軍用紅外車載駕駛儀人機(jī)功效分析

王紅培

(中國華陰兵器試驗(yàn)中心,陜西 華陰 714200)

1 引 言

紅外車載駕駛儀在軍事上主要用于軍事車輛裝備的戰(zhàn)場機(jī)動,能夠?qū)崟r(shí)探測和顯示車輛前方路況的視頻圖像,輔助駕駛員駕駛車輛,實(shí)現(xiàn)夜間和惡劣天氣條件下的快速隱蔽機(jī)動,支持軍用車輛全天時(shí)、全天候作戰(zhàn),在世界軍事領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。紅外車載駕駛儀輔助駕駛過程中,駕駛員作為有意識的主體起著主導(dǎo)作用,人機(jī)功效也因此成為決定紅外車載駕駛儀作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵因素之一。

近年來國內(nèi)外對紅外車載駕駛儀的研究取得許多成果,如燕山大學(xué)的劉秋錦[1]、電子科技大學(xué)的吳傳福[2]、華南理工大學(xué)的邊二濤[3]等對紅外車載夜視系統(tǒng)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)；Brehar R[4]、Hwang S[5]、王國華[6]等對車載紅外行人檢測算法進(jìn)行了研究；Lu Yuesheng[7]、Michelle A G[8]等基于紅外成像技術(shù)進(jìn)行了夜間車載行人探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；沈振一[9]、范德營[10]等對車載紅外視頻圖像的三維重建和彩色化進(jìn)行了研究。但這些研究主要集中于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、行人檢測算法、視頻圖像處理等方面,對軍用紅外車載駕駛儀人機(jī)功效進(jìn)行系統(tǒng)性的研究較少。為此,本文研究分析軍用紅外車載駕駛儀的人機(jī)功效評價(jià)關(guān)系,以駕駛視野性、視覺舒適性和操縱舒適性為重點(diǎn),對軍用紅外車載駕駛儀的人機(jī)功效進(jìn)行分析和評價(jià)。

2 人機(jī)工效關(guān)系模型

軍用紅外車載駕駛儀一般由紅外探測器和顯示器兩大部分組成,紅外探測器安裝于車外用于探測路況信息,顯示器安裝于駕駛室內(nèi)供駕駛員觀察。其基本工作原理為如圖1所示。

圖1 紅外車載駕駛儀工作原理

研究紅外車載駕駛儀的人機(jī)功效,需要從系統(tǒng)整體的高度,分析處理人、機(jī)、車、環(huán)四大要素的相互關(guān)系和變化規(guī)律。對于人機(jī)關(guān)系的研究模型,英國學(xué)者Elwyn Edwards于1995年提出了SHEL模型[11],用以研究系統(tǒng)軟件(Software)、硬件(Hardware)、環(huán)境(Environment)和人員(Liveware)之間的關(guān)系。根據(jù)軍用紅外車載駕駛儀的特點(diǎn),輔助駕駛過程中駕駛員無需對其進(jìn)行過多的操作,因此本文將SHEL模型簡化,提出了HEL模型,將車輛、行車環(huán)境統(tǒng)一劃歸為系統(tǒng)環(huán)境的范圍。因而該模型所蘊(yùn)含關(guān)系可概括為兩種:一是L-H關(guān)系,即駕駛員與紅外車載駕駛儀的交互關(guān)系,核心是駕駛員與顯示器的人機(jī)界面交互關(guān)系；二是L-E關(guān)系,即駕駛員與駕駛室空間、照明、外部環(huán)境照度、路面等行車環(huán)境因素的關(guān)系。

根據(jù)紅外車載駕駛儀的輔助駕駛特征,以駕駛員為中心分析人機(jī)交互關(guān)系,可將駕駛員對人機(jī)功效的需求可分為三層。如圖2所示,最基本的需求是安全行車,要求紅外車載駕駛儀和車輛共同構(gòu)成的視場,具備良好的視野性,從而將路況信息順暢的傳遞給駕駛員；更進(jìn)一步的需求是高效行車,要求紅外車載駕駛儀和外部環(huán)境共同構(gòu)成的人機(jī)觀察界面,具備良好的觀察效果,便于駕駛員長時(shí)間觀察行車；最頂層的需求是舒適行車,要求紅外車載駕駛儀和車輛共同構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)狀態(tài),具備方便、舒適的可操作性,使駕駛員在輔助駕駛過程中實(shí)現(xiàn)舒適的操作、駕駛體驗(yàn),從而更好的完成行車任務(wù)。因此,對于軍用紅外車載駕駛儀的人機(jī)功效進(jìn)行評價(jià),視野性、視覺舒適性和操縱舒適性是核心內(nèi)容。

