徐 敏，曾慶兵，邱婧婧

(上海航空電器有限公司，上海 201101)

引言

現(xiàn)代高性能飛機在全天候氣象條件下使用愈加頻繁，照射在座艙中的環(huán)境光照度跨度非常大，在太陽直射時，座艙內(nèi)照度可達105lx，在無月晴朗的夜晚，環(huán)境光照度可低至10-3lx[1]。為了使飛行員能夠在不同的環(huán)境光照明條件下，實時準確地獲取與辨認各種飛行顯示信息，及時準確地操縱飛機，這要求座艙顯示能根據(jù)環(huán)境光的不同自行進行控制。座艙的顯示器是飛行員與飛機系統(tǒng)和作戰(zhàn)信息的重要交互接口。隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，座艙的顯示系統(tǒng)朝著大屏幕化、綜合化、信息化和智能化的方向發(fā)展[2]。因此，本研究將座艙多功能顯示器作為研究對象，開展其自適應(yīng)亮度控制曲線研究。

趙曉楓等[3]研究了夜間暗環(huán)境下駕駛員讀取夜視車載平顯信息的亮度感知特點，并建立了夜視車載平顯的亮度調(diào)節(jié)模型，符合冪指數(shù)小于1的冪函數(shù)模型,環(huán)境照度范圍是0.1～3 200 lx。張艷霞等[4]研究了10 000 lx、20 000 lx、30 000 lx三種環(huán)境照度以及手機屏幕亮度對視覺搜索績效的影響，并提出在室外不同的環(huán)境照度下手機屏幕亮度的最優(yōu)值設(shè)置參數(shù)，結(jié)果顯示環(huán)境照度和手機屏幕亮度的最優(yōu)值是線性變化的。Guterman等[5]研究了屏幕和環(huán)境亮度對數(shù)字圖像偏好的影響，環(huán)境亮度范圍在15～200 cd/m2之間，結(jié)果發(fā)現(xiàn)屏幕中等亮度水平的評分最高，環(huán)境亮度的影響微弱。武童瑤等[6]發(fā)現(xiàn)在人工照明環(huán)境下手機閱讀舒適性隨閱讀面照度的不斷增加而先升高后下降。以上研究結(jié)論并不完全一致，主要原因是實驗變量取值范圍和間距的差異。本研究旨在探索多功能顯示器適宜亮度參數(shù)隨全天候光環(huán)境變化的規(guī)律，實驗環(huán)境照度變化范圍在0.1～10 000 lx之間。

1 方法

1.1 儀器和設(shè)備

彩色亮度計LumiCam 1300 color，用于測試座艙多功能顯示器字符亮度水平；照度計Fluke 941，用于測試座艙環(huán)境照度水平；可移動暗室，由太陽燈光源設(shè)備、拂曉/黃昏模擬設(shè)備、月光模擬設(shè)備等組成，用于模擬全天候自然光環(huán)境，本研究實驗環(huán)境照度水平共有13個，分別為：0.1 lx、0.5 lx、1 lx、5 lx、10 lx、50 lx、100 lx、500 lx、1 000 lx、5 000 lx、10 000 lx、50 000 lx、100 000 lx；全尺寸模擬座艙，包括多個顯示器、警告燈/信號燈板、控制板等，本研究的對象為多功能顯示器，其相對位置如圖1所示，多功能顯示器顯示界面為飛行計劃界面。

圖1 模擬座艙示意圖Fig.1 Layout of simulator flight deck

1.2 被試

被試人數(shù)15人，年齡為28歲～37歲，校正視力1.0以上，色覺正常。被試不參加實驗準備，實驗前不接觸實驗用材料。

1.3 實驗任務(wù)

被試在不同的環(huán)境光照條件下，調(diào)節(jié)多功能顯示器的亮度至三種水平，分別是認清顯示設(shè)備顯示字符所需的最低亮度、最合適亮度和可接受的最高亮度。

1.4 實驗步驟

實驗準備階段，主試確定13種環(huán)境照明水平對應(yīng)的光源設(shè)備調(diào)節(jié)值，照度計測試點分布在多功能顯示器周邊，共5個點，如圖2所示，取其平均值進行標定。

