顯示面板對(duì)駕駛員視覺舒適性的布置設(shè)計(jì)

熊燕 何瑞光

摘 要：在汽車設(shè)計(jì)過程中儀表臺(tái)上各類顯示面板的布置位置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足駕駛員視覺舒適性，即既能保證駕駛員舒適地觀看顯示面板、同時(shí)又不影響駕駛員觀看其他部件的舒適性。通過以常見的儀表和MP5為例，從人機(jī)工程學(xué)角度研究了影響駕駛員視覺舒適性的各種因素和校核方法，綜合考慮了駕駛員正常駕駛時(shí)可能遇到的各種環(huán)境狀態(tài)，詳細(xì)闡述了利用計(jì)算機(jī)智能軟件對(duì)駕駛員視覺舒適性進(jìn)行校核的方法和步驟，從而能有效指導(dǎo)汽車設(shè)計(jì)人員對(duì)顯示面板的布置位置和結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：顯示面板；視覺舒適；人機(jī)工程；校核方法

中圖分類號(hào)： TP393.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2017）05-0077-05

Abstract：In the automobile design， the layout and structure design of all kinds of display panels on the instrument panel must satisfy the drivers visual comfort. It not only should ensure the driver to watch the display panel comfortably， but also could not affect the drivers comfort to watch other parts. Taking the common instrument and MP5 for example， the factors and check methods that affect the drivers visual comfort were studied from the perspective of ergonomics. In this paper， we consider the various environmental conditions that the driver may encounter in normal driving， and elaborate the methods and steps of using the intelligent software to check the drivers visual comfort， so as to effectively guide the designer to design the layout and structure of the display panel.

Key words：display panels； visual comfort； ergonomics； check methods

在汽車發(fā)展較成熟的國(guó)家如美國(guó)、德國(guó)、日本等，人機(jī)工程學(xué)在汽車上的應(yīng)用已非常成熟，目前隨著自主品牌汽車工業(yè)的發(fā)展和用戶對(duì)汽車駕駛要求的提高，國(guó)內(nèi)各汽車主機(jī)廠也逐漸開始重視人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)，但由于國(guó)內(nèi)汽車這方面設(shè)計(jì)起步較晚，沒有積累較好的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因此國(guó)內(nèi)汽車在駕駛舒適性上還存在不少缺陷。本文從駕駛員視覺舒適性的角度進(jìn)行研究，主要以儀表臺(tái)上的顯示面板的合理布置為研究對(duì)象，分析闡述如何布置儀表臺(tái)上的顯示面板，讓駕駛員舒適地觀看這些面板所顯示的信息同時(shí)也不影響觀看路面信息和其他部件信息的視野。按照本文所述方法對(duì)儀表臺(tái)上顯示面板進(jìn)行布置不僅能提高駕駛員駕駛時(shí)的舒適性也能提高安全性。

1 儀表的布置

儀表上顯示信息的部件主要有各種表盤、指示燈，有的儀表上還有一個(gè)小的顯示屏，在儀表的信息顯示部件上方有一個(gè)透明罩將這些部件罩住，如圖1所示。

1.1 駕駛員觀看儀表的舒適性

駕駛員舒適地觀看儀表主要包括駕駛員眼睛到儀表上顯示信息的距離適當(dāng)、駕駛員觀看儀表的視野角度舒適、駕駛員觀看儀表上顯示信息的視線不能被遮擋，目前汽車上的儀表一般是布置在駕駛員正前方、方向盤下方[1]。

駕駛員觀看儀表的目視距離可參考美國(guó)Henry Dreyfas標(biāo)準(zhǔn)確定，即最大目視距離為711mm，推薦最佳值為550mm[2]。

駕駛員觀看儀表的視角即通過儀表平面的中心點(diǎn)和眼橢圓的連線與儀表平面法線的夾角盡可能接近0°，最好在8°以內(nèi)。

根據(jù)SAE J1050中對(duì)人體眼部和頭部轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的研究，人體眼睛左右轉(zhuǎn)動(dòng)的舒適角度為15°、最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為30°，頭部左右轉(zhuǎn)動(dòng)的舒適角度為45°，最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為60°；眼睛上下轉(zhuǎn)動(dòng)的舒適角度為15°、向上轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度為45°、向下轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度為65°，頭部上下轉(zhuǎn)動(dòng)的舒適角度為30°、最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為50°。