圖2 人機(jī)功效評價(jià)概念模型

3 駕駛視野性分析

紅外車載駕駛儀駕輔助駛過程中,分析其視覺信息傳導(dǎo)過程,可將駕駛視野性區(qū)分為駕駛員視區(qū)和駕駛儀視區(qū)來評價(jià)。

3.1 駕駛員視區(qū)分析

輔助駕駛過程中,人眼和顯示器的交互決定了駕駛員對路況信息的獲取。駕駛員視區(qū)是指頭部和眼睛在規(guī)定的條件下,人眼可覺察到的水平面與鉛垂面內(nèi)所有的空間范圍。根據(jù)人機(jī)工效學(xué)資料,人體在坐姿下的自然視線是向下15°,最佳眼動界限是上下30°。人眼最佳直接視野是左右25°。對于紅外車載駕駛儀而言,顯示器的尺寸、安裝位置和傾角應(yīng)符合駕駛員的人眼視野特性。相關(guān)國軍標(biāo)中規(guī)定,對于軍用顯示器的布局,最佳視區(qū)一般位于水平視線以下15°～45°、左右距主視線15°的視區(qū)內(nèi),如圖3所示。

圖3 軍用顯示器觀察人眼最佳視區(qū)

考慮到軍事車輛行車過程中路況的復(fù)雜性和需高度關(guān)注的安全性,紅外車載駕駛儀顯示器安裝位置應(yīng)在滿足國軍標(biāo)規(guī)定的前提下,同時(shí)便于較好地觀察視頻圖像。因此,水平面最佳的視野顯示范圍可取標(biāo)準(zhǔn)視線的左右15°范圍內(nèi),垂直平面最佳的視野范圍可取水平視線以下30°范圍內(nèi)。同時(shí)為了適應(yīng)駕駛員的視角變化,顯示器屏幕角度的調(diào)節(jié)范圍也應(yīng)該控制在此范圍之內(nèi)。

3.2 紅外車載駕駛儀視區(qū)分析

紅外車載駕駛儀的攝像頭決定了系統(tǒng)對路況信息的探測范圍,該范圍可用紅外車載駕駛儀視區(qū)來表征,其大小主要與攝像頭的光學(xué)視場和安裝位置相關(guān)。

為了定量分析紅外車載駕駛儀的視區(qū)和盲區(qū),將攝像頭探測到的前方道路最近點(diǎn)與安裝位置的地面距離定義為落地距離,將落地距離處道路左右方向上可視的最遠(yuǎn)距離定義為可見路寬,如圖4所示?？梢钥闯?垂直方向上大于等于落地距離的區(qū)域?yàn)榭梢晠^(qū)域,落地距離越小盲區(qū)越??；可見路寬越大,水平方向上的盲區(qū)越小,可視范圍越大。

圖4 紅外車載駕駛儀的垂直、水平視區(qū)

假設(shè)攝像頭的水平、垂直視場分別為α、β,攝像頭在車體上的安裝高度為L,可見路寬為x,落地距離為y。如圖5所示,則滿足以下關(guān)系:

(1)

圖5 紅外車載駕駛儀視區(qū)計(jì)算示意圖

根據(jù)上述關(guān)系進(jìn)行仿真分析,落地距離與攝像頭安裝高度的關(guān)系如圖6所示,可以看出二者關(guān)系為正相關(guān),因此為了減少盲區(qū)攝像頭安裝高度不宜太高。當(dāng)然攝像頭安裝也不能過低,否則太接近地面,視線容易被路面上凹凸起伏、雜草等的遮擋。安裝高度可選擇為0.5～1.5 m,此時(shí)落地距離為1.9～5.6 m(垂直視場為30°時(shí))。

落地距離與攝像頭垂直視場的關(guān)系如圖7所示,可以看出二者關(guān)系為負(fù)相關(guān)。當(dāng)垂直視場小于10°時(shí),安裝高度為1 m和1.5 m時(shí)的落地距離均超過10 m。因此攝像頭設(shè)計(jì)時(shí)垂直視場應(yīng)大于10°,當(dāng)然視場過大也會給設(shè)計(jì)生產(chǎn)帶來額外的負(fù)擔(dān),可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理選擇。攝像頭垂直視場可選擇為≥25°,這樣安裝高度為1.5 m、1 m時(shí)的落地距離分別小于7 m、小于5 m。

