李浩然，林燕丹

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

車載顯示是駕駛員在駕駛過程中的重要信息來源。隨著顯示技術(shù)和交互技術(shù)的發(fā)展，越來越多的功能被添加到車載顯示中。車速、導(dǎo)航信息和天氣等各種信息都集中顯示在顯示屏中。而與傳統(tǒng)的導(dǎo)光板顯示不同的是，車載顯示屏具有更高的亮度。另一方面，屏幕的尺寸也呈現(xiàn)出增長的趨勢。因此，當(dāng)駕駛員觀察屏幕的時(shí)候，會(huì)有更多的光進(jìn)入到駕駛員的眼睛里。在夜間駕駛過程中，駕駛員的視線會(huì)在道路和顯示屏之間來回切換。國際照明委員會(huì)(CIE)對路面亮度的要求僅為2 cd/m2，而顯示屏的亮度卻超過100 cd/m2[1]。這意味著道路和顯示屏之間會(huì)存在巨大的亮度差。根據(jù)人眼的特性，其存在三種工作狀態(tài)：明視覺、暗視覺以及中介視覺。當(dāng)駕駛員觀察前方道路的時(shí)候，眼睛是工作在中介視覺的狀態(tài)，而顯示屏所對應(yīng)的工作狀態(tài)為明視覺。在白天，亮度的變化僅僅會(huì)導(dǎo)致瞳孔尺寸的改變，但是在夜間，亮度改變還意味著眼睛中視細(xì)胞工作狀態(tài)的改變。在明視覺中，只有錐狀細(xì)胞在激活狀態(tài)，而在中介視覺中，部分桿狀細(xì)胞也會(huì)被激活[2-4]。但是在轉(zhuǎn)換過程中，細(xì)胞狀態(tài)的改變會(huì)花費(fèi)一定的時(shí)間。這也意味著駕駛員的實(shí)習(xí)在從顯示屏切換到路面的過程中，駕駛員并不能立刻適應(yīng)亮度的改變。盡管這一轉(zhuǎn)換過程并不長，但是還是會(huì)給道路安全帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。

在過往的研究中，焦淑蘭等[5-10]研究了人眼的對比度靈敏度和視場亮度之間的關(guān)系。然而，這一研究的重點(diǎn)并未落腳到轉(zhuǎn)換過程。因此，在本論文的研究中，我們把研究方向重點(diǎn)放在了人眼在轉(zhuǎn)換過程中的表現(xiàn)。我們探究了在觀察屏幕后視覺恢復(fù)時(shí)間和瞳孔尺寸的變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，隨著屏幕亮度的增加，被試需要花費(fèi)更長的時(shí)間來恢復(fù)視覺。把剎車距離納入考慮的因素，在車速不變的情況下，更長的恢復(fù)時(shí)間意味著更長的剎車距離。于此同時(shí)，瞳孔尺寸變化的程度也會(huì)隨之增加。這加劇了駕駛員的視疲勞。將這兩部分的因素綜合考慮，在車載顯示的設(shè)計(jì)過程中，屏幕的亮度必須加以限制。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。本?shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)是探究在觀察不同的顯示器后，人眼的恢復(fù)時(shí)間以及瞳孔尺寸的變化情況。

2)實(shí)驗(yàn)布局。我們搭建了特定的實(shí)驗(yàn)場景來模擬夜間駕駛的過程。模擬場景的布局如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)場景布局Fig.1 Simulated scene layout

在實(shí)驗(yàn)中，我們在一塊黑色的面板上張貼了四張朗道環(huán)作為觀察的目標(biāo)。被試需要從3.3 m的距離來觀察朗道環(huán)。朗道環(huán)的外徑為11.5 cm，其對應(yīng)的視角大小等同于從20 m的距離觀察道路標(biāo)志對應(yīng)的視角。顯示設(shè)備被放置于被試前方0.5 m處。在被試與朗道環(huán)之間還配置了風(fēng)擋。

3)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)中，我們使用了眼動(dòng)儀來記錄瞳孔尺寸的變化，眼動(dòng)儀的型號為tobii 1.0 其可以記錄瞳孔的尺寸和視線分布。同時(shí)，作為便攜式眼動(dòng)儀，其不會(huì)對駕駛員的視線造成影響。為了使瞳孔尺寸的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)中禁止佩戴眼鏡，包括隱形眼鏡。

