飛機座艙多功能顯示器自適應亮度曲線

徐 敏，曾慶兵，邱婧婧

(上海航空電器有限公司，上海 201101)

引言

現代高性能飛機在全天候氣象條件下使用愈加頻繁，照射在座艙中的環境光照度跨度非常大，在太陽直射時，座艙內照度可達105lx，在無月晴朗的夜晚，環境光照度可低至10-3lx[1]。為了使飛行員能夠在不同的環境光照明條件下，實時準確地獲取與辨認各種飛行顯示信息，及時準確地操縱飛機，這要求座艙顯示能根據環境光的不同自行進行控制。座艙的顯示器是飛行員與飛機系統和作戰信息的重要交互接口。隨著航空電子技術的發展，座艙的顯示系統朝著大屏幕化、綜合化、信息化和智能化的方向發展[2]。因此，本研究將座艙多功能顯示器作為研究對象，開展其自適應亮度控制曲線研究。

趙曉楓等[3]研究了夜間暗環境下駕駛員讀取夜視車載平顯信息的亮度感知特點，并建立了夜視車載平顯的亮度調節模型，符合冪指數小于1的冪函數模型,環境照度范圍是0.1～3 200 lx。張艷霞等[4]研究了10 000 lx、20 000 lx、30 000 lx三種環境照度以及手機屏幕亮度對視覺搜索績效的影響，并提出在室外不同的環境照度下手機屏幕亮度的最優值設置參數，結果顯示環境照度和手機屏幕亮度的最優值是線性變化的。Guterman等[5]研究了屏幕和環境亮度對數字圖像偏好的影響，環境亮度范圍在15～200 cd/m2之間，結果發現屏幕中等亮度水平的評分最高，環境亮度的影響微弱。武童瑤等[6]發現在人工照明環境下手機閱讀舒適性隨閱讀面照度的不斷增加而先升高后下降。以上研究結論并不完全一致，主要原因是實驗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隨全天候光環境變化的規律，實驗環境照度變化范圍在0.1～10 000 lx之間。

1 方法

1.1 儀器和設備

彩色亮度計LumiCam 1300 color，用于測試座艙多功能顯示器字符亮度水平；照度計Fluke 941，用于測試座艙環境照度水平；可移動暗室，由太陽燈光源設備、拂曉/黃昏模擬設備、月光模擬設備等組成，用于模擬全天候自然光環境，本研究實驗環境照度水平共有13個，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，包括多個顯示器、警告燈/信號燈板、控制板等，本研究的對象為多功能顯示器，其相對位置如圖1所示，多功能顯示器顯示界面為飛行計劃界面。

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。被試不參加實驗準備，實驗前不接觸實驗用材料。

1.3 實驗任務

被試在不同的環境光照條件下，調節多功能顯示器的亮度至三種水平，分別是認清顯示設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 實驗步驟

實驗準備階段，主試確定13種環境照明水平對應的光源設備調節值，照度計測試點分布在多功能顯示器周邊，共5個點，如圖2所示，取其平均值進行標定。

圖2 環境照度測試點Fig.2 Test points of environmental illuminance

主試向被試講解實驗流程，并要求被試完成兩組練習實驗來熟悉實驗任務和程序，之后被試進行30分鐘暗適應。主試調節第一個環境照明水平，即0.1 lx，被試完成多功能顯示器亮度調節任務10次，主試記錄被試每次調節后的多功能顯示器調節值。之后，主試調節下一個環境照明水平，照度值依次遞增，直至所有照明水平的亮度調節任務都完成。

被試完成實驗后，主試復現顯示器調節值，測量字符亮度，采用成像亮度計，連續測試3次，最后取3次測試的平均值。再計算被試10次調節的亮度值的平均值，作為該被試在單個照明水平下的調節結果。

2 結果與討論

統計被試在13種環境照度條件下，所調節的第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，剔除異常值后的結果如表1所示。

韋伯-費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數增長，心理量成算術級數增長[7]。因此在建立顯示器自適應亮度曲線模型時，自變量為以自然數為底的環境照度對數值，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為環境照度。結果顯示，調整后R2為0.949，即模型可以解釋實驗數據中94.9%的變異量，方差分析F值為223.496，p小于0.01，即模型具有統計學意義。

表1 被試在13種照境照度下調節的顯示器亮度值

圖3 顯示器自適應亮度曲線Fig.3 Adaptive brightness curve of display

(1)

顯示器調節亮度隨環境照度的變化趨勢符合實驗預期，即當環境照度成幾何級數增長，顯示器亮度呈指數增長，其變化趨勢符合以往趙曉楓等人的研究。因各個研究的環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險。通過對比平均值和P50亮度曲線，也發現了P50曲線能更好地描述被試調節值與環境照度之間的變化關系。

本研究主要依據被試的主觀感受獲得了顯示器自適應亮度曲線，顯示器亮度除了影響人的舒適度之外，還會對人的認知任務工效產生影響。李浩然等的研究發現，車載顯示亮度的增加會一定程度上增加夜間駕駛的危險以及司機的疲勞程度。因此，在后續研究中，將依據本研究結果設置多個顯示器亮度水平，引入認知任務等進行亮度曲線的優化和驗證研究。

3 結論

本文針對環境光大幅度變化條件下，需要飛行員不斷調節座艙多功能顯示器，以滿足視覺需求的問題，開展多功能顯示器自動亮度曲線模型研究，不同環境條件下顯示器調節亮度存在顯著差異，顯示器調節亮度隨著環境亮度的增加而提高，擬合方程調整后確定系數為0.949。模型待工程應用驗證，可在后續應用研究中不斷迭代優化。