圖6 落地距離與攝像頭安裝高度的關(guān)系

圖7 落地距離與攝像頭垂直視場的關(guān)系

可見路寬與攝像頭安裝高度的關(guān)系如圖8所示,二者關(guān)系為正相關(guān)。一般單車道寬度為3 m左右,要求紅外車載駕駛儀的可見路寬應(yīng)≥3 m,當(dāng)攝像頭水平垂直視場均為25°時(shí)要求安裝高度≥1.5 m。而過大的安裝高度會造成落地距離的增大,進(jìn)而增大垂直方向上的盲區(qū)。

圖8 可見路寬與攝像頭安裝高度的關(guān)系

可見路寬與攝像頭水平視場的關(guān)系如圖9所示(攝像頭垂直視場為25°),二者的關(guān)系同樣為正相關(guān)。安裝高度為1 m和1.5 m的條件下,當(dāng)攝像頭水平視場為30°時(shí)可見路寬分別為2.5 m、3.6 m,當(dāng)攝像頭水平視場為36°時(shí)可見路寬分別為3.0 m、4.4 m。

圖9 可見路寬與攝像頭水平視場的關(guān)系

因此,為減小落地距離、增大可見路寬,達(dá)到盡量減少駕駛盲區(qū)的目的,應(yīng)綜合考慮選擇攝像頭的水平視場、垂直視場及安裝高度。根據(jù)上述分析,攝像頭垂直視場可選擇≥25°,水平視場選擇≥36°,安裝高度選擇1～1.5 m,此時(shí)落地距離<5 m、可見路寬≥3 m,基本能夠滿足正常行車需求。

4 視覺舒適性分析

4.1 視覺舒適性影響因素分析

行車過程中視覺是駕駛員獲取路況信息的唯一途徑,為保證行車安全,駕駛員觀察顯示器應(yīng)具備良好的視覺感受性,即視覺舒適性。視覺舒適性較差時(shí),不僅會影響駕駛員對路況信息的感知,也容易導(dǎo)致疲勞,影響行車效率和安全。良好的視覺舒適性應(yīng)具備以下條件:(1)駕駛員具有正常的視覺感知能力,即視力正常；(2)顯示器所產(chǎn)生的視覺刺激,具有足夠的強(qiáng)度被駕駛員所接收；(3)顯示器和外部環(huán)境構(gòu)成的光環(huán)境,使駕駛員眼鏡處于一個(gè)舒適的狀態(tài)。

可見,視力水平正常條件下,駕駛員的視覺舒適性主要受顯示器性能因素和光環(huán)境因素影響。其中,顯示器性能因素主要包括顯示器的亮度、對比度、分辨率、刷新頻率等參數(shù)；光環(huán)境因素主要是外部環(huán)境影響下的車內(nèi)光環(huán)境。隨著顯示器性能的不斷發(fā)展,對比度和分辨率已經(jīng)不再是制約顯示效果的主要因素。因此,顯示器屏幕亮度和光環(huán)境因素是分析評價(jià)視覺舒適性的重點(diǎn)。其中,光環(huán)境主要通過屏幕反射光亮度和人眼的適應(yīng)性,來影響其視覺感知。鑒于紅外車載駕駛儀的使用時(shí)機(jī)主要是夜間和低能見度天氣,環(huán)境照度相對較低,本文將主要研究對人眼適應(yīng)性的影響。

光環(huán)境對人眼適應(yīng)性的影響主要是基于人眼對亮度的響應(yīng)特性來實(shí)現(xiàn)的。在照度不同的環(huán)境下,人眼對同一亮度會具有不同的響應(yīng)值[12]。如圖10所示,每幅圖中小方塊的亮度相同,其背景亮度由小到大變化時(shí),人眼會產(chǎn)生不同的觀察效果。

圖10 環(huán)境照度變化下的視覺差異性

目前研究[13]中,日本厚生勞動省頒布的“顯示器作業(yè)指南”中推薦照度為500 lux以下；美國國家勞動安全衛(wèi)生研宄所推薦的照度為500～700 lux；還有研究發(fā)現(xiàn)45 %的作業(yè)者認(rèn)為適宜照度為400～600 lux,40 %認(rèn)為適宜照度為200～400 1ux。

