文學(xué) 薛志剛 林啟權(quán) 李落星 潘羅

（1.湘潭大學(xué)，湘潭 411105；2.湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082；3.長(zhǎng)安歐尚汽車(chē)研究院，重慶 400020）

主題詞：中控屏 SPEOS 防眩目 仿真精度 日光眩光概率

1 前言

隨著互聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)的發(fā)展，觸摸式中控屏取代傳統(tǒng)的按鍵式小顯示屏已成為主流設(shè)計(jì)。然而，大屏幕在陽(yáng)光照射下容易產(chǎn)生眩光現(xiàn)象，直接影響駕駛員視覺(jué)舒適性以及獲取中控屏顯示面板上的有效信息和實(shí)施準(zhǔn)確的駕駛操作。可見(jiàn)，中控屏的防眩目分析對(duì)安全駕駛有不可忽視的作用。

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)防眩目仿真分析的研究較少。Jacques Delacour等人[1]應(yīng)用SPEOS軟件對(duì)汽車(chē)駕駛員的視野進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)了駕駛環(huán)境下的視覺(jué)舒適性、散光和眩目情況。周恩臨等人[2]以某車(chē)型為例，采用SPEOS軟件開(kāi)展了駕駛艙內(nèi)鍍鉻內(nèi)飾件的眩光危害分析，得出相應(yīng)的防眩光設(shè)計(jì)方案。盡管SPEOS虛擬仿真軟件在航空、列車(chē)及汽車(chē)領(lǐng)域的防眩目設(shè)計(jì)方面都得到了認(rèn)可和應(yīng)用[3-6]，但國(guó)內(nèi)基于SPEOS的汽車(chē)視覺(jué)仿真應(yīng)用還不成熟，其仿真精度也達(dá)不到防眩目量化評(píng)估的要求。

為此，本文基于SPEOS光學(xué)仿真軟件對(duì)汽車(chē)靜態(tài)駕駛視野中的中控屏進(jìn)行防眩目仿真分析。主要研究了眼點(diǎn)位置、環(huán)境光學(xué)數(shù)據(jù)輸入和材質(zhì)光學(xué)屬性對(duì)汽車(chē)中控屏防眩目仿真精度的影響。

2 防眩目仿真方法及眩光評(píng)估模型

2.1 防眩目仿真方法

應(yīng)用SPEOS軟件進(jìn)行防眩目仿真是以視光學(xué)的基本原理和相應(yīng)的算法為基礎(chǔ)，建立接近人眼視覺(jué)感受的視覺(jué)仿真模型，依賴(lài)強(qiáng)大的光學(xué)仿真計(jì)算能力，從駕駛員坐姿駕駛位的眼點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行視野內(nèi)的光學(xué)仿真并評(píng)估其眩光情況，進(jìn)而為整車(chē)的防眩目設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供指導(dǎo)。

以某SUV車(chē)型為例，駕駛員視覺(jué)仿真模型如圖1所示，其仿真基本流程如圖2所示。

圖1 駕駛員視覺(jué)仿真模型

圖2 仿真基本流程

2.2 仿真眩光評(píng)估模型及計(jì)算

汽車(chē)駕駛室內(nèi)的眩光主要由內(nèi)部光亮部件在日光照射下造成的亮度不均產(chǎn)生，本文采用Wienold[7]提出的專(zhuān)門(mén)用于評(píng)估日光眩光概率（Daylight Glare Probability，DGP）的模型來(lái)評(píng)估仿真結(jié)果的眩光情況[7]：

式中，Ev為人眼垂直照度，可在仿真結(jié)果中直接獲??；Ls為眩光源亮度，取仿真結(jié)果中所篩選的眩光區(qū)域亮度的平均值；ωs為光源立體角；P為光源位置指數(shù)。

光源立體角可以通過(guò)簡(jiǎn)化公式計(jì)算[8]：

式中，A為光源幾何中心與眼點(diǎn)連線的法平面上的投影面積；L為光源中心到人眼的距離。

對(duì)位置指數(shù)P，本文采用GUTH位置指數(shù)[8]：

式中，α為包含視線和光源的平面與通過(guò)視線的垂面的夾角；β為人眼和光源的連線與視線的夾角。

為實(shí)現(xiàn)仿真中眩光的量化評(píng)估，采用VB 6.0對(duì)SPEOS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)以獲取目標(biāo)參數(shù)，并利用MATLAB對(duì)提取的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得到相應(yīng)的DGP，其獲取過(guò)程如圖3所示。

