基于CATIA、SPEOS的某型轎車視覺舒適性分析與實車評價

王振

摘 要：近年來汽車制造商都在追求駕駛艙的未來科技感，儀表臺上的屏幕的數(shù)量和尺寸都在增加，且大多采用無帽檐設(shè)計，而內(nèi)飾上類似鍍鉻設(shè)計的亮條設(shè)計仍為主流。本文主要基于CATIA/SPEOS軟件，針對顯示屏及內(nèi)飾亮條造成的視覺舒適性問題，采用CATIA二次開發(fā)工具進(jìn)行光線追蹤分析，并對反光程度進(jìn)行SPEOS模擬仿真分析，最終進(jìn)行實車驗證及方案整改，提高駕駛員視覺舒適性。

關(guān)鍵詞：CATIA/ SPEOS;視覺舒適性;光線追蹤

0 引言

隨著電子技術(shù)的進(jìn)步及消費者對汽車顯示設(shè)備要求的提高，更大尺寸且更加高清的組合儀表、中控大屏，甚至是副駕側(cè)娛樂屏，都愈加頻繁地出現(xiàn)在新車型上。由于更加前衛(wèi)的儀表臺主題設(shè)計風(fēng)格，儀表臺上的內(nèi)飾亮條，多個屏幕的設(shè)計，都將成為干擾駕駛員視覺舒適性，造成炫目現(xiàn)象的潛在因素。影響駕駛員視覺舒適性的主要變現(xiàn)有以下三種情況。

（1）炫目/耀眼：

內(nèi)飾裝飾條或顯示屏，因表面反光率較高，造成鏡面反射效應(yīng)，將外界光線反射入人眼，對駕駛員造成炫目/耀眼現(xiàn)象。

（2）夜間投影成像：

在夜間，顯示屏或按鍵背光等發(fā)光源的光線經(jīng)風(fēng)窗玻璃反射進(jìn)入人眼，形成投影成像。

（3）日間成像成像：

在日間，外界光線進(jìn)入車內(nèi)經(jīng)顯示屏或裝飾條表面反射，再經(jīng)風(fēng)窗玻璃的二次反射進(jìn)入人眼，形成投影成像。影響駕駛員視覺舒適性的三種主要現(xiàn)象，光線反射原理如圖1所示。

1 視覺舒適性校核流程

如前所述，影響駕駛員視覺舒適性的原理及表現(xiàn)各有不同，但其中炫目及風(fēng)窗投影現(xiàn)象可以采用CATIA二次開發(fā)工具來進(jìn)行光線路徑追蹤校核，但此方法僅能判斷是否有炫目、成像等現(xiàn)象，卻無法判別其真實效果。綜上，本文提出一種汽車駕駛艙視覺舒適性校核流程，具體流程如圖2，并以此作為后續(xù)校核分析工作的思路指導(dǎo)。

2 基于CATIA、SPEOS對駕駛員視覺舒適性的計算機(jī)輔助分析

2.1 基于CATIA、SPEOS的光學(xué)模型搭建

2.1.1 賦予材料屬性及光學(xué)屬性

利用CATIA V5強(qiáng)大的建模及裝配能力，將車輛的儀表臺、儀表臺亮條、組合儀表、中控大屏、方向盤、A柱飾板、擋風(fēng)玻璃、門窗玻璃、車身外殼等相關(guān)零件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將上述零件各自整合為單個完整幾何體，以利于材料及光學(xué)屬性的賦予。同時為考慮中控大屏出廠產(chǎn)品在屏幕玻璃表面涂有AR防眩光涂層，需要為中控屏幕玻璃表面設(shè)置FOP表面光學(xué)屬性。

對照表1，分別賦予各零件模型材料屬性及光學(xué)屬性，并將CATIA顯示模式調(diào)整為含材料著色。

2.1.2 建立人眼傳感器

因RAMSIS眼點的視覺仿真與試驗結(jié)果較為吻合，且不同百分位的人體RAMSIS 眼點均可準(zhǔn)確仿真[1]。故本文在視覺仿真中選擇RAMSIS眼點進(jìn)行計算。

確定駕駛員眼點位置后，以此眼點位置設(shè)置人眼傳感器。根據(jù)《車輛人機(jī)工程學(xué)》[2]可知，人體綜合視野在垂直方向約為130°（視水平線上60°，下方70°），在水平方向約為120°，故將傳感器X、Y坐標(biāo)設(shè)置如圖3，且焦距設(shè)置為28.8 mm。