4.2 基于環(huán)境照度的顯示器亮度調(diào)節(jié)試驗(yàn)

紅外車載駕駛儀使用時(shí)機(jī)多為低照度環(huán)境,顯示器亮度對駕駛員視覺的影響極大。為了探索基于環(huán)境照度的顯示器亮度適應(yīng)性特點(diǎn)和規(guī)律,進(jìn)行了基于環(huán)境照度的顯示器亮度調(diào)節(jié)試驗(yàn)。

試驗(yàn)在野外夜天光環(huán)境下進(jìn)行,照度環(huán)境為傍晚到夜間的實(shí)際照度,當(dāng)天為農(nóng)歷4月21日,日落時(shí)間為19∶56、月出時(shí)間為23∶50。試驗(yàn)對象為某型駕駛儀,其顯示亮度可手動調(diào)節(jié)。試驗(yàn)中使用KWZ-2000微光照度計(jì)測試環(huán)境照度,使用PR-670亮度色度計(jì)測試顯示器的顯示亮度。

測試顯示器的顯示亮度時(shí),圖像背景為土路,路面相對比較平整且在顯示器中的亮度顯示比較均勻,取路面顯示區(qū)域3個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行測試。

試驗(yàn)觀察人員3人,視力正常且不低于1.5,擁有正常的色覺和光照變化適應(yīng)明暗功能,年齡18～35歲,在不同的照度環(huán)境下觀察顯示器圖像,并根據(jù)視覺舒適性情況進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。通過試驗(yàn),得到亮度調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 亮度調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果

可以看出,不同環(huán)境照度下的顯示器適宜亮度存在顯著差異,說明駕駛員的視覺舒適性受環(huán)境照度的影響較大。同時(shí),3名駕駛員中有2名調(diào)節(jié)的亮度檔位比較一致,另外1名稍有差異。說明由于每名駕駛員的生理需求不同,其亮度調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)存在一定的個(gè)性化差異,但是差異性并不顯著。

現(xiàn)代心理物理學(xué)中,史蒂文斯通過使用數(shù)量估計(jì)法得到了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并據(jù)此來研究刺激強(qiáng)度與感覺量的關(guān)系。Rudd等研究[14]指出,孤立表面的亮度與照度的關(guān)系可用史蒂文斯冪定律表示。陳碩等的研究[15]表明,史蒂文斯冪函數(shù)能夠擬合人眼亮度對比的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

因此,根據(jù)人眼視覺認(rèn)知規(guī)律特點(diǎn),可將紅外車載駕駛儀顯示器適宜亮度與環(huán)境照度的關(guān)系,用史蒂文斯冪函數(shù)表示為

L=aIb

(2)

式中,I為環(huán)境照度,單位為lx；L為紅外車載駕駛儀顯示適宜亮度,單位為cd·m-2；a、b分別為冪函數(shù)的擬合參數(shù)。

圖11 顯示適宜亮度與環(huán)境照度關(guān)系曲線

根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果,對史蒂文斯冪函數(shù)模型進(jìn)行參數(shù)擬合,可以得出a=941,b=0.715,擬合曲線如圖11所示。紅外車載駕駛儀的主要使用場景為夜間,照度環(huán)境一般為10-2lx～10-4lx,因此根據(jù)擬合曲線得出,顯示器適宜亮度為6～35 cd·m-2。

5 操縱舒適性分析

5.1 操縱舒適性影響因素分析

紅外車載駕駛儀輔助駕駛過程中,駕駛員對紅外車載駕駛儀的操縱主要包括兩個(gè)方面:一是坐姿下對顯示器視頻圖像的觀察,駕駛員的關(guān)注點(diǎn)是坐姿觀察的舒適性；二是坐姿下對各項(xiàng)功能按鍵的操作,駕駛員的關(guān)注點(diǎn)是對各項(xiàng)功能的調(diào)節(jié)是否方便快捷。因此可將操縱舒適性進(jìn)一步分解為坐姿觀察舒適性和操作便捷性。其影響因素如圖12所示。對于紅外車載駕駛儀的使用,考慮到行車前調(diào)節(jié)完畢后,行車過程中一般不需要進(jìn)行過多的操作,因此對于操縱舒適性進(jìn)行評價(jià),可將坐姿觀察舒適性作為重點(diǎn)。