圖3 DGP值獲取過(guò)程

3 仿真精度影響因素研究

3.1 眼點(diǎn)位置

從眼點(diǎn)出發(fā)的視野能夠直接代表某駕駛員群體的視區(qū)，也是汽車(chē)視野設(shè)計(jì)的參照依據(jù)，所以仿真中眼點(diǎn)位置的設(shè)定直接影響仿真結(jié)果的精度。

3.1.1 眼點(diǎn)

眼點(diǎn)是綜合考慮車(chē)身內(nèi)、外視野與駕駛員操控行為耦合關(guān)系的統(tǒng)計(jì)值，常用的設(shè)計(jì)參考點(diǎn)有：眼橢圓[9]、V點(diǎn)、E點(diǎn)等，眼橢圓及眼點(diǎn)如圖4a所示。本文考慮統(tǒng)計(jì)角度和個(gè)體優(yōu)化角度的區(qū)別來(lái)進(jìn)行眼點(diǎn)選取，采用RAMSIS眼點(diǎn)，如圖4b所示，通過(guò)在RAMSIS軟件中導(dǎo)入駕駛室?guī)缀文Ｐ停賹⑾鄳?yīng)百分位三維人體模型進(jìn)行坐姿擺放，進(jìn)而得到相應(yīng)百分位人體眼點(diǎn)位置及人眼視野方向。

圖4 駕駛員眼點(diǎn)

3.1.2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

一組（10人）第95百分位身高的性能評(píng)估試驗(yàn)人員坐到實(shí)車(chē)駕駛位置，自然駕駛坐姿下觀察中控屏，并各拍照記錄下所看到的畫(huà)面，再共同進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，選取一張代表該車(chē)型第95百分位人體的中控顯示視野。

將數(shù)模導(dǎo)入SPEOS中，分別進(jìn)行該車(chē)型第95百分位人體不同眼點(diǎn)位置下的中控視覺(jué)仿真，仿真與試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同眼點(diǎn)位置下的仿真和試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)量并對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果的中控屏各眩目區(qū)域占屏比例，結(jié)果如圖6所示。圖6中，側(cè)窗A區(qū)域?yàn)榍皞?cè)窗玻璃進(jìn)光眩目區(qū)域，側(cè)窗B區(qū)域?yàn)榻?jīng)座椅等車(chē)身部件遮擋的后側(cè)窗進(jìn)光眩目區(qū)域，天窗C區(qū)域?yàn)樘齑斑M(jìn)光眩目區(qū)域。各眩目區(qū)域所占中控屏比例測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6 中控屏各眩目區(qū)域

表1 中控屏各眩目區(qū)域所占比例 %

由表1可以發(fā)現(xiàn)，RAMSIS眼點(diǎn)的中控屏視覺(jué)仿真與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。為驗(yàn)證RAMSIS其他人體眼點(diǎn)的準(zhǔn)確性，繼續(xù)采用相同方法對(duì)第50百分位及第5百分位的人體進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其RAMSIS眼點(diǎn)仿真與試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，表2所示為各眩目區(qū)域所占中控屏比例測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖7 第50、第5百分位人體RAMSIS眼點(diǎn)仿真和試驗(yàn)結(jié)果

表2 不同RAMSIS眼點(diǎn)中控屏各眩目區(qū)域占比 %

從上述仿真與試驗(yàn)結(jié)果可知，不同百分位人體RAMSIS眼點(diǎn)均可準(zhǔn)確仿真，在防眩目仿真中選擇RAMSIS眼點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算比較合理。

3.2 環(huán)境光學(xué)數(shù)據(jù)

3.2.1 高動(dòng)態(tài)范圍圖像

SPEOS軟件提供了一個(gè)以高動(dòng)態(tài)范圍圖像（High Dynamic Range Imaging，HDRI）格式文件作為數(shù)字化外部環(huán)境輸入的接口，通過(guò)定義其相應(yīng)環(huán)境光即可使模擬物體表現(xiàn)出類(lèi)似真實(shí)人眼中的視覺(jué)效果。

然而，人眼的視覺(jué)動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)高于目前的成像設(shè)備，而將真實(shí)環(huán)境亮度具體標(biāo)定到高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）照片中，其動(dòng)態(tài)范圍的不匹配將無(wú)法滿足HDRI環(huán)境的真實(shí)亮度需求，加之常規(guī)HDRI制作設(shè)備如水晶球等價(jià)格昂貴，所以本文采用一種新的HDRI環(huán)境貼圖制作方式，解決上述問(wèn)題的同時(shí)可保證HDRI輸入文件具有一定的準(zhǔn)確性。