駕駛員觀看儀表上顯示的任何信息應(yīng)在其眼睛和頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的舒適范圍內(nèi)[3]，利用眼橢圓對(duì)駕駛員觀看儀表舒適校核，特定群體的駕駛員觀看儀表最左邊的信息的最大水平轉(zhuǎn)角為從儀表上最左邊顯示的信息點(diǎn)到眼橢圓最右邊的切點(diǎn)所連成的直線與整車縱向垂直平面的夾角；觀看儀表最右邊的信息的最大水平轉(zhuǎn)角為從儀表上最右邊顯示的信息點(diǎn)到眼橢圓最左邊的切點(diǎn)所連成的直線與整車水平面的夾角。在垂直方向上，由于儀表在目前的汽車上均是處于駕駛員眼橢圓下方，特定群體的駕駛員觀看儀表上的信息垂直最大角度為從儀表上最下端顯示的信息點(diǎn)到眼橢圓最上邊的切點(diǎn)所連成的直線[4]。如圖2所示是對(duì)某車型特定群體駕駛員（95%眼橢圓）觀看儀表的視角校核。

從以上校核結(jié)果來看，某車型儀表的布置位置能滿足特定群體駕駛員（95%眼橢圓）觀看儀表視野角度舒適性的要求。

對(duì)于布置在方向盤下方的儀表，可能會(huì)遮擋駕駛員觀看儀表的部件就是方向盤，因此在儀表和方向盤位置布置好后要對(duì)方向盤是否遮擋儀表上的顯示信息進(jìn)行校核。運(yùn)用SAE J1050所述方法可作出駕駛員透過方向盤觀看儀表的視野，或直接采用UG中相應(yīng)工具模塊作出該視野。圖3是某車型特定群體駕駛員（95%眼橢圓）觀看儀表視野盲區(qū)的校核，從校核結(jié)果來看，儀表上所顯示的信息均在盲區(qū)之外，即不會(huì)被方向盤遮擋。

儀表上的透明罩表面很光滑，相當(dāng)于一面鏡子會(huì)反射從車外入射的光線，駕駛員在車外光線較強(qiáng)的情況下開車，若車外的光線照射在儀表透明罩上、并通過透明罩反射到駕駛員眼睛里，駕駛員則無法觀看到儀表上的全部或部分信息[5]，通常把這種情況稱為“炫目”。因此在進(jìn)行儀表布置和設(shè)計(jì)時(shí)要避免透明罩上的反射光線對(duì)駕駛員造成的炫目，通常是通過合理布置透明罩和設(shè)計(jì)合理的儀表罩來解決這種反光炫目[6]。

在車型設(shè)計(jì)過程對(duì)儀表透明罩是否會(huì)反射外部光線對(duì)駕駛員造成“炫目”的校核有兩種方法：

方法一是逆向思維，即將眼橢圓看做一個(gè)發(fā)光體，作出從眼橢圓上發(fā)出的光線經(jīng)儀表罩反射后的反射光線，若這些反射光線不能通過前擋風(fēng)玻璃和車窗玻璃進(jìn)入到車輛外部，則可判斷外部入射光線不會(huì)通過儀表透明罩反射對(duì)駕駛員造成炫目，反之則會(huì)對(duì)駕駛員造成炫目。下面對(duì)該校核方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

1） 選取透明罩反光平面及其邊線，在透明罩邊線上取一系列點(diǎn)（如：可均勻提取20個(gè)點(diǎn)），通過這些點(diǎn)做出透明罩平面的法線。

2） 通過步驟1）中透明罩邊線上的一系列點(diǎn)做出到達(dá)眼橢圓的切線，要保證該切線是眼橢圓上所有點(diǎn)到邊線上點(diǎn)連線中與對(duì)應(yīng)的法線夾角是最大的。如圖4示例中，由眼橢圓和透明罩的相對(duì)位置可判斷出通過透明罩邊線上左邊的點(diǎn)到右眼橢圓最右邊的切線是與對(duì)應(yīng)切線夾角最大的線、邊線右邊的點(diǎn)到左眼橢圓最左邊的切線是對(duì)應(yīng)切線夾角最大的線，而邊線上、下的點(diǎn)均是到眼橢圓最下邊的切線是對(duì)應(yīng)的切線夾角最大的線。