考慮到目前的車載顯示產(chǎn)品并不支持調(diào)光的功能。因此我們選用了尺寸相當(dāng)?shù)钠桨咫娔X來代替車載顯示屏。顯示屏上顯示的內(nèi)容為一張導(dǎo)航圖片，用以模擬在實(shí)際駕駛過程中車載顯示上可能顯示的信息。顯示屏的亮度被分為11個(gè)等級。我們使用了成像亮度計(jì)來測量顯示屏的平均亮度。顯示屏的亮度范圍為6.9～234.3 cd/m2。其具體的亮度值如表1所示。

表1 顯示屏亮度

4)實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)中一共選用了12名被試。所有被試的裸眼視力都超過1.0。在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，被試會(huì)首先被要求確認(rèn)朗道環(huán)的方向以保證其可以在不佩戴眼睛的情況下識(shí)別視覺目標(biāo)。考慮到桿狀細(xì)胞的激活時(shí)間，在識(shí)別朗道環(huán)之前，被試會(huì)先經(jīng)歷10 min的暗適應(yīng)。

在確保被試的視力足夠后，我們可以開始正式實(shí)驗(yàn)。正式實(shí)驗(yàn)的過程如圖2所示。首先，被試需要保持眼睛閉合，在這段時(shí)間，實(shí)驗(yàn)者會(huì)隨機(jī)改變朗道環(huán)的開口方向。之后，被試需要直視顯示屏10 s，同時(shí)一段提示音會(huì)響起，提示音的持續(xù)時(shí)間同樣為10 s，因此提示音的結(jié)束可作為提醒被試向前看的標(biāo)志。在觀察屏幕期間，被試并不會(huì)知曉顯示屏的實(shí)際亮度。在被試開始觀察前方朗道環(huán)的同時(shí)，實(shí)驗(yàn)者開始計(jì)時(shí)。在確認(rèn)朗道環(huán)的開口方向之后，被試會(huì)向?qū)嶒?yàn)者示意并說出開口方向。實(shí)驗(yàn)者會(huì)記錄觀察時(shí)間以及準(zhǔn)確性。之后，被試需要重新閉上眼睛，而實(shí)驗(yàn)者則在這期間調(diào)整顯示屏的亮度以及朗道環(huán)的開口方向。實(shí)驗(yàn)中不斷重復(fù)上述過程直到所有的顯示屏亮度都被使用。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Experiment process

2 數(shù)據(jù)處理方法

盡管被試的視力都超過1.0，但是他們的觀察能力仍然存在一定的差異。與此同時(shí)，觀察者的觀察方式也會(huì)對觀察時(shí)間造成影響。因?yàn)槊饕曈X是中央視覺，而中介視覺和暗視覺都是周邊視覺，所以在暗環(huán)境中，如果被試采用斜視的觀察方式，他們將獲得更佳的觀察效果。在本實(shí)驗(yàn)中，我們真正關(guān)心的是恢復(fù)時(shí)間隨亮度改變的變化情況，因此觀察時(shí)間的絕對量并不是特別重要，相反，時(shí)間的相對量能夠更好地反映這一關(guān)系。如果直接使用絕對量來進(jìn)行分析，那些觀察能力相對弱的觀察者的觀察數(shù)據(jù)將會(huì)更大程度上決定實(shí)驗(yàn)結(jié)果。于此同時(shí)，采用絕對量也會(huì)使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布更加分散，也就使得觀察時(shí)間與屏幕亮度的關(guān)系更加不清晰?？紤]到以上方面，對于每個(gè)被試的數(shù)據(jù)，我們都進(jìn)行了歸一化的處理。

(1)

其中Tre為相對恢復(fù)時(shí)間；Tab為絕對恢復(fù)時(shí)間；Tmin為絕對恢復(fù)時(shí)間在所有亮度等級下的最小值；Tmax為絕對恢復(fù)時(shí)間在所有亮度等級下的最大值。

對于Tmin和Tmax，為了避免奇異值的影響，我們需要舍棄部分異常數(shù)據(jù)。處理方式是首先計(jì)算每個(gè)被試的數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，然后去除偏移量超過三倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)。

