姚樹寅 王洋 馮斌 張健 冉云飛

（1.中國(guó)重型汽車集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心，濟(jì)南 250102；2.重慶長(zhǎng)安汽車工程研究總院，重慶 401120；3.西安雙特智能傳動(dòng)有限公司，西安 710119；4.弗吉亞（重慶）汽車部件系統(tǒng)有限公司，重慶 401122）

1 前言

視野分析和校核是汽車研發(fā)過程中的重要工作。隨著三維設(shè)計(jì)軟件的廣泛應(yīng)用，通過3D數(shù)據(jù)可以立體直觀地進(jìn)行駕駛員視野的相關(guān)分析，這也是目前普遍采用的方法。這種方式立體、形象、準(zhǔn)確度高，但作圖過程較為復(fù)雜，由于大量3D數(shù)據(jù)的存在，生成的線條在一定程度上干擾視覺，表達(dá)略顯凌亂。而理論上，如果不考慮光線眩目或亮度不足等外部影響，在視線可及距離內(nèi)，目標(biāo)物是否方便可見通常只與其所處的視線角度及其所占據(jù)的視角大小有關(guān)。McIsaac,E.J.等在1995年就提出了一種二維角度坐標(biāo)圖[1]的表達(dá)方法。

二維角度坐標(biāo)圖能夠包含大量的視野信息，只需2個(gè)角度參數(shù)即可表達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，與3D數(shù)據(jù)分析相比，在表達(dá)上更加簡(jiǎn)潔直觀。但到目前，其研究和應(yīng)用較少，原因包括：生成二維角度坐標(biāo)圖需進(jìn)行大量數(shù)據(jù)換算，如無合適的方法，將非常繁瑣耗時(shí)；利用3D數(shù)據(jù)可直接實(shí)現(xiàn)各種視野分析，視野分析通常只針對(duì)某一局部開展，也就不需要生成完整的二維角度坐標(biāo)圖。本文嘗試開發(fā)了二維角度坐標(biāo)圖的快速生成程序，并對(duì)其應(yīng)用可行性進(jìn)行了探討。

2 二維角度坐標(biāo)法

McIsaac,E.J.等提出，人的視野可理解為如圖1所示模型[2]。人處在以人眼為中心的球體內(nèi)部，目標(biāo)點(diǎn)分布在球面上，人通過眼睛及頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)找到目標(biāo)點(diǎn)。這樣，以眼點(diǎn)（球心）為參考，連接每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的視線都可以通過水平方位角和縱向舉升角來表示，從而將三維直角點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維角度坐標(biāo)，簡(jiǎn)化問題。

圖1 二維角度坐標(biāo)法視野模型

需要注意的是，該模型是建立在視野分析校核只與角度有關(guān)的基礎(chǔ)上的，因?yàn)榉轿唤呛团e升角只能確定視線的方向，并不能完全確定目標(biāo)點(diǎn)位置。這是與實(shí)際情況相符的：對(duì)于方位角和舉升角相同，與眼點(diǎn)距離不同的目標(biāo)點(diǎn)，人只能觀察到近處的目標(biāo)點(diǎn)，而較遠(yuǎn)的目標(biāo)點(diǎn)則會(huì)被遮擋。

同樣，在進(jìn)行人機(jī)布置和視野分析時(shí)，特別是直接視野分析時(shí)，通常只需分析目標(biāo)物是否在舒適視角區(qū)域內(nèi)、是否被遮擋等，只需確定視線方向即可進(jìn)行，因此，通過方位角和舉升角可以實(shí)現(xiàn)對(duì)視野的分析。

二維角度坐標(biāo)圖中包含著大量的視野信息，但其生成過程需要大量的數(shù)據(jù)計(jì)算。因此，開發(fā)二維角度坐標(biāo)圖的自動(dòng)生成程序，對(duì)視野分析非常有利，對(duì)于二維角度坐標(biāo)法的應(yīng)用和推廣也具有積極意義。

3 二維角度坐標(biāo)圖自動(dòng)生成程序開發(fā)分析

3.1 輸入條件

程序的核心功能是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的坐標(biāo)變換。方程未知的曲線無法進(jìn)行坐標(biāo)變換，因此需將待變換的曲線進(jìn)行點(diǎn)化處理：在曲線上提取足夠的點(diǎn)，利用這些點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換。