3）做出步驟2）中切線在透明罩上的反射光線，并判斷所有反射光線是否有透過擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗玻璃的趨勢(shì)，如圖5所示。

判斷反射光線，發(fā)現(xiàn)所有反射光線都不會(huì)透過前風(fēng)窗玻璃和側(cè)風(fēng)窗玻璃。此情況說明不會(huì)有光線通過前風(fēng)窗玻璃右側(cè)風(fēng)窗玻璃入射到透明罩上從而反射到駕駛員眼睛里。

以上校核中是直接取透明罩的邊線進(jìn)行校核，未考慮儀表罩對(duì)光線的遮擋，校核條件更惡劣，若在校核中發(fā)現(xiàn)有反射光線透過前風(fēng)窗或側(cè)風(fēng)窗，需進(jìn)一步考慮儀表罩對(duì)光線的遮擋，即應(yīng)校核反射光線與儀表罩相切的情況，再判斷結(jié)果。

方法一校核示例中只考慮了常規(guī)情況即光線透過前風(fēng)窗和左右前車門內(nèi)玻璃的入射光通過透明罩的反光情況，對(duì)于其他情況，如車輛的天窗、后風(fēng)窗、后車門玻璃等，也可用方法一判斷駕駛員炫目情況，同時(shí)也要進(jìn)一步考慮光線是否被其他部件或駕駛員本身遮擋的問題。

方法二是正向思維，即取能透過前風(fēng)窗玻璃和側(cè)風(fēng)窗玻璃入射到透明罩上的光線，檢查這些光線在透明罩上的反射光線是否通過駕駛員眼橢圓，下面將對(duì)該校核方法進(jìn)行詳細(xì)闡述。

前風(fēng)窗入射光線校核：

1） 取透明罩的縱向中心面，做出該面與前風(fēng)窗、儀表罩、透明罩的交線。

2） 在透明罩縱向中心面內(nèi)做出前風(fēng)窗能透光的最上點(diǎn)到儀表罩上邊緣的切線，若該切線不能與透明罩相交，則可判斷不會(huì)有光線透過前風(fēng)窗入射到透明罩上，因此更不可能通過透明罩反射到駕駛員眼睛里；若該切線能與透明罩相交，則可判斷有光線能透過前風(fēng)窗入射到儀表罩上，進(jìn)入步驟3）將判斷這些入射光線通過透明罩反射的反射光線是否能進(jìn)入到駕駛員眼橢圓里。

3） 在步驟2）所述的透明罩縱向中心面內(nèi)做出3條極限入射光線及對(duì)應(yīng)的反射光線：① 步驟2）所述的入射光線的反射光線；② 從前風(fēng)窗最能透光的最上點(diǎn)到透明罩上的入射光線、保證該入射光線在透明罩上的反射光線與儀表罩下邊緣相切；③ 從前風(fēng)窗能透光部分找一點(diǎn)做出與儀表罩上邊緣相切的入射光線、保證該入射光線在透明罩上的反射光線與儀表罩下邊緣相切。

檢查駕駛員眼橢圓是否包含在步驟3）所畫的3條極限反射光線區(qū)域內(nèi)。如圖6所示，本校核示例車型駕駛員眼橢圓不包含在極限光線區(qū)域內(nèi)，因此可判斷從前風(fēng)窗透過的光線通過透明罩的反射不會(huì)對(duì)駕駛員造成炫目。

本校核示例中的透明罩及儀表罩形狀較規(guī)則（類似長(zhǎng)方形），因此只校核透明罩縱向中心面的入射光線和反射光線即可，對(duì)于儀表罩或透明罩形狀極不規(guī)則的情況，還需截取多個(gè)特征面進(jìn)行校核，校核方法同上。

由于從側(cè)風(fēng)窗入射到透明罩上的光線角度情況較復(fù)雜，很難準(zhǔn)確判斷反射光線趨勢(shì)，若用此方法校核一方面是校核內(nèi)容復(fù)雜，另一方面是準(zhǔn)確性不高，因此對(duì)于側(cè)風(fēng)窗的入射光線在透明罩上引起的炫目建議用方法一進(jìn)行校核即可。