3.2.2 HDRI制作

對(duì)需要仿真的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，采用設(shè)備包括：魚(yú)眼鏡頭、單反相機(jī)及遙控式可旋轉(zhuǎn)相機(jī)支架等，將相機(jī)置于駕駛員眼點(diǎn)離地高度位置，并進(jìn)行遙控拍攝，如圖8所示。在各方向拍攝3張不同曝光度的14 bit的raw格式照片并標(biāo)定好一定的曝光度，再用專(zhuān)業(yè)圖像軟件進(jìn)行合成，生成與環(huán)境場(chǎng)景照明效果相近的HDRI環(huán)境貼圖，如圖9所示。

圖8HDR圖像拍攝

圖9HDRI環(huán)境貼圖

3.2.3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

以亮度偽色圖分布來(lái)對(duì)比衡量仿真與試驗(yàn)的接近程度。采用軟件自帶的通用外部環(huán)境與實(shí)時(shí)輸入HDRI的外部環(huán)境進(jìn)行中控屏區(qū)域的視覺(jué)仿真，試驗(yàn)則采用與仿真視野一致的HDR技術(shù)拍攝。中控屏區(qū)域的仿真與試驗(yàn)結(jié)果亮度偽色圖分布如圖10所示，并將亮度閾值都設(shè)為1 400 cd/m2進(jìn)行對(duì)比，從圖10可以看出，采用HDRI實(shí)時(shí)輸入的外部環(huán)境仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果盡管在亮度及其分布范圍上有一定偏差，但與采用普通外部環(huán)境的仿真結(jié)果相比，更為接近試驗(yàn)結(jié)果?？梢?jiàn)，在基于SPEOS的視覺(jué)仿真中采用HDRI實(shí)時(shí)輸入外部環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真能在一定程度上提高仿真精度。

3.3 材質(zhì)光學(xué)屬性

為提高光學(xué)布置以及光學(xué)效果等內(nèi)飾視覺(jué)效果模擬精度，提供準(zhǔn)確的光學(xué)屬性數(shù)據(jù)支持，即獲取目標(biāo)艙體內(nèi)部材料光學(xué)屬性設(shè)定參數(shù)，也是虛擬仿真過(guò)程中的重點(diǎn)之一。

3.3.1 光線計(jì)算方法

SPEOS采用雙向反射分布函數(shù)（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF）來(lái)表征物體表面的光學(xué)屬性，它描述一定條件下反射光的輻射亮度和入射光的輻射照度的比值，從而定義反射表面的光度特性。其幾何關(guān)系如圖11所示[10-11]：dA為反射表面小單元；dω0和dω1為立體角角元；θ0和θ1分別為反射光線和入射光線的仰角；φ0和φ1分別為反射光線和入射光線的方位角。

雙向反射分布函數(shù)為：

式中，L0為輻射亮度；E1為輻射照度；dΦ為單位輻射通量。

圖10 中控屏區(qū)域的亮度偽色圖分布

圖11 BRDF函數(shù)幾何關(guān)系

本文利用OMS2測(cè)量?jī)x采集BRDF數(shù)據(jù)生成駕駛室內(nèi)各材質(zhì)屬性的BDRF文件，如圖12所示。

3.3.2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

以?xún)x表板為研究對(duì)象，利用創(chuàng)鑫CX-L88型亮度計(jì)測(cè)量?jī)x表板上相對(duì)較明亮區(qū)域中的6個(gè)位置點(diǎn)的亮度值，如圖13所示；對(duì)軟件中儀表板分別附屬實(shí)時(shí)采集的BDRF光學(xué)屬性和軟件簡(jiǎn)單自定義的基本光學(xué)屬性，并在保證與試驗(yàn)條件一致的情況下對(duì)兩種儀表板進(jìn)行仿真，再?gòu)姆抡娼Y(jié)果中直接測(cè)量與試驗(yàn)相同的6個(gè)位置點(diǎn)的亮度值。仿真和試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖12 材料BRDF屬性的獲取

圖13 試驗(yàn)測(cè)量位置點(diǎn)

圖14 試驗(yàn)與仿真亮度測(cè)量值

由圖14可知，采用附屬了BRDF材質(zhì)屬性的仿真結(jié)果總能比較準(zhǔn)確地接近試驗(yàn)結(jié)果，相對(duì)于簡(jiǎn)單定義材質(zhì)屬性的仿真在準(zhǔn)確度上有很大的提高。因此，準(zhǔn)確的材質(zhì)光學(xué)屬性輸入也是提高仿真精度的有效途徑之一。