同時(shí)，完成坐標(biāo)變換需要參考點(diǎn)，視野分析的參考點(diǎn)一般是眼點(diǎn)。因此，輸入條件需要包含眼點(diǎn)及待轉(zhuǎn)換的目標(biāo)點(diǎn)或曲線。

3.2 變換規(guī)則

為保持與乘用車規(guī)定坐標(biāo)系[3]和駕駛員習(xí)慣一致，規(guī)定從眼點(diǎn)沿車輛X軸負(fù)方向作射線，其方位角、舉升角均為零，其右側(cè)目標(biāo)的方位角為正，左側(cè)目標(biāo)的方位角為負(fù)，其上方目標(biāo)的舉升角為正，下方目標(biāo)的舉升角為負(fù)。

在三維直角坐標(biāo)系中，設(shè)眼點(diǎn)E1的坐標(biāo)為(x1,y1,z1)，目標(biāo)點(diǎn)P的坐標(biāo)為(xP,yP,zP)。令x=xP-x1、y=yP-y1、z=zP-z1，則P相對(duì)于E1的坐標(biāo)為(x,y,z)。則方位角θ、舉升角Φ分別為：

3.3 輸出結(jié)果

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的直接結(jié)果為二維坐標(biāo)點(diǎn)，將這些點(diǎn)連接成曲線，就完成了對(duì)輸入曲線的變換。

4 程序代碼

根據(jù)上述分析結(jié)果，本文采用CATIA V5R21作為設(shè)計(jì)工具，以VB6.0作為開發(fā)工具完成程序開發(fā)。

下面對(duì)程序部分核心代碼進(jìn)行說明，本文省去了部分對(duì)象的定義語句，保留了功能代碼。

4.1 調(diào)用CATIA程序

首先調(diào)用CATIA程序，并將CATIA當(dāng)前活動(dòng)文檔的part文件定義為工作對(duì)象[4]。

4.2 提取輸入條件

采取的輸入方式是選擇輸入，這種方法便于控制輸入對(duì)象。

4.3 將選擇的對(duì)象加入列表

將上節(jié)中選擇的對(duì)象加入List1，以便循環(huán)引用。

4.4 將選中的線點(diǎn)化

將List1中的線點(diǎn)化，每條線上提取大量點(diǎn)以便將輸入的線進(jìn)行坐標(biāo)變換。

4.5 坐標(biāo)變換

根據(jù)前文對(duì)目標(biāo)點(diǎn)和眼點(diǎn)等的坐標(biāo)設(shè)定及推導(dǎo)的變換規(guī)則，將上面提取的點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換。

4.6 新建點(diǎn)

按變換后的坐標(biāo)值新建點(diǎn)。

4.7 連結(jié)曲線

將坐標(biāo)變換后的點(diǎn)連結(jié)成曲線，就得到了曲線的二維角度坐標(biāo)圖。

4.8 更改曲線屬性

為便于區(qū)分最終結(jié)果，可以將曲線的部分屬性進(jìn)行調(diào)整。

4.9 生成程序

在VB程序界面，引用CATIA資源庫，將代碼進(jìn)行打包生成程序，得到的程序界面如圖2所示。

圖2 程序界面

5 程序運(yùn)行及結(jié)果討論

5.1 程序運(yùn)行步驟

a.運(yùn)行CATIA軟件，打開存儲(chǔ)待轉(zhuǎn)換曲線的文件。本文以輸入圖3所示的各邊界曲線為例。

圖3 待轉(zhuǎn)換的特征曲線示意

b.運(yùn)行二維角度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序，并將相關(guān)參數(shù)輸入程序界面。需指出的是：每條輸入線上點(diǎn)的數(shù)目會(huì)影響最終得到的曲線，點(diǎn)的數(shù)目越多，轉(zhuǎn)換得到的曲線越精確。

c.在CATIA程序界面選擇需轉(zhuǎn)換的曲線，程序自動(dòng)開始運(yùn)算。

d.程序自動(dòng)完成運(yùn)算，生成的二維角度坐標(biāo)圖結(jié)果見圖4。

圖4 轉(zhuǎn)換結(jié)果

5.2 結(jié)果驗(yàn)證

為檢驗(yàn)這種方法的準(zhǔn)確性，從3D圖中任取一點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，3D圖和二維角度坐標(biāo)圖中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的方位角和舉升角測(cè)量結(jié)果相同，表明這種轉(zhuǎn)換方式是正確的。

