客机驾驶舱视觉显示终端的舒适性亮度调光曲线研究

李天宇，孟莹莹，孙耀杰，杨 彪

(1.复旦大学光源与照明工程系，上海 200433；2.哈尔滨工业大学(深圳)建筑学院，广东 深圳 518000)

引言

目前，民用客机需要在昼夜交替、天气变换等复杂光环境下飞行，环境光的变化直接影响飞行员观察仪表动态，飞机驾驶舱的视觉环境是影响飞行安全的重要因素之一[1，2]。驾驶舱内传统的照明控制系统分为手动控制和时间控制等，操作简单直观，但便利性、智能化程度较低，过多地依赖操控人员，影响其专注度[3，4]。驾驶舱自动调光系统很好的解决了这个问题[3]。自动调光系统能根据环境光变化自动调节仪表亮度，使飞行员在任何光环境下都能清晰辨认仪表信息，保证了驾驶舱舒适的照明环境。例如，当光照传感器捕捉到的环境光发生变化时，如果显示器和仪表仪表盘能自动调节到一个舒适的水平，将可以有效提高视觉舒适度，保障良好的视觉环境[5，6]。

针对当前飞机驾驶舱内照明系统调控的局限问题，驾驶舱内自动调光系统的舒适性研究亟待展开，即通过传感器测得环境光照度与电压关系；环境光照度与显示器、仪表盘舒适亮度的视觉曲线关系。本研究旨在探讨在环境光变化过程中，显示器和仪表盘最舒适亮度，为飞机驾驶舱自动调光提供数据来源，缓解驾驶员视觉疲劳。

1 自动调光系统

自动调光系统操作流程:通过分布的传感器感受飞机驾驶舱内环境光照度的变化，将光信号转化为电信号，由计算机处理电信号之后，根据自动调光曲线输出相应的调节电压，驱动可调节的开关电源模块，从而调节各电源模块的输出电压，达到自动改变亮度[7]。自动调光逻辑过程如下：环境光→输入传感器信号→输出控制信号→显示单元发光[8]。其调光原理图如图1所示。

图1 驾驶舱自动调光系统原理图Fig.1 Schematic diagram of automatic dimming of the cockpit

驾驶舱自动调光系统需要通过光照传感器来检测驾驶舱内的环境光照度变化[9，10]。自动调光控制的响应时间应在 0.5～2 s的范围，为了实现更精准快速的自动调光，本研究将针对该问题进行实验设计和研究分析，确定环境光照度与显示器和仪表盘亮度之间的关系，找到人眼最舒适的显示器和仪表盘亮度，得到关系曲线。

2 实验方法

2.1 光环境设置

环境光照度与显示器和仪表盘亮度的舒适度调节实验将基于实验室环境搭建，采用多通路全光谱LED任意照明场景模拟光源建立照度可调节照明环境。对显示器和仪表盘亮度与环境光照度变化的实验。实验室选用的LED为实验室定制，任意照度、光谱可调，照明场景结构如图2所示。

图2 多通路LED模拟光源及实验照明场景Fig.2 Lighting booth used in experimental setting and arrangement of LED light sources

在LEDCube中，按指数递增的方式设置8个等级的环境光，照度依次为1、3.3、10、33、100、333、1 000、2 048 lx，这些环境光在实验中通过无线遥控切换不同照度的照明场景，用于模拟飞行过程中的真实环境光照度[11]，通过改变环境光照度条件来进行舒适性亮度调节实验。

2.2 视觉终端模拟

对于驾驶舱显示器的亮度，采用了电脑显示器作为显示单元来进行实验，分十级来控制显示器光源的亮度。对于驾驶舱仪表盘的亮度，采用镂空板模拟仪表盘。灯箱光照作为仪表盘的亮度。光照设置D65日光光谱调节模式，颜色采用标准规定的夜视兼容绿色，由 LEDCube 软件调节，显示器和仪表盘的实验设备如图3所示。

图3 显示器和仪表盘的实验设备Fig.3 The experimental equipment of monitor and dashboard

2.3 舒适度调节实验

实验将分别针对显示器和仪表盘部件，进行静态和动态两种调光视觉功效评估模拟，被试者参与试验，根据环境光的变化调节出最舒适的显示器和仪表盘亮度。

对于驾驶舱显示器的亮度，招募被测者根据环境光的变化来调试感受的显示器光源亮度级别，通过亮度计测出一到十级显示器的亮度。对于驾驶舱仪表盘的亮度，被测者根据环境光的变化来调试感受的仪表盘光源亮度百分比。

招募被试人员10名，平均年龄为25岁，经 Landolt 环测试，所有测试对象的视力或矫正视力正常。每名被测者在八个不同的环境光照度下进行显示器亮度实验和仪表盘亮度实验。在不同的环境光照度下调整出他们认为的最舒适的显示器和仪表盘亮度。完成整个实验过程进行了20个工作日。实验场景如图4所示。

