李天宇，孟瑩瑩，孫耀杰，楊 彪

(1.復旦大學光源與照明工程系，上海 200433；2.哈爾濱工業(yè)大學(深圳)建筑學院，廣東 深圳 518000)

引言

目前，民用客機需要在晝夜交替、天氣變換等復雜光環(huán)境下飛行，環(huán)境光的變化直接影響飛行員觀察儀表動態(tài)，飛機駕駛艙的視覺環(huán)境是影響飛行安全的重要因素之一[1，2]。駕駛艙內(nèi)傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)分為手動控制和時間控制等，操作簡單直觀，但便利性、智能化程度較低，過多地依賴操控人員，影響其專注度[3，4]。駕駛艙自動調(diào)光系統(tǒng)很好的解決了這個問題[3]。自動調(diào)光系統(tǒng)能根據(jù)環(huán)境光變化自動調(diào)節(jié)儀表亮度，使飛行員在任何光環(huán)境下都能清晰辨認儀表信息，保證了駕駛艙舒適的照明環(huán)境。例如，當光照傳感器捕捉到的環(huán)境光發(fā)生變化時，如果顯示器和儀表儀表盤能自動調(diào)節(jié)到一個舒適的水平，將可以有效提高視覺舒適度，保障良好的視覺環(huán)境[5，6]。

針對當前飛機駕駛艙內(nèi)照明系統(tǒng)調(diào)控的局限問題，駕駛艙內(nèi)自動調(diào)光系統(tǒng)的舒適性研究亟待展開，即通過傳感器測得環(huán)境光照度與電壓關系；環(huán)境光照度與顯示器、儀表盤舒適亮度的視覺曲線關系。本研究旨在探討在環(huán)境光變化過程中，顯示器和儀表盤最舒適亮度，為飛機駕駛艙自動調(diào)光提供數(shù)據(jù)來源，緩解駕駛員視覺疲勞。

1 自動調(diào)光系統(tǒng)

自動調(diào)光系統(tǒng)操作流程:通過分布的傳感器感受飛機駕駛艙內(nèi)環(huán)境光照度的變化，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，由計算機處理電信號之后，根據(jù)自動調(diào)光曲線輸出相應的調(diào)節(jié)電壓，驅(qū)動可調(diào)節(jié)的開關電源模塊，從而調(diào)節(jié)各電源模塊的輸出電壓，達到自動改變亮度[7]。自動調(diào)光邏輯過程如下：環(huán)境光→輸入傳感器信號→輸出控制信號→顯示單元發(fā)光[8]。其調(diào)光原理圖如圖1所示。

圖1 駕駛艙自動調(diào)光系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of automatic dimming of the cockpit

駕駛艙自動調(diào)光系統(tǒng)需要通過光照傳感器來檢測駕駛艙內(nèi)的環(huán)境光照度變化[9，10]。自動調(diào)光控制的響應時間應在 0.5～2 s的范圍，為了實現(xiàn)更精準快速的自動調(diào)光，本研究將針對該問題進行實驗設計和研究分析，確定環(huán)境光照度與顯示器和儀表盤亮度之間的關系，找到人眼最舒適的顯示器和儀表盤亮度，得到關系曲線。

2 實驗方法

2.1 光環(huán)境設置

環(huán)境光照度與顯示器和儀表盤亮度的舒適度調(diào)節(jié)實驗將基于實驗室環(huán)境搭建，采用多通路全光譜LED任意照明場景模擬光源建立照度可調(diào)節(jié)照明環(huán)境。對顯示器和儀表盤亮度與環(huán)境光照度變化的實驗。實驗室選用的LED為實驗室定制，任意照度、光譜可調(diào)，照明場景結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多通路LED模擬光源及實驗照明場景Fig.2 Lighting booth used in experimental setting and arrangement of LED light sources