5.3 結(jié)果分析

從轉(zhuǎn)換得到的二維角度坐標(biāo)圖（圖4）中，還可以得到以下結(jié)論：

a.二維角度坐標(biāo)圖能夠直觀地區(qū)分單眼視野、雙眼視野以及雙單眼視野[5]。對(duì)分析單眼盲區(qū)、雙眼盲區(qū)（如A柱障礙角、組合儀表可視性）等非常方便。

圖6所示為按照SAE1050中規(guī)定的方法和利用二維角度坐標(biāo)圖獲得的左A柱障礙角的分析結(jié)果，兩種方法分析結(jié)論一致，但后者的表達(dá)更加直觀，并能分別測(cè)得該位置左、右眼點(diǎn)的左A柱單目障礙角。

b.二維角度坐標(biāo)圖直接地表達(dá)出各特征所占據(jù)的視角大小，并評(píng)價(jià)其可視性。

圖5 曲線上任意點(diǎn)的方位角和舉升角結(jié)果對(duì)比

圖6 左A柱障礙角的分析結(jié)果對(duì)比

在圖4中，可以直接估讀出組合儀表在左眼視野中所占據(jù)的視野角度范圍：方位角約-15°~20°，舉升角約-25°~-15°。

圖7所示為以3D數(shù)據(jù)方法和利用二維角度坐標(biāo)圖測(cè)得的組合儀表可視性分析結(jié)果。其中，θL為左側(cè)方位角；θR為右側(cè)方位角；ФT為上方舉升角；ФD為下方舉升角。估讀得到的結(jié)果與兩種方法分析得到的結(jié)果一致，但在二維角度坐標(biāo)圖中可以直接測(cè)量得到，過程大大簡(jiǎn)化。

圖7 左眼點(diǎn)組合儀表視野分析結(jié)果對(duì)比

c.二維角度坐標(biāo)圖反映了距離對(duì)視角大小的影響。如對(duì)稱布置的左、右前門玻璃，由于與眼點(diǎn)的距離不同，在視野中所占據(jù)的視角范圍也不相同。

5.4 二維角度坐標(biāo)圖的其他作用

二維角度坐標(biāo)圖能夠幫助理解不同因素對(duì)視野的影響。不同人體及其位置的眼點(diǎn)視野角度如圖8所示，它清晰地反映了人體位置和高度對(duì)視野的影響：對(duì)于同一人體，座椅前端位置前方視野更好，但組合儀表等內(nèi)部視野舒適性不如座椅后端；對(duì)于同一位置的不同人體，高百分位人體的下視野優(yōu)于低百分位人體，上視野和組合儀表等內(nèi)部視野較低百分位人體差。二維角度坐標(biāo)圖反映的這些信息，對(duì)于理解和輔助視野設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)作用。

圖8 不同人體及其位置的眼點(diǎn)視野角度

6 結(jié)束語

二維角度坐標(biāo)圖包含大量的視野信息，為汽車視野分析提供了除3D數(shù)據(jù)方法外的另一種選擇，且分析更為簡(jiǎn)便，在表達(dá)上更為直觀。二維角度坐標(biāo)圖的自動(dòng)計(jì)算和生成，省去了繁瑣的操作過程，便于二維角度坐標(biāo)圖的應(yīng)用。

[1]McIsaac EJ,BhiseVD.Automotive Field of View Analy?sis Using Polar Plots[C]//International Congress&Ex?position.1995.

[2]Bhise V D.汽車設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員.汽車駕駛員前方視野要求及測(cè)量方法：GB 11562—2014[S].2014.

[4[胡挺，吳立軍.CATIA二次開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[5]Society of Automotive Engineers.Describing and Mea?suring the Driver's Field of View:J1050[S].2003.