1.2 儀表成像對(duì)駕駛員視野的影響

儀表成像主要是因?yàn)閮x表盤上有發(fā)光的元件，尤其在晚上這些發(fā)光元件容易在前風(fēng)窗和側(cè)風(fēng)窗玻璃上成像，從而影響駕駛員觀看前方視野和從側(cè)風(fēng)窗觀看后視鏡的視野，一般情況下，不允許儀表盤上發(fā)光元件在前風(fēng)窗玻璃上成像、在側(cè)風(fēng)窗玻璃上的成像，若無法避免則在側(cè)風(fēng)窗玻璃上的成像區(qū)域不能與駕駛員通過側(cè)風(fēng)窗玻璃觀看后視鏡的區(qū)域有重疊。同樣為避免儀表盤發(fā)光元件在前風(fēng)窗和側(cè)風(fēng)窗玻璃上的成像影響駕駛員視野也是通過儀表位置的合理布置和儀表罩的設(shè)計(jì)來解決的[7]。下面詳細(xì)闡述儀表盤上發(fā)光元件在前風(fēng)窗和側(cè)風(fēng)窗玻璃上成像對(duì)駕駛員視野影響的校核方法。

儀表盤發(fā)光元件在前風(fēng)窗玻璃上的成像校核方法：

1） 取儀表盤的縱向中心面，做出該面與儀表盤、儀表罩、前風(fēng)窗的交線。

2） 在儀表盤縱向中心面內(nèi)做出儀表盤上最下端能發(fā)光的點(diǎn)到儀表罩上端的切線，檢查該切線與前風(fēng)窗玻璃透明區(qū)域是否有交點(diǎn)。若無交點(diǎn)則說明從儀表盤上最下端的發(fā)光元件發(fā)出的光線不會(huì)入射到前風(fēng)窗玻璃的透明區(qū)域上，因此不會(huì)在前風(fēng)窗上成像；若有交點(diǎn)則說明儀表盤上最下端的發(fā)光元件發(fā)出的光線能入射到前風(fēng)窗的透明區(qū)域內(nèi)，則需要對(duì)儀表位置進(jìn)行重新布置或?qū)x表罩進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

注意此校核方法與透明罩反光的校核的區(qū)別，通常儀表盤和透明罩不在同一個(gè)平面內(nèi)，并且二者存在一定角度，不能將兩種校核方法混淆。

儀表盤發(fā)光元件在側(cè)風(fēng)窗玻璃上的成像校核方法：

1） 取儀表盤上最左端和最右端的發(fā)光點(diǎn)，將這兩點(diǎn)連成一條直線，做出通過該直線和垂直于儀表盤平面的面，做出該面與儀表盤、儀表罩、側(cè)風(fēng)窗的交線。

2） 在步驟1）所在的平面內(nèi)做出儀表盤上最右端發(fā)光點(diǎn)與儀表罩左端的切線A，在該平面內(nèi)做出左風(fēng)窗玻璃最后面的點(diǎn)與儀表罩左端的切線B，如圖7所示，從圖中可看出線A與側(cè)風(fēng)窗玻璃能相交，線B與儀表盤的交點(diǎn)幾乎接近儀表盤上最左端的發(fā)光點(diǎn)，因此可以認(rèn)為儀表盤上所有發(fā)光點(diǎn)均可在左側(cè)風(fēng)窗玻璃上成像。

同樣在步驟1）所在的平面內(nèi)出儀表盤上最左端發(fā)光點(diǎn)與儀表罩右端的切線C，在該平面內(nèi)做出右風(fēng)窗玻璃最后面的點(diǎn)與儀表罩右端的切線D，如圖8所示，從圖中可看出線C與側(cè)風(fēng)窗玻璃能相交，交點(diǎn)為a，因此可以認(rèn)為儀表盤上從最左端的發(fā)光點(diǎn)到點(diǎn)a所在縱向面的發(fā)光點(diǎn)可在右側(cè)風(fēng)窗玻璃上成像，而其他部位的發(fā)光點(diǎn)不能再右側(cè)風(fēng)窗玻璃上成像。

3） 由于側(cè)風(fēng)窗玻璃有一定的曲率，但曲率較大，可近似為平面，可取側(cè)風(fēng)窗玻璃中心點(diǎn)處的切面，儀表盤上發(fā)光元件在側(cè)風(fēng)窗上的成像可直接認(rèn)為是在該切面上成像。分別做出步驟2）中所判斷的儀表盤上能在側(cè)風(fēng)窗玻璃上成像的發(fā)光區(qū)域在左、右側(cè)風(fēng)窗的所成的像。

