客機駕駛艙復雜光環(huán)境下不舒適眩光評價方法與預測模型

李 健，楊 彪

(哈爾濱工業(yè)大學(深圳)建筑學院，廣東 深圳 518055)

引言

客機駕駛艙視覺舒適度是保證飛行員駕駛工作績效的關鍵因素之一。不舒適眩光可能導致飛行員視覺疲勞與誤操作，對飛行員健康及安全駕駛造成危害[1，2]。因此，駕駛艙照明設計在客機視覺功效設計中具有顯著的意義，而這其中包括亮度范圍、顏色選擇、輔助照明、眩光控制等[3,4]。在本文中，視覺舒適定義為不舒適眩光、視覺可見光、視覺對比度等的改善與控制[5]。

眩光是一種視覺條件，這種條件的形成是由于亮度分布不適當,或亮度變化的幅度太大,或空間、時間上存在著極端的對比,以致引起不舒適或降低觀察重要物體的能力,或同時產生這兩種現(xiàn)象[6]。不舒適眩光是在不損害物體視覺的情況下引起不適的眩光[7]。光幕眩光被定義為由反射引起的視覺對比度降低，視覺目標的對比度低于感知閾值，導致目標的可視性或可讀性困難。人眼對亮度的適應狀態(tài)決定于人眼對可見光的光譜敏感度，根據(jù)光譜敏感度的定義，視覺適應狀態(tài)有三種，分別是明視覺、暗視覺和中間視覺[8-10]。在飛機駕駛艙等照明環(huán)境中，人眼的行為具有自適應性，視知覺也隨之發(fā)生變化。

為了充分理解復雜光環(huán)境和人類視覺不舒適知覺之間的關系,我們制造了一個范圍變化更大的照明環(huán)境,使用強光源用于模擬戶外的陽光和全尺寸客機模擬駕駛艙模擬室內照明,在這復雜的光環(huán)境中，不舒適眩光與光幕眩光可能同時導致視知覺的不舒適性。本研究的目的是得到一種可靠且可重復的評價方法作為復雜光環(huán)境中不舒適眩光的預測模型。

1 不舒適眩光模型

眩光評價模型如UGR和DGI關注眩光源亮度和背景亮度之間的比例,但眩光源的物理規(guī)格(光源數(shù)量、類型、尺寸、視野內位置等等)在所有的模型都視為相同[11]。CIE推薦的統(tǒng)一眩光指標(Unified Glare Rating，UGR)是應用最廣泛的，因為它包含了現(xiàn)有模型的所有特性，并且在預測具有均勻亮度的常規(guī)照明光源方面表現(xiàn)良好[6]。DGI(Daylight Glare Index，日光眩光指數(shù))是基于康奈爾(Cornell)公式的一種分析關系，該公式是為了定義來自大型人工光源的不舒適眩光而開發(fā)的，根據(jù)BGI(Building Research Station Glare Index，建筑研究站眩光指數(shù))在大型人工光源實驗結果的基礎上修改的。但對于亮度不均勻的眩光源，DGI存在一定的局限性和預測困難[12]。DGP(Daylight Glare Probability，日光眩光概率)將人類視野大小和視覺任務的要求納入考察范圍，根據(jù)視知覺任務得到的結果，得到不舒適眩光評價的概率大小。該指標是采用CCD相機技術在實際光照條件下測量得到的視覺評價指標。它同時考慮對比度和亮度對不舒適眩光評價的影響，而其他眩光指標只考慮對比度[11]。Jakubiec和Reinhart[13]比較了3個不同建筑空間內144個天空條件下5個眩光指標的模擬結果來驗證這些指標預測不舒適眩光的準確性，從而作為適人性空間設計的參考。其中分析的眩光指標有DGI、CIE眩光指標(CIE Glare Index，CGI)、視覺舒適度概率(visual comfort probability，VCP)、UGR和DGP。為了同時處理多個位置和觀察視角的問題，他們引入了“自適應區(qū)域”的概念，在該區(qū)域內建筑居住者可以自由地調整他們的位置和視角來減少眩光的影響。適應性區(qū)域的空間和方向程度取決于家具布局和居住者任務的自由度。結果表明，在現(xiàn)有的不舒適眩光指標中，DGP是最不可能給出假陽性的眩光評價指標。