2.1.3 建立顯示屏光源

利用SPEOS中光源設(shè)置模塊，在顯示光源定義界面，設(shè)置顯示圖片的位置和大小，并載入標(biāo)準(zhǔn)RGB光譜文件。完成后的組合儀表及中控大屏如圖4所示。

2.1.4 建立外界環(huán)境源

利用SPEOS中光源設(shè)置模塊，在外界環(huán)境源定義界面，首先，選擇自然光Natural Light為光源類型，設(shè)置天空Zenith方向及太陽光方向。根據(jù)本文提出的視覺舒適性分析流程，此處太陽光方向以光線路徑追蹤分析結(jié)果來參考決定。其次，選擇環(huán)境模擬Environment，導(dǎo)入環(huán)境模擬文件SunRoad.hdr，完成后外界環(huán)境源設(shè)置如圖5所示。

2.2 基于CATIA的光線追蹤分析

2.2.1 炫目耀眼光線路徑追蹤分析

因外界光線可能來自任何方向，其中只有極少部分光線通過內(nèi)飾件及顯示屏表面的反射進(jìn)入駕駛員眼睛，故為減小分析工作量，本文采用視線跟蹤算法：由眼點位置發(fā)出光線，經(jīng)顯示屏及內(nèi)飾件表面反射后，追蹤光線的反射路徑，以此來判斷潛在有害光線的來源方向。

本文利用CATIA二次開發(fā)工具，對某型轎車的儀表臺亮條、組合儀表、中控大屏、副駕娛樂屏進(jìn)行了炫目耀眼光線追蹤分析。CATIA二次開發(fā)工具界面如圖6，需輸入光線發(fā)出點、反射面、反射面邊界線、邊界線上一點，工具自動生產(chǎn)由眼點發(fā)出光線，經(jīng)反射面反射后的光線路徑。經(jīng)工具校核，某型轎車結(jié)果如圖7。結(jié)果顯示：組合儀表及左側(cè)儀表臺亮條沒有炫目耀眼風(fēng)險，因光線路徑分別被天幕及門飾板遮擋，而天幕采用隔膜夾層，可過濾強(qiáng)光。右側(cè)儀表臺亮條、中控大屏和副駕娛樂屏都存在一定炫目耀眼風(fēng)險，光線路徑大致從右前門玻璃射入，但各個區(qū)域反光面積及光線角度不同。根據(jù)視覺舒適性校核流程，需對右側(cè)儀表臺亮條、中控大屏及副駕娛樂屏進(jìn)行SPEOS光線仿真分析，以判斷炫目耀眼程度。這三項的炫目耀眼仿真需單獨根據(jù)不同陽光直射方向分三種白天工況進(jìn)行。

2.2.2 投影成像光線路徑追蹤分析

如前文所述，投影成像雖然有日間和夜間成像兩種情況，且二者發(fā)光源并不相同，但二者仍有共通之處，即在被風(fēng)窗玻璃反射前，光線都由艙內(nèi)零件表面所射出，故可將艙內(nèi)零件表面作為發(fā)光面來進(jìn)行光線追蹤分析。利用CATIA二次開發(fā)環(huán)境，本文設(shè)計開發(fā)出一種投影成像校核工具，其操作界面如圖8。此工具需輸入發(fā)光面、眼點、反光面及控制點數(shù)量。其中控制點數(shù)量用來控制光線路徑的計算數(shù)量，但只有能夠計算出結(jié)果的光線路徑會被顯示，如果無投影成像現(xiàn)象，將不生成光線路徑。

經(jīng)工具校核，某型轎車反光成像結(jié)果如圖9，該型轎車在前風(fēng)擋玻璃及左右側(cè)窗玻璃均有出現(xiàn)反光成像現(xiàn)象，其中前風(fēng)擋玻璃僅有組合儀表形成了投影成像，距離B區(qū)距離70 mm，中控大屏及副駕娛樂屏成像區(qū)域均在內(nèi)飾非反光零件表面，故實際成像不存在。左側(cè)窗玻璃上：組合儀表、中控大屏、左側(cè)儀表亮條均有成像現(xiàn)象，其中組合儀表的成像位置有影響駕駛員左前方視野的潛在風(fēng)險。右側(cè)窗玻璃上：右側(cè)儀表臺亮條和副駕娛樂屏均有成像現(xiàn)象，但副駕娛樂屏成像面積較小，且位置非駕駛員視野重要區(qū)。另外，左、右側(cè)儀表臺亮條在兩側(cè)窗的成像區(qū)域與駕駛員觀察左右外后視鏡視線有部分重疊。根據(jù)視覺舒適性校核流程，需對左、右側(cè)儀表臺亮條、組合儀表在玻璃上的成像進(jìn)行SPEOS光線仿真分析，以判斷炫目耀眼程度，因左、右側(cè)儀表亮條在側(cè)窗的成像原理為光的漫反射，故各將其分為一種白天工況進(jìn)行仿真分析。而組合儀表在前風(fēng)擋及側(cè)窗玻璃上的成像情況為夜間成像，故將其單獨作為夜間工況進(jìn)行仿真分析。