4） 按照GB15084中關(guān)于駕駛員眼點(diǎn)的做法分別做出駕駛員左眼和右眼的中心點(diǎn)，連接這兩點(diǎn)，取該線段的中點(diǎn)，這個(gè)中點(diǎn)即為駕駛員中間眼點(diǎn)；在步驟3）所成的像的邊線上取一系列點(diǎn)，連接這些點(diǎn)和駕駛員中間眼點(diǎn)，這些連線將與車窗玻璃有交點(diǎn)，在左右車窗上將這些交點(diǎn)按順序連成一個(gè)封閉的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域就是駕駛員通過側(cè)風(fēng)窗能看到儀表上發(fā)光元件在側(cè)風(fēng)窗上所成像的區(qū)域。

5） 檢查駕駛員從側(cè)風(fēng)窗觀看儀表在側(cè)風(fēng)窗上所成像的區(qū)域與駕駛員從側(cè)風(fēng)窗觀看后視鏡的區(qū)域是否有重疊。若無重疊則儀表和后視鏡的布置位置滿足要求，若有重疊，則儀表（或后視鏡）的布置位置需調(diào)整。

2 其他顯示屏的布置

除儀表外，汽車上布置較多的帶顯示屏部件就是MP5，MP5的布置原則與儀表的布置原則大同小異，即既需保證能讓駕駛員舒適的觀看也不能影響駕駛員觀察道路和其他部件的視野，同時(shí)由于MP5上還有需要駕駛員動(dòng)手操作的部件，因此還要方便駕駛員舒適的操作[8]?？偨Y(jié)歸納，在設(shè)計(jì)過程中需注意以下事項(xiàng)：

1） 駕駛員觀看MP5顯示屏上任何信息都應(yīng)在其眼睛和頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的舒適范圍內(nèi)，即顯示屏到駕駛員眼橢圓左右最大角度不得超過60°、上下最大角度不得超過45°。

2） 從側(cè)風(fēng)窗和前風(fēng)窗等車外入射的光線通過MP5顯示屏發(fā)生反射的光線不得通過駕駛員眼橢圓，即外部光線不得通過MP5顯示屏對(duì)駕駛員產(chǎn)生炫目，其校核方法和儀表透明罩“炫目”的校核方法相同，分為正向校核和逆向校核兩種方法。

3） MP5顯示屏不得在前風(fēng)窗上成像，從而影響駕駛員觀看前方道路的視野；也不得在側(cè)風(fēng)窗上駕駛員觀看后視鏡的區(qū)域內(nèi)成像，從而影響駕駛員觀看后視鏡的視野。其校核方法與儀表發(fā)光元件的成像校核相同。

另外，在汽車中還有許多開關(guān)上都設(shè)計(jì)有帶照明的標(biāo)記[9]，到了晚上這些標(biāo)記會(huì)發(fā)光，發(fā)光標(biāo)記同儀表上的發(fā)光元件一樣可能會(huì)在前風(fēng)窗和側(cè)風(fēng)窗上成像，從而影響駕駛員觀看道路和后視鏡的視野，因此同儀表成像的校核方法一樣需對(duì)這些開關(guān)上的發(fā)光標(biāo)記的成像位置進(jìn)行校核和合理布置，避免對(duì)駕駛員造成視野干擾[10]。

在現(xiàn)代汽車中為了追求內(nèi)飾的美觀性，通常會(huì)設(shè)計(jì)一些鍍鉻的裝飾部件[11]，這些部件由于反光性較強(qiáng)，在白天會(huì)在前風(fēng)窗和側(cè)風(fēng)窗上成像，因此也需對(duì)這些部件的成像進(jìn)行校核和合理布置，校核方式同儀表成像校核方法相同。

3 結(jié)論

本文從人機(jī)工程學(xué)研究成果中論述了駕駛員觀看儀表臺(tái)上顯示面板的舒適性要求及影響駕駛員視覺舒適性的因素； 較全面地研究了駕駛員觀看儀表臺(tái)上顯示面板舒適性的校核方法，從而幫助設(shè)計(jì)人員合理布置顯示面板在儀表臺(tái)上的位置。

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（責(zé)任編輯：李 麗，吳曉紅，編輯：丁 寒）