基于人類感覺變化符合費希納定律、呈現(xiàn)非線性這一事實現(xiàn)象，大多數(shù)眩光模型都被表示為對數(shù)函數(shù)模型。實驗研究表明，由于視桿細胞和視錐細胞在視網(wǎng)膜內的分布，眼睛對眩光的反應是可以預測的。視網(wǎng)膜離中心凹越近的區(qū)域，視覺敏感元素(視桿細胞和視錐細胞)的密度越高[1，9]。眼睛的功能可以看作是一種傳感器，但是人類感覺畢竟是主觀的，且與個人的行為和環(huán)境有關。在基于統(tǒng)計的眩光研究的基礎上得到的多種眩光評價模型仍多數(shù)為忽略參數(shù)不確定性和不精確性的數(shù)學計算公式[14]。

針對人類視覺的分析應該考慮整個認知知覺過程，從早期通過傳感器(眼睛)獲得的信號到最終的生理與行為表征結果(大腦)。來自不同領域的研究人員已經(jīng)開始關注在視覺環(huán)境下對人類不舒適眩光評價引起的生理和心理反應。Bargary等[8]研究了導致不舒適眩光的生理機制，通過控制到達視網(wǎng)膜的光量和改變眩光光源的光學特性，得到了一些潛在的認知生理模型。他們使用基于光感受器的反應飽和度以及對眩光源邊緣響應神經(jīng)信號總體反應的兩階段模型來預測視覺感受。而Scheir等[15]根據(jù)視覺認知過程提出了另一種心理-物理模型來評估眩光的視覺不舒適性。Safdar等[16]和馬智等[17]根據(jù)基于亮度的空間分布利用人類視覺系統(tǒng)的神經(jīng)計算過程來對眩光的視覺神經(jīng)響應進行建模，這一模型被他們命名為基于神經(jīng)響應的眩光模型(neural response-based glare model,NRGM)。然而，這整個知覺過程的理解和建模都是相當困難的，這就是為什么現(xiàn)有的模型是基于不同的假設構建的，因此有時彼此并不完全一致。盡管如此，這些模型與不舒適眩光評價的物理模型一樣，都可作為不舒適眩光對人類的生理與心理影響的總體機制的有益補充。因此，本研究也從眩光評價的物理及神經(jīng)模型這兩方面入手，逐個考察不同不舒適眩光評價方法與預測模型的應用方法并檢驗其模型的預測精度。

2 實驗方法

本實驗以不同光環(huán)境因素作為實驗自變量，視覺場景的視覺舒適度作為因變量的多因素被試內實驗設計，本次實驗中三種變量被操控用于模擬晝/夜飛行模式下的不同的光照條件。夜間飛行模式光照條件通過駕駛艙主顯示器(亮度范圍:0%，25%，50%，75%，100%),導光板(亮度范圍:0%，50%，100%)，泛光燈(亮度范圍:0%，50%、100%)進行調節(jié)，日間飛行模式光照條件由大燈(2000～15000 lx，共7級)，主顯示器(亮度范圍: 0%，50%，100%)，和雷暴照明模式(開/關)進行控制。總共87種不同的光照場景(其中45種為夜間飛行模式，其余為日間飛行模式)在真實尺寸的模擬駕駛艙內進行復現(xiàn)。其他混淆變量都得到了很好的控制或保持恒定。

圖1 真實尺寸模擬駕駛艙和大燈位置示意圖Fig.1 The location map of the cockpit domo mock-up and the lamp

兩種飛行模式下分別由20名被試使用9級舒適度評定量表對這些光照場景下駕駛艙內三個主要部分(包括主顯示器、頂部板和操作臺)的視覺感受性進行舒適度評價。日間飛行模式下實驗開始前，研究人員向被試展示兩種極端的場景照明條件，分別定為“1”級代表最舒適的視覺感受性和“9”級代表最不舒適的視覺感受性。所有的條件都是隨機呈現(xiàn)的，每個條件都停留在1 min以上，以便參與者進行環(huán)境光適應。