對于瞳孔尺寸數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)本身就是一個(gè)相對量。所以我們并不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的處理。但瞳孔尺寸的數(shù)據(jù)存在其他問題，由于人眼狀態(tài)的不穩(wěn)定性，即使在同一亮度下，瞳孔的尺寸也會(huì)發(fā)生微小的改變，這會(huì)給數(shù)據(jù)帶來很大的噪聲。為了弱化噪聲的影響，我們需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。濾波的過程實(shí)際上是對原始數(shù)據(jù)做了一次卷積。在本實(shí)驗(yàn)中，我們選取高斯核作為濾波器的核函數(shù)。高斯核是基于高斯分布的一種核函數(shù)。在卷積過程中，對于每一個(gè)數(shù)據(jù)，其數(shù)值取決于其本身與相鄰數(shù)據(jù)的加權(quán)平均，高斯核的權(quán)重分布與高斯分布類似，高斯函數(shù)如下所示：

(2)

通常，我們會(huì)選取高斯分布的特殊形式，也就是正態(tài)分布即

其函數(shù)分布的形狀如圖3所示。

圖3 不同參數(shù)設(shè)定下高斯分布Fig.3 Gaussian distribution under different parameters

在本實(shí)驗(yàn)中，μ的值被設(shè)定為0，也就是說，對于每個(gè)數(shù)據(jù)，在卷積過程中都是以其自身為中心值。σ2是數(shù)值與卷積核的尺寸相關(guān)。如果卷積核的尺寸被設(shè)定為5，那么σ2的數(shù)值需要設(shè)定為1，相應(yīng)的卷積核的權(quán)重分別是0.054, 0.024, 0.4, 0.024, 0.054。如果卷積核的尺寸設(shè)定為3，那么σ2的值需要設(shè)定為0.2。其對應(yīng)的權(quán)重分布為0.073, 0.89, 0.073。在本實(shí)驗(yàn)中，我們選取的卷積核的尺寸為5.

由于高斯函數(shù)的傅里葉變換仍然是高斯函數(shù)，因此高斯函數(shù)可以構(gòu)成一個(gè)平滑的低通濾波器。在經(jīng)過高斯濾波之后，大部分的高頻噪聲會(huì)被去除，瞳孔尺寸的曲線也會(huì)更加平滑。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 恢復(fù)時(shí)間

對于每個(gè)亮度等級，我們都獲得了12個(gè)恢復(fù)時(shí)間的數(shù)據(jù)。如上所述，其時(shí)間的分布是分散的，因此我們需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，歸一化處理后如圖4所示。

圖4 恢復(fù)時(shí)間在不同亮度下的歸一化數(shù)值Fig.4 Normalized data of recovery time under different luminance level

從圖4中可以看出，從某種程度上，恢復(fù)時(shí)間會(huì)隨著屏幕亮度的增加而增加。為了使這一關(guān)系更加清晰，我們利用SPSS對數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的處理，以獲得其平均值和置信區(qū)間。其處理結(jié)果如圖5所示。

圖5 恢復(fù)時(shí)間與亮度等級之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between recovery time and luminance level

在這一過程中，數(shù)據(jù)的置信區(qū)間被設(shè)定為95%，結(jié)合屏幕亮度的定標(biāo)數(shù)據(jù)，我們可以看出，隨著屏幕亮度等級的提高，觀察者需要更多的時(shí)間來恢復(fù)視力，但當(dāng)屏幕亮度超過100 cd/m2后，增長的速率將會(huì)降低。考慮剎車距離，恢復(fù)時(shí)間越長，駕駛員需要的反應(yīng)時(shí)間就越多。在同一速度水平下，觀察了更高亮度的駕駛員會(huì)需要更長的時(shí)間來發(fā)現(xiàn)前方的物體。因此，也就會(huì)有更長的剎車距離，這增加了事故的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 瞳孔尺寸

瞳孔尺寸的數(shù)據(jù)通過眼動(dòng)儀獲取。數(shù)據(jù)的值為瞳孔尺寸與被試定標(biāo)時(shí)瞳孔尺寸數(shù)據(jù)的比值，也就是說，我們不需要再對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的處理。在實(shí)驗(yàn)過程中，眼動(dòng)儀對數(shù)據(jù)的采集是連續(xù)的，即使在眼睛閉合過程中也會(huì)嘗試采集數(shù)據(jù)。因此在最終的數(shù)據(jù)中會(huì)包含大量的零數(shù)據(jù)。我們使用MATLAB去除了值為零的數(shù)據(jù)。然后將剩下的數(shù)據(jù)按照亮度水平排列從而獲得各個(gè)亮度等級下瞳孔尺寸隨時(shí)間變化的情況?？紤]到在舍棄掉部分?jǐn)?shù)據(jù)之后時(shí)間并不是連續(xù)的，因此橫軸僅僅代表每個(gè)數(shù)據(jù)的序號，但是在一定程度上，其仍然可以反映數(shù)據(jù)的先后順序。