4 防眩目仿真精度的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證各因素對(duì)駕駛員視野防眩目仿真精度的影響，以該車(chē)型的駕駛室為試驗(yàn)對(duì)象，在一天中的8時(shí)到18時(shí)各整點(diǎn)時(shí)刻，對(duì)駕駛員觀察中控屏方向的視野眩目情況進(jìn)行仿真和試驗(yàn)。

4.1 仿真評(píng)估

根據(jù)前文對(duì)仿真過(guò)程中眼點(diǎn)、HDRI環(huán)境貼圖和BRDF等因素的研究分析，得出采用RAMSIS眼點(diǎn)、實(shí)時(shí)輸入HDRI和BRDF材質(zhì)附屬的仿真結(jié)果與實(shí)際視覺(jué)更為接近，而這3個(gè)因素對(duì)仿真精度的影響相互獨(dú)立，且優(yōu)化效果可累加。因此，選用兩種仿真方案來(lái)驗(yàn)證各因素對(duì)防眩目仿真精度的影響：采用普通的V點(diǎn)、普通外部環(huán)境貼圖和無(wú)BRDF的仿真，代表對(duì)各因素優(yōu)化前的防眩目仿真；采用RAMSIS眼點(diǎn)、輸入實(shí)時(shí)拍攝的HDRI貼圖和附屬具體BRDF材質(zhì)屬性的優(yōu)化仿真。分別對(duì)兩種方案下各整點(diǎn)時(shí)刻駕駛員觀察中控屏方向的視覺(jué)進(jìn)行仿真。對(duì)仿真結(jié)果XMP文件進(jìn)行眩光源區(qū)域判定、簡(jiǎn)化，再獲取DGP模型所需的計(jì)算參數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到相應(yīng)的DGP，兩方案在同一時(shí)刻的仿真結(jié)果如圖15所示。

圖15 優(yōu)化前、后視覺(jué)仿真結(jié)果

選擇與仿真一致百分位人體的被試人員10名（男性8人，女性2人），其年齡分布在20～30歲間，視力均在1.0以上，試驗(yàn)前調(diào)整到自然駕駛狀態(tài)，視線為自然觀察中控屏方向，在各整點(diǎn)時(shí)刻根據(jù)眩光感覺(jué)填寫(xiě)主觀評(píng)價(jià)量表。主觀評(píng)價(jià)量表采用0～7級(jí)，根據(jù)文獻(xiàn)[12]、文獻(xiàn)[13]調(diào)整主觀眩光感覺(jué)與DGP的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果如表3所示。

表3 主觀等級(jí)與DGP指數(shù)關(guān)系

4.2 評(píng)估結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)試驗(yàn)采集的主觀眩光DGP平均值及通過(guò)兩種仿真方法計(jì)算獲得的眩光DGP評(píng)估值如圖16所示。由圖16可以看出，試驗(yàn)與仿真結(jié)果隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同，在15時(shí)左右有眩光感覺(jué)，由于15時(shí)反射光線剛好可射入人眼而此時(shí)環(huán)境亮度也比較強(qiáng)；在亮度較低的8時(shí)、18時(shí)，仿真評(píng)估結(jié)果均較主觀評(píng)估低，而在亮度較高的13時(shí)至16時(shí)則剛好相反，但優(yōu)化后的仿真評(píng)估結(jié)果則明顯更接近主觀評(píng)估結(jié)果。

圖16 試驗(yàn)與優(yōu)化前、后的仿真評(píng)估結(jié)果

分別對(duì)主觀評(píng)價(jià)DGP數(shù)據(jù)與優(yōu)化前、后的DGP仿真結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，如圖17所示。優(yōu)化前、后的DGP仿真結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)平方值R2分別為0.893和0.952，表明優(yōu)化后的仿真結(jié)果總體趨勢(shì)與實(shí)際情況更為吻合，具有更高的精度。

圖17 試驗(yàn)與仿真眩光評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)系

5 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了基于SPEOS的汽車(chē)中控大屏幕防眩目仿真精度及其量化評(píng)估問(wèn)題，并引入日光眩光概率（DGP）實(shí)現(xiàn)汽車(chē)中控屏的眩光評(píng)估。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：在眼橢圓參考眼點(diǎn)、V點(diǎn)及RAMSIS眼點(diǎn)中，采用RAMSIS眼點(diǎn)進(jìn)行仿真計(jì)算較為準(zhǔn)確；采用HDRI實(shí)時(shí)輸入的外部環(huán)境仿真比采用通用外部環(huán)境仿真的亮度范圍精度更高；采用RAMSIS眼點(diǎn)、輸入實(shí)時(shí)拍攝的HDRI貼圖和附屬具體BRDF材質(zhì)屬性的仿真是提高防眩目仿真精度的有效途徑。