圖12 操縱舒適性影響因素

5.2 坐姿觀察舒適性分析

坐姿是駕駛員完成行車任務(wù)的基本姿態(tài),長時(shí)間行車過程中,駕駛員很容易因?yàn)樽瞬划?dāng)造成疲勞。坐姿觀察舒適性包括頭頸部、背部、腰部、臀部、腿部的舒適,觀察顯示器時(shí)駕駛員頭頸部的舒適是重點(diǎn),其他部位的感受主要與汽車座椅有關(guān)。這就要求顯示器所處的位置,應(yīng)使駕駛員觀察時(shí)頭頸部處于一個(gè)舒適的狀態(tài)。

可以看出,紅外車載駕駛儀顯示器的安裝位置對駕駛員觀察姿態(tài)有決定性作用。因此,顯示器安裝位置應(yīng)方便駕駛員觀察,避免駕駛員長時(shí)間仰頭、低頭或扭頭,從而增加駕駛頸部或腰部的疲勞感。通過前文的分析可知,駕駛員處于正常坐姿時(shí),其最佳視野范圍為:標(biāo)準(zhǔn)視線水平面上的10°～20°范圍,垂直平面最佳的視野范圍為25°～30°范圍。如圖13所示,顯示器的屏幕要位于駕駛員的最佳視野范圍內(nèi),與顯示器屏幕尺寸和人眼距離L有關(guān)。

圖13 觀察距離與顯示器屏幕尺寸關(guān)系示意圖

則有:

(3)

即:

(4)

通常情況下觀察目標(biāo)在560 mm處最為適宜,小于380 mm時(shí)會引起目眩,視疲勞程度增加,超過760 mm時(shí)會影響細(xì)節(jié)的觀察。正常坐姿下,駕駛員眼睛到前擋風(fēng)玻璃的距離約為500 mm,即380 mm≤L≤500 mm。

目前顯示器的長寬比一般為4∶3或16∶9,可以計(jì)算出,若紅外車載駕駛儀顯示器屏幕長寬比為4∶3,其最佳尺寸為8.5～11.5 in；若紅外車載駕駛儀顯示器長寬比為16∶9,其最佳尺寸為9～12 in。顯示器屏幕超出最佳尺寸時(shí),一部分顯示內(nèi)容在駕駛員眼睛的標(biāo)準(zhǔn)視線之外,且顯示器的體積和重量會大幅度增加,安裝困難；當(dāng)然顯示器屏幕也不能過小,否則容易使駕駛員分辨路況和障礙物困難,不僅帶來安全隱患,過度緊盯屏幕觀察也容易導(dǎo)致眼睛和頭頸部的疲勞。

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)提出的軍用紅外車載駕駛儀人機(jī)功效關(guān)系模型,分析認(rèn)為駕駛視野性、視覺舒適性和操縱舒適性是人機(jī)功效評價(jià)的核心內(nèi)容。

(2)駕駛視野性評價(jià)的重點(diǎn)是駕駛員視區(qū)和駕駛儀視區(qū),基中駕駛員視區(qū)與顯示器安裝位置有關(guān),分析得出了其最佳安裝位置為水平面標(biāo)準(zhǔn)視線的左右15°、垂直平面水平視線以下30°的范圍內(nèi)；駕駛儀視區(qū)與攝像頭視場和安裝位置有關(guān),為減少輔助駕駛盲區(qū),應(yīng)盡量減小落地距離、增大可見路寬,攝像頭垂直視場可選擇≥25°,水平視場選擇≥36°,安裝高度選擇1～1.5 m。

(3)視覺舒適性評價(jià)的重點(diǎn)是光環(huán)境對人眼適應(yīng)性的影響,基于環(huán)境照度的顯示器亮度調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果表明駕駛員的視覺舒適性受環(huán)境照度的影響較大；引入史蒂文斯冪函數(shù)模型,通過參數(shù)擬合得出顯示器的適宜亮度為6～35 cd·m-2。

(4)操縱舒適性評價(jià)的重點(diǎn)是坐姿觀察舒適性,其中顯示器的安裝位置對駕駛員觀察姿態(tài)有決定性作用；從顯示器屏幕尺寸與人眼距離之間的關(guān)系入手,分析得出屏幕長寬比為4∶3時(shí)最佳尺寸為8.5～11.5 in,長寬比為16∶9時(shí)最佳尺寸為9～12 in。