图4 视觉终端光照舒适度实验场景Fig.4 The experiment process of adjust Visual Display Terminal

3 数据结果

在不同的光环境照度下，被试将调节显示器亮度调整至舒适的亮度。这个亮度被记录为舒适亮度。10名被试者分别测试 8 个环境光照度，共取得 80 个数据点。可得显示器和环境光照度实验数据如表 1 所示。可以得知，对于显示器舒适亮度，当环境光照度为 10 lx 时，平均舒适亮度约为 20 cd/m2，100 lx 时为 32 cd/m2，1 000 lx 时为 58 cd/m2。

表1 显示器-环境光照度数据

同时，在不同的环境光照度下，测试对象通过LEDCube软件将仪表盘亮度调整至舒适的亮度，并记录亮度数据(灯箱的亮度分布不均匀，使用亮度及测量了灯箱5个位置数据，取平均值作为记录亮度)。仪表盘和环境光照度数据如表2所示。可以得知，对于仪表盘舒适亮度，环境亮度为10 lx时平均舒适亮度约为47 cd/m2，100 lx时为120 cd/m2，1 000 lx时为331 cd/m2。

表2 仪表盘-环境光照度数据

依据心理物理学的费希纳定律，为了实现线性化调光，使感受亮度随时间线性增加或减小，必须使光源的实际亮度随时间以几何级数增加或减小，以弥补人眼对亮度感知的滞后。显示器亮度视觉曲线和仪表盘亮度视觉曲线分别如图5和图6所示，横轴的环境亮度以对数刻度表示，并制作拟合曲线。结果表明，当环境光照度增加时，显示器和仪表盘的舒适亮度均有提升，并且服从幂函数关系。从图中可以看出，在调光由暗变亮的过程中，采用“基于感受亮度的线性化调光算法”，感受显示器亮度和仪表盘亮度均随时间变化呈指数上升。

图5 显示器与环境光照度的关系结果Fig.5 The results of relationship of monitor and ambient illuminances

图6 仪表盘与环境光照度关系的结果Fig.6 The results of relationship of dashboard and ambient illuminances

实现线性化调光算法的关键是推导出环境光照度和感受亮度之间的函数关系。因此将横轴的环境光照度取对数，并做出模拟的函数曲线。函数法的好处在于不需要存储大量的数据，因此不需要太多的存储空间，当调光控制器的内存容量比较小时非常方便。

在实验中环境光照度最高为2 048 lx，而真实的环境光照度可能达到100 000 lx，曲线需要覆盖到驾驶舱能感受到的所有可能的光环境亮度，因此需要依据模拟曲线的函数关系将实验外推。另外还要根据显示器和仪表盘的最高亮度对所得曲线进行成比例调整。外推并调整之后得到显示器和仪表盘的自动调光视觉曲线如图7和图8所示。显示器的最大亮度为1 000 cd/m2不随环境光增长而饱和，但仪表盘的最大亮度为3.4 cd/m2，建议环境光处于高照度时全开，即当环境光大于1 000 lx时使仪表盘亮度达到饱和。

图7 显示器与环境光照度的舒适亮度曲线Fig.7 Preferred luminance curve of Monitor light against ambient illuminance

图8 仪表盘对环境光照度的舒适亮度曲线Fig.8 Preferred luminance curve of indicator light against ambient illuminance

实验心理学理论研究表明，心理感受量与实际的物理刺激量并不是线性对应，当物理量增加一倍时，心理量的增量不是一倍，而是落后于物理量的增加。因此在普通的调光过程中，若是由暗变亮，感受亮度开始变化比较快，而后面则逐步减慢；在由亮变暗的过程中则恰好相反。线性化调光基于心理感受量的特性，可以将感受亮度线性变化为目标，计算生成基于感受亮度的线性化调光曲线。

4 结论

本研究主要针对客机驾驶舱中视觉终端(显示器、仪表盘)的调光控制开展了研究，通过搭建实验室环境模拟真实场景，来测试不同环境光照变化下，视觉终端的舒适性亮度调节方法。环境光照度与显示器、仪表盘舒适亮度实验是研究的重点环节，通过被试实验可以得到舒适度最优调光曲线，结果分析可知，环境光照度增加时，显示器和仪表盘的舒适亮度更高，并且服从幂函数关系。同时根据曲线可以拟合视觉终端与环境光照度的关系及舒适亮度曲线函数表达式。

本研究结果可为客机驾驶舱自动调光照明系统提供数据参考，舒适性调节是自动调控策略的重要内容之一。本文后续的工作是研究环境光照与传感器光电特性关系，以及驾驶舱不同传感器布局对调光影响等问题。