飞机座舱多功能显示器自适应亮度曲线

徐 敏，曾庆兵，邱婧婧

(上海航空电器有限公司，上海 201101)

引言

现代高性能飞机在全天候气象条件下使用愈加频繁，照射在座舱中的环境光照度跨度非常大，在太阳直射时，座舱内照度可达105lx，在无月晴朗的夜晚，环境光照度可低至10-3lx[1]。为了使飞行员能够在不同的环境光照明条件下，实时准确地获取与辨认各种飞行显示信息，及时准确地操纵飞机，这要求座舱显示能根据环境光的不同自行进行控制。座舱的显示器是飞行员与飞机系统和作战信息的重要交互接口。随着航空电子技术的发展，座舱的显示系统朝着大屏幕化、综合化、信息化和智能化的方向发展[2]。因此，本研究将座舱多功能显示器作为研究对象，开展其自适应亮度控制曲线研究。

赵晓枫等[3]研究了夜间暗环境下驾驶员读取夜视车载平显信息的亮度感知特点，并建立了夜视车载平显的亮度调节模型，符合幂指数小于1的幂函数模型,环境照度范围是0.1～3 200 lx。张艳霞等[4]研究了10 000 lx、20 000 lx、30 000 lx三种环境照度以及手机屏幕亮度对视觉搜索绩效的影响，并提出在室外不同的环境照度下手机屏幕亮度的最优值设置参数，结果显示环境照度和手机屏幕亮度的最优值是线性变化的。Guterman等[5]研究了屏幕和环境亮度对数字图像偏好的影响，环境亮度范围在15～200 cd/m2之间，结果发现屏幕中等亮度水平的评分最高，环境亮度的影响微弱。武童瑶等[6]发现在人工照明环境下手机阅读舒适性随阅读面照度的不断增加而先升高后下降。以上研究结论并不完全一致，主要原因是实验变量取值范围和间距的差异。本研究旨在探索多功能显示器适宜亮度参数随全天候光环境变化的规律，实验环境照度变化范围在0.1～10 000 lx之间。

1 方法

1.1 仪器和设备

彩色亮度计LumiCam 1300 color，用于测试座舱多功能显示器字符亮度水平；照度计Fluke 941，用于测试座舱环境照度水平；可移动暗室，由太阳灯光源设备、拂晓/黄昏模拟设备、月光模拟设备等组成，用于模拟全天候自然光环境，本研究实验环境照度水平共有13个，分别为：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；全尺寸模拟座舱，包括多个显示器、警告灯/信号灯板、控制板等，本研究的对象为多功能显示器，其相对位置如图1所示，多功能显示器显示界面为飞行计划界面。

图1 模拟座舱示意图Fig.1 Layout of simulator flight deck

1.2 被试

被试人数15人，年龄为28岁～37岁，校正视力1.0以上，色觉正常。被试不参加实验准备，实验前不接触实验用材料。

1.3 实验任务

被试在不同的环境光照条件下，调节多功能显示器的亮度至三种水平，分别是认清显示设备显示字符所需的最低亮度、最合适亮度和可接受的最高亮度。

1.4 实验步骤

实验准备阶段，主试确定13种环境照明水平对应的光源设备调节值，照度计测试点分布在多功能显示器周边，共5个点，如图2所示，取其平均值进行标定。

图2 环境照度测试点Fig.2 Test points of environmental illuminance

主试向被试讲解实验流程，并要求被试完成两组练习实验来熟悉实验任务和程序，之后被试进行30分钟暗适应。主试调节第一个环境照明水平，即0.1 lx，被试完成多功能显示器亮度调节任务10次，主试记录被试每次调节后的多功能显示器调节值。之后，主试调节下一个环境照明水平，照度值依次递增，直至所有照明水平的亮度调节任务都完成。

被试完成实验后，主试复现显示器调节值，测量字符亮度，采用成像亮度计，连续测试3次，最后取3次测试的平均值。再计算被试10次调节的亮度值的平均值，作为该被试在单个照明水平下的调节结果。

2 结果与讨论

统计被试在13种环境照度条件下，所调节的第50百分位(P50)的最低亮度、合适亮度和最高亮度值，以及最低亮度、合适亮度和最高亮度的平均值，剔除异常值后的结果如表1所示。

韦伯-费希纳定律表明人体心理感觉量的增加落后于物理刺激量的增加，物理刺激量成几何级数增长，心理量成算术级数增长[7]。因此在建立显示器自适应亮度曲线模型时，自变量为以自然数为底的环境照度对数值，因变量为第50百分位的适宜亮度，拟合曲线如图3所示，拟合方程如式(1)所示,式中L为显示器亮度，E为环境照度。结果显示，调整后R2为0.949，即模型可以解释实验数据中94.9%的变异量，方差分析F值为223.496，p小于0.01，即模型具有统计学意义。

表1 被试在13种照境照度下调节的显示器亮度值

图3 显示器自适应亮度曲线Fig.3 Adaptive brightness curve of display

(1)

显示器调节亮度随环境照度的变化趋势符合实验预期，即当环境照度成几何级数增长，显示器亮度呈指数增长，其变化趋势符合以往赵晓枫等人的研究。因各个研究的环境照度变量取值范围存在差异，曲线模型并不完全一致。

本研究选取中位数作为亮度值的代表值，与平均值相比，它不受极大或极小值的影响，在一定程度上缓解小样本可能带来偏差的风险。通过对比平均值和P50亮度曲线，也发现了P50曲线能更好地描述被试调节值与环境照度之间的变化关系。

本研究主要依据被试的主观感受获得了显示器自适应亮度曲线，显示器亮度除了影响人的舒适度之外，还会对人的认知任务工效产生影响。李浩然等的研究发现，车载显示亮度的增加会一定程度上增加夜间驾驶的危险以及司机的疲劳程度。因此，在后续研究中，将依据本研究结果设置多个显示器亮度水平，引入认知任务等进行亮度曲线的优化和验证研究。

3 结论

本文针对环境光大幅度变化条件下，需要飞行员不断调节座舱多功能显示器，以满足视觉需求的问题，开展多功能显示器自动亮度曲线模型研究，不同环境条件下显示器调节亮度存在显著差异，显示器调节亮度随着环境亮度的增加而提高，拟合方程调整后确定系数为0.949。模型待工程应用验证，可在后续应用研究中不断迭代优化。