飛機(jī)座艙多功能顯示器自適應(yīng)亮度曲線

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(jī)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(yáng)直射時(shí)，座艙內(nèi)照度可達(dá)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(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取與辨認(rèn)各種飛行顯示信息，及時(shí)準(zhǔn)確地操縱飛機(jī)，這要求座艙顯示能根據(jù)環(huán)境光的不同自行進(jìn)行控制。座艙的顯示器是飛行員與飛機(jī)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(duì)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(diǎn)，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(jī)屏幕亮度對(duì)視覺搜索績(jī)效的影響，并提出在室外不同的環(huán)境照度下手機(jī)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(jī)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(duì)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(píng)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)LumiCam 1300 color，用于測(cè)試座艙多功能顯示器字符亮度水平；照度計(jì)Fluke 941，用于測(cè)試座艙環(huán)境照度水平；可移動(dòng)暗室，由太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)環(huán)境照度水平共有13個(gè)，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(gè)顯示器、警告燈/信號(hào)燈板、控制板等，本研究的對(duì)象為多功能顯示器，其相對(duì)位置如圖1所示，多功能顯示器顯示界面為飛行計(jì)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(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)前不接觸實(shí)驗(yàn)用材料。

1.3 實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，主試確定13種環(huán)境照明水平對(duì)應(yīng)的光源設(shè)備調(diào)節(jié)值，照度計(jì)測(cè)試點(diǎn)分布在多功能顯示器周邊，共5個(gè)點(diǎn)，如圖2所示，取其平均值進(jìn)行標(biāo)定。

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

主試向被試講解實(shí)驗(yàn)流程，并要求被試完成兩組練習(xí)實(shí)驗(yàn)來熟悉實(shí)驗(yàn)任務(wù)和程序，之后被試進(jìn)行30分鐘暗適應(yīng)。主試調(diào)節(jié)第一個(gè)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(gè)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(shí)驗(yàn)后，主試復(fù)現(xiàn)顯示器調(diào)節(jié)值，測(cè)量字符亮度，采用成像亮度計(jì)，連續(xù)測(cè)試3次，最后取3次測(cè)試的平均值。再計(jì)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(gè)照明水平下的調(diào)節(jié)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

統(tǒng)計(jì)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(fèi)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(jí)數(shù)增長(zhǎng)，心理量成算術(shù)級(jí)數(shù)增長(zhǎng)[7]。因此在建立顯示器自適應(yīng)亮度曲線模型時(shí)，自變量為以自然數(shù)為底的環(huán)境照度對(duì)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(shí)驗(yàn)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(jì)學(xué)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(shì)符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期，即當(dāng)環(huán)境照度成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，顯示器亮度呈指數(shù)增長(zhǎng)，其變化趨勢(shì)符合以往趙曉楓等人的研究。因各個(gè)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(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)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(huì)對(duì)人的認(rèn)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(huì)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。因此，在后續(xù)研究中，將依據(jù)本研究結(jié)果設(shè)置多個(gè)顯示器亮度水平，引入認(rèn)知任務(wù)等進(jìn)行亮度曲線的優(yōu)化和驗(yàn)證研究。

3 結(jié)論

本文針對(duì)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(dòng)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(yàn)證，可在后續(xù)應(yīng)用研究中不斷迭代優(yōu)化。