1—主顯示器視角魚眼圖像;2—頂部板視角魚眼圖像;3—操作臺視角魚眼圖像;4—主顯示器視角偽彩色圖;5—頂部板視角偽彩色圖;6—操作臺視角偽彩色圖圖2 日間飛行模式下亮度圖片和偽彩圖Fig.2 The luminance images and pseudo-color images for the daylight flight mode

針對每種照明場景，利用CCD(電荷耦合器件)相機的高動態(tài)范圍(HDR)亮度映射技術，使用魚眼鏡頭對駕駛艙內180°視野范圍進行亮度測量[18,19]。選取光源亮度、背景亮度、位置指數(shù)、光源立體角、垂直照度等5個參數(shù)，計算不同的不舒適眩光指標，包括UGR、DGI、DGP。同時也利用基于神經(jīng)響應的眩光模型(NGRM)進行了計算，具體計算過程基于Safdar等[16]所作的研究工作。通過相關分析，找出不同眩光模型與不舒適眩光評價結果之間的關系，使用計算得到的各眩光模型的相關系數(shù)作為模型評價的衡量標準。

3 結果與討論

實驗結果分析主要包括對自變量、因變量關系的統(tǒng)計描述，以及不同眩光指標及模型對因變量的相關性分析。其結果將呈現(xiàn)在相關系數(shù)表以及相關矩陣圖中。實驗數(shù)據(jù)的AVONA重復測量表明，在夜間飛行模式下，隨著泛光亮度的降低(F=36.563, df=6,p<0.001)和光板亮度的降低(F=22.883, df=6,p<0.001)，各視角方向(主顯示器、頂部板、操作臺)的視覺舒適度評分均上升。對于主顯示器，隨著亮度的增加，視覺舒適度評分先下降后上升，呈U型曲線(F=2.135, df=12,p=0.012)。在日間飛行模式下，隨大燈亮度的增加，各視角方向的視覺舒適度評價上升(F=27.535, df=18,p<0.001)。隨著主顯示器亮度的降低，頂部板的視覺舒適度上升(F=5.730, df=2,p=0.003)。雷暴模式降低了操作臺的視覺舒適度(F=10.448, df=3,p<0.001)。

不同眩光模型與舒適度評分的相關分析結果如表1所示。不同飛行模式下，不同視角的眩光評價相關矩陣如圖3、圖4所示。結果表明，目前基于UGR或DGI的眩光指數(shù)并不能反映不舒適眩光知覺評價的變化趨勢。在日間飛行模式下，DGP對眩光的視覺舒適度的預測精度優(yōu)于UGR和DGI，而在夜間飛行模式下，DGP對眩光的視覺舒適度的預測精度較差。在日間飛行模式下，優(yōu)化的NRGM與DGP有較強的相關性，但優(yōu)化的k值在不同視角之間存在差異，這說明不同視角的眩光知覺涉及不同的視覺認知過程，有待進一步的研究。

表1 各眩光模型和亮度測量數(shù)據(jù)與不舒適評分的相關系數(shù)結果

圖3 日間飛行模式下各指標相關矩陣圖Fig.3 The scatterplot matrix of each index for the daylight flight mode

圖4 夜間飛行模式下各指標相關矩陣圖Fig.4 The scatterplot matrix of each index for the night flight mode

4 結論

本文研究了復雜照明環(huán)境下的不舒適眩光評價，體現(xiàn)了飛機駕駛艙照明環(huán)境與傳統(tǒng)照明環(huán)境下的不舒適眩光評價的異同。DGP比UGR/DGI更適合于復雜光環(huán)境下的不舒適眩光評價衡量指標，但該模型還遠遠不夠精確反映真實的眩光評價視覺感受性。NRGM模型與DGP具有較強的相關性，并有可能反映具備適應性的視覺加工過程，因而該眩光評價模型的應用可能在復雜照明環(huán)境中得到擴展。因此，對于如客機駕駛艙的非單一光源照明的復雜光環(huán)境來說，有必要采用一種新的視覺評價模型來評估眩光造成的視覺感受性變化。