在LEDCube中，按指數(shù)遞增的方式設置8個等級的環(huán)境光，照度依次為1、3.3、10、33、100、333、1 000、2 048 lx，這些環(huán)境光在實驗中通過無線遙控切換不同照度的照明場景，用于模擬飛行過程中的真實環(huán)境光照度[11]，通過改變環(huán)境光照度條件來進行舒適性亮度調(diào)節(jié)實驗。

2.2 視覺終端模擬

對于駕駛艙顯示器的亮度，采用了電腦顯示器作為顯示單元來進行實驗，分十級來控制顯示器光源的亮度。對于駕駛艙儀表盤的亮度，采用鏤空板模擬儀表盤。燈箱光照作為儀表盤的亮度。光照設置D65日光光譜調(diào)節(jié)模式，顏色采用標準規(guī)定的夜視兼容綠色，由 LEDCube 軟件調(diào)節(jié)，顯示器和儀表盤的實驗設備如圖3所示。

圖3 顯示器和儀表盤的實驗設備Fig.3 The experimental equipment of monitor and dashboard

2.3 舒適度調(diào)節(jié)實驗

實驗將分別針對顯示器和儀表盤部件，進行靜態(tài)和動態(tài)兩種調(diào)光視覺功效評估模擬，被試者參與試驗，根據(jù)環(huán)境光的變化調(diào)節(jié)出最舒適的顯示器和儀表盤亮度。

對于駕駛艙顯示器的亮度，招募被測者根據(jù)環(huán)境光的變化來調(diào)試感受的顯示器光源亮度級別，通過亮度計測出一到十級顯示器的亮度。對于駕駛艙儀表盤的亮度，被測者根據(jù)環(huán)境光的變化來調(diào)試感受的儀表盤光源亮度百分比。

招募被試人員10名，平均年齡為25歲，經(jīng) Landolt 環(huán)測試，所有測試對象的視力或矯正視力正常。每名被測者在八個不同的環(huán)境光照度下進行顯示器亮度實驗和儀表盤亮度實驗。在不同的環(huán)境光照度下調(diào)整出他們認為的最舒適的顯示器和儀表盤亮度。完成整個實驗過程進行了20個工作日。實驗場景如圖4所示。

圖4 視覺終端光照舒適度實驗場景Fig.4 The experiment process of adjust Visual Display Terminal

3 數(shù)據(jù)結(jié)果

在不同的光環(huán)境照度下，被試將調(diào)節(jié)顯示器亮度調(diào)整至舒適的亮度。這個亮度被記錄為舒適亮度。10名被試者分別測試 8 個環(huán)境光照度，共取得 80 個數(shù)據(jù)點?？傻蔑@示器和環(huán)境光照度實驗數(shù)據(jù)如表 1 所示。可以得知，對于顯示器舒適亮度，當環(huán)境光照度為 10 lx 時，平均舒適亮度約為 20 cd/m2，100 lx 時為 32 cd/m2，1 000 lx 時為 58 cd/m2。

表1 顯示器-環(huán)境光照度數(shù)據(jù)

同時，在不同的環(huán)境光照度下，測試對象通過LEDCube軟件將儀表盤亮度調(diào)整至舒適的亮度，并記錄亮度數(shù)據(jù)(燈箱的亮度分布不均勻，使用亮度及測量了燈箱5個位置數(shù)據(jù)，取平均值作為記錄亮度)。儀表盤和環(huán)境光照度數(shù)據(jù)如表2所示。可以得知，對于儀表盤舒適亮度，環(huán)境亮度為10 lx時平均舒適亮度約為47 cd/m2，100 lx時為120 cd/m2，1 000 lx時為331 cd/m2。

表2 儀表盤-環(huán)境光照度數(shù)據(jù)