2.3 基于SPEOS的視覺舒適性仿真分析

根據(jù)光線追蹤分析結(jié)果，可以將所有需要SPEOS仿真分析的工況分為5個工況，其中4個為白天工況，太陽光線分別從4個方向射入車內(nèi)，陽光方向根據(jù)光線追蹤分析來確定。夜間工況，需要分析組合儀表屏在前風(fēng)擋及側(cè)窗玻璃上的成像是否對駕駛員視野產(chǎn)生安全影響。其中一種工況下的仿真設(shè)置如圖10，其他工況仿真設(shè)置只是光源Source項選擇不同。仿真分析結(jié)果如圖11。

經(jīng)仿真分析，在夜間工況下，組合儀表在前風(fēng)擋玻璃、側(cè)窗玻璃上都有成像現(xiàn)象，且位置與投影成像光線追蹤工具所計算的結(jié)果基本一致。雖然成像較為明顯，但因成像位置均不在駕駛員重點視野區(qū)域內(nèi)，故評估成像對駕駛員視野無影響。

經(jīng)仿真分析可知，白天工況下的四種情況中，左、右兩側(cè)儀表臺亮條將外界光線經(jīng)漫反射后，在左、右兩側(cè)窗玻璃上都產(chǎn)出了成像，且成像位置與駕駛員觀察外后視鏡視野方向重合，容易造成對駕駛員側(cè)后方視野不利影響。而中控大屏因玻璃表面有防眩光涂層屏，并無造成炫目耀眼。副駕娛樂屏和儀表臺右側(cè)亮條雖然對右側(cè)來向的陽光進(jìn)行了反射，但因反射光線強(qiáng)度不足，沒有對駕駛員造成炫目耀眼現(xiàn)象。

對于光線直射造成的中控大屏顯示內(nèi)容可視可讀性，本文參考標(biāo)準(zhǔn)《CIE145-2002》及《ISO15008》，這兩項標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮環(huán)境光亮度，背景光亮度，以及本身顯示字符亮度，最終以“視覺對比度C”作為量化評判參數(shù)：

其中Lb為背景亮度，Ltarget為目標(biāo)字符亮度。根據(jù)實際情況可將視覺對比度的使用工況分為三種。具體可讀可視性評判標(biāo)準(zhǔn)如表2。

利用SPEOS的Virtual Human Vision Lab能，對中控大屏反光區(qū)域進(jìn)行采樣分析，此時中控大屏反光區(qū)域的顯示內(nèi)容視覺對比度為0.72到0.81之間，符合表2中可讀可視性要求，故判定當(dāng)陽光直射時，中控大屏上顯示內(nèi)容仍然可讀可視。

3 實車驗證及整改措施

結(jié)合前述分析結(jié)果，為了對仿真結(jié)果進(jìn)行實車驗證，在日間、夜間分別將車輛停放在與仿真條件相同的光線條件下，在各光線條件下，前風(fēng)擋及側(cè)窗玻璃上產(chǎn)生的成像現(xiàn)象均與仿真分析一致。實車成像效果如圖12。

經(jīng)實車評價，組合儀表在前風(fēng)擋及側(cè)窗的成像位置在駕駛員主要關(guān)注區(qū)域之外，評判反光成像可接受。因白天工況下，儀表臺亮條在側(cè)窗玻璃上的成像對外后視鏡視野有影響，在車輛試制后期，對亮條表面材質(zhì)進(jìn)行了整改，即將亮條改為磨砂表面，從而有效降低了反光成像現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文工作圍繞某型轎車的駕駛員視覺舒適性為研究內(nèi)容展開，提出了基于CATIA、SPEOS的光線追蹤及仿真分析流程和方法。通過對駕駛艙內(nèi)各個顯示屏及內(nèi)飾亮條的仿真分析，將影響視覺舒適性的各種炫目、成像現(xiàn)象直觀地展示出來，有利于及早發(fā)現(xiàn)發(fā)問題并提出整改措施。實踐表明，采用本文方法有利于降低項目風(fēng)險，并節(jié)省后期開發(fā)成本。

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