圖2 環(huán)境照度測試點Fig.2 Test points of environmental illuminance

主試向被試講解實驗流程，并要求被試完成兩組練習實驗來熟悉實驗任務(wù)和程序，之后被試進行30分鐘暗適應(yīng)。主試調(diào)節(jié)第一個環(huán)境照明水平，即0.1 lx，被試完成多功能顯示器亮度調(diào)節(jié)任務(wù)10次，主試記錄被試每次調(diào)節(jié)后的多功能顯示器調(diào)節(jié)值。之后，主試調(diào)節(jié)下一個環(huán)境照明水平，照度值依次遞增，直至所有照明水平的亮度調(diào)節(jié)任務(wù)都完成。

被試完成實驗后，主試復(fù)現(xiàn)顯示器調(diào)節(jié)值，測量字符亮度，采用成像亮度計，連續(xù)測試3次，最后取3次測試的平均值。再計算被試10次調(diào)節(jié)的亮度值的平均值，作為該被試在單個照明水平下的調(diào)節(jié)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

統(tǒng)計被試在13種環(huán)境照度條件下，所調(diào)節(jié)的第50百分位(P50)的最低亮度、合適亮度和最高亮度值，以及最低亮度、合適亮度和最高亮度的平均值，剔除異常值后的結(jié)果如表1所示。

韋伯-費希納定律表明人體心理感覺量的增加落后于物理刺激量的增加，物理刺激量成幾何級數(shù)增長，心理量成算術(shù)級數(shù)增長[7]。因此在建立顯示器自適應(yīng)亮度曲線模型時，自變量為以自然數(shù)為底的環(huán)境照度對數(shù)值，因變量為第50百分位的適宜亮度，擬合曲線如圖3所示，擬合方程如式(1)所示,式中L為顯示器亮度，E為環(huán)境照度。結(jié)果顯示，調(diào)整后R2為0.949，即模型可以解釋實驗數(shù)據(jù)中94.9%的變異量，方差分析F值為223.496，p小于0.01，即模型具有統(tǒng)計學意義。

表1 被試在13種照境照度下調(diào)節(jié)的顯示器亮度值

圖3 顯示器自適應(yīng)亮度曲線Fig.3 Adaptive brightness curve of display

(1)

顯示器調(diào)節(jié)亮度隨環(huán)境照度的變化趨勢符合實驗預(yù)期，即當環(huán)境照度成幾何級數(shù)增長，顯示器亮度呈指數(shù)增長，其變化趨勢符合以往趙曉楓等人的研究。因各個研究的環(huán)境照度變量取值范圍存在差異，曲線模型并不完全一致。

本研究選取中位數(shù)作為亮度值的代表值，與平均值相比，它不受極大或極小值的影響，在一定程度上緩解小樣本可能帶來偏差的風險。通過對比平均值和P50亮度曲線，也發(fā)現(xiàn)了P50曲線能更好地描述被試調(diào)節(jié)值與環(huán)境照度之間的變化關(guān)系。

本研究主要依據(jù)被試的主觀感受獲得了顯示器自適應(yīng)亮度曲線，顯示器亮度除了影響人的舒適度之外，還會對人的認知任務(wù)工效產(chǎn)生影響。李浩然等的研究發(fā)現(xiàn)，車載顯示亮度的增加會一定程度上增加夜間駕駛的危險以及司機的疲勞程度。因此，在后續(xù)研究中，將依據(jù)本研究結(jié)果設(shè)置多個顯示器亮度水平，引入認知任務(wù)等進行亮度曲線的優(yōu)化和驗證研究。

3 結(jié)論

本文針對環(huán)境光大幅度變化條件下，需要飛行員不斷調(diào)節(jié)座艙多功能顯示器，以滿足視覺需求的問題，開展多功能顯示器自動亮度曲線模型研究，不同環(huán)境條件下顯示器調(diào)節(jié)亮度存在顯著差異，顯示器調(diào)節(jié)亮度隨著環(huán)境亮度的增加而提高，擬合方程調(diào)整后確定系數(shù)為0.949。模型待工程應(yīng)用驗證，可在后續(xù)應(yīng)用研究中不斷迭代優(yōu)化。