基礎模式，能夠滿足更廣泛的需求，適用于大多數的用戶。色光持續時長按照紅色50秒、橙色70秒、黃色60秒、綠色50秒、青色70秒、藍色80秒、紫色 80秒的時間變換交互。“偏好模式”中，用戶需要設置自己的偏好色光，在色光交互過程中，主要以用戶的偏好色光為主，同時為了避免長時間的單一色光引起的視覺疲勞，引入其他色光作為輔助調節。“隨機模式”會有隨機色光和隨機的交互方式產生，隨機模式通過色光交互和多樣化的交互方式，創造出獨特且令人驚喜的體驗，每種色光持續最低限度時長50秒。根據Lan L的相關研究，光照度會對人的情緒和創造力產生顯著影響[15]。為了最大程度地調動用戶的情感狀態和提高創造力，在緩解視覺疲勞的色光交互設計中，選擇了300lx的照度水平。

結語

通過對智能座艙色光交互在腦電和時長上的疲勞表現研究，揭示了不同色光對用戶視覺疲勞影響的差異性，參照各色光交互“時長”對智能座艙進行色光交互設計可以更好地減輕用戶在座艙中的視覺疲勞。為今后智能座艙中色光交互設計優化提供了數據支持，并提出了針對各色光交互時長的設計建議。盡管這些建議目前僅為基于實驗數據的推薦應用，其在實際設計實踐中的效果仍需進一步觀察和評估。