依據(jù)心理物理學的費希納定律，為了實現(xiàn)線性化調(diào)光，使感受亮度隨時間線性增加或減小，必須使光源的實際亮度隨時間以幾何級數(shù)增加或減小，以彌補人眼對亮度感知的滯后。顯示器亮度視覺曲線和儀表盤亮度視覺曲線分別如圖5和圖6所示，橫軸的環(huán)境亮度以對數(shù)刻度表示，并制作擬合曲線。結(jié)果表明，當環(huán)境光照度增加時，顯示器和儀表盤的舒適亮度均有提升，并且服從冪函數(shù)關系。從圖中可以看出，在調(diào)光由暗變亮的過程中，采用“基于感受亮度的線性化調(diào)光算法”，感受顯示器亮度和儀表盤亮度均隨時間變化呈指數(shù)上升。

圖5 顯示器與環(huán)境光照度的關系結(jié)果Fig.5 The results of relationship of monitor and ambient illuminances

圖6 儀表盤與環(huán)境光照度關系的結(jié)果Fig.6 The results of relationship of dashboard and ambient illuminances

實現(xiàn)線性化調(diào)光算法的關鍵是推導出環(huán)境光照度和感受亮度之間的函數(shù)關系。因此將橫軸的環(huán)境光照度取對數(shù)，并做出模擬的函數(shù)曲線。函數(shù)法的好處在于不需要存儲大量的數(shù)據(jù)，因此不需要太多的存儲空間，當調(diào)光控制器的內(nèi)存容量比較小時非常方便。

在實驗中環(huán)境光照度最高為2 048 lx，而真實的環(huán)境光照度可能達到100 000 lx，曲線需要覆蓋到駕駛艙能感受到的所有可能的光環(huán)境亮度，因此需要依據(jù)模擬曲線的函數(shù)關系將實驗外推。另外還要根據(jù)顯示器和儀表盤的最高亮度對所得曲線進行成比例調(diào)整。外推并調(diào)整之后得到顯示器和儀表盤的自動調(diào)光視覺曲線如圖7和圖8所示。顯示器的最大亮度為1 000 cd/m2不隨環(huán)境光增長而飽和，但儀表盤的最大亮度為3.4 cd/m2，建議環(huán)境光處于高照度時全開，即當環(huán)境光大于1 000 lx時使儀表盤亮度達到飽和。

圖7 顯示器與環(huán)境光照度的舒適亮度曲線Fig.7 Preferred luminance curve of Monitor light against ambient illuminance

圖8 儀表盤對環(huán)境光照度的舒適亮度曲線Fig.8 Preferred luminance curve of indicator light against ambient illuminance

實驗心理學理論研究表明，心理感受量與實際的物理刺激量并不是線性對應，當物理量增加一倍時，心理量的增量不是一倍，而是落后于物理量的增加。因此在普通的調(diào)光過程中，若是由暗變亮，感受亮度開始變化比較快，而后面則逐步減慢；在由亮變暗的過程中則恰好相反。線性化調(diào)光基于心理感受量的特性，可以將感受亮度線性變化為目標，計算生成基于感受亮度的線性化調(diào)光曲線。

4 結(jié)論

本研究主要針對客機駕駛艙中視覺終端(顯示器、儀表盤)的調(diào)光控制開展了研究，通過搭建實驗室環(huán)境模擬真實場景，來測試不同環(huán)境光照變化下，視覺終端的舒適性亮度調(diào)節(jié)方法。環(huán)境光照度與顯示器、儀表盤舒適亮度實驗是研究的重點環(huán)節(jié)，通過被試實驗可以得到舒適度最優(yōu)調(diào)光曲線，結(jié)果分析可知，環(huán)境光照度增加時，顯示器和儀表盤的舒適亮度更高，并且服從冪函數(shù)關系。同時根據(jù)曲線可以擬合視覺終端與環(huán)境光照度的關系及舒適亮度曲線函數(shù)表達式。

本研究結(jié)果可為客機駕駛艙自動調(diào)光照明系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)參考，舒適性調(diào)節(jié)是自動調(diào)控策略的重要內(nèi)容之一。本文后續(xù)的工作是研究環(huán)境光照與傳感器光電特性關系，以及駕駛艙不同傳感器布局對調(diào)光影響等問題。