圖6 去異常值后瞳孔尺寸數(shù)據(jù)Fig.6 Pupil size data after NAN dropped

如圖6所示，原始數(shù)據(jù)被噪聲嚴(yán)重影響。為了是尺寸變化的趨勢更加明顯，我們利用第三章所述的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波。圖7是濾波后的結(jié)果，從圖中我們可以看出大部分的噪聲都被去除了，因此我們可以更加清晰地觀測瞳孔尺寸的變化情況。

在圖7中，每一個(gè)谷都代表了觀察屏幕的過程。因?yàn)閿?shù)據(jù)是按照亮度等級排列的，我們可以看出，隨著亮度等級的增長，在觀察屏幕過程中的瞳孔尺寸會(huì)越來越小。與恢復(fù)時(shí)間相同的是，當(dāng)屏幕亮度超過100 cd/m2之后，瞳孔尺寸的變化將不再明顯。

圖7 濾波后瞳孔尺寸數(shù)據(jù)Fig.7 Pupil size data after filtering

另一方面，在觀察朗道環(huán)的過程中，也就是圖中的峰段?？梢园l(fā)現(xiàn)在開始的過程中會(huì)存在一個(gè)更高的峰。而隨著屏幕亮度的增加，這個(gè)峰的值會(huì)變得越來越高，而第二個(gè)峰的值基本沒有什么變化。對此我們的猜測是隨著亮度等級的增加，會(huì)有更少的桿狀細(xì)胞處于工作狀態(tài)，考慮到桿狀細(xì)胞的激活需要時(shí)間，在觀察者剛開始觀察目標(biāo)的時(shí)候，可用的桿狀細(xì)胞的數(shù)量更少。因此眼睛會(huì)需要更多的光來觀察事物，也就意味著瞳孔的尺寸需要更大，而隨著時(shí)間的推移，更多的桿狀細(xì)胞處于激活狀態(tài)，瞳孔的尺寸也將回歸至正常值。

總體而言，隨著屏幕亮度的增加，瞳孔尺寸的變化會(huì)更大。假定其變化時(shí)間是接近的，對于眼睛而言，睫狀肌需要更大程度的縮放。如果這樣的過程在夜間駕駛中反復(fù)出現(xiàn)，這會(huì)使得駕駛員更加疲勞。

4 結(jié)論

在本文中，我們設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)來探究在亮度轉(zhuǎn)變過程中車載顯示的亮度對于駕駛員視覺恢復(fù)時(shí)間和瞳孔尺寸變化的影響。我們采用了多種數(shù)學(xué)方法來使得數(shù)據(jù)更加清晰。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以得到兩個(gè)結(jié)論：①隨著屏幕亮度的增加，恢復(fù)時(shí)間會(huì)同步增加，但這一趨勢在屏幕亮度超過100 cd/m2之后會(huì)減緩。②隨著屏幕亮度的增加，人眼瞳孔尺寸的變化情況會(huì)增加，在屏幕亮度超過100 cd/m2之后這一趨勢同樣會(huì)減緩。根據(jù)以上兩點(diǎn)結(jié)論以及人眼的工作機(jī)制，我們可以知道，車載顯示亮度的增加會(huì)在一定程度上增加夜間駕駛的危險(xiǎn)以及司機(jī)的疲勞程度。

同時(shí)，我們同樣有一些發(fā)現(xiàn)，但這些發(fā)現(xiàn)暫時(shí)無法用已有的理論框架來進(jìn)行解釋。例如，在觀察目標(biāo)的過程中，瞳孔的尺寸會(huì)先上升到一個(gè)很高的值，隨后下降至一個(gè)更低的水平。上述的峰值會(huì)隨著屏幕亮度的增加而增加。目前我們僅僅可以猜測這與桿狀細(xì)胞的工作狀態(tài)相關(guān)，但我們?nèi)匀恍枰由钊氲膶?shí)驗(yàn)來通過生理數(shù)據(jù)進(jìn)行闡述。

下一步，我們會(huì)對車載顯示的亮度進(jìn)行更加深入的研究，尋找最適合駕駛員的屏幕亮度設(shè)計(jì)，從而使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以被進(jìn)一步應(yīng)用到車載顯示的設(shè)計(jì)之中。