一种基于人眼特性的非线性汽车内饰LED灯光调节策略

宋昀洁,李武斌,胡留成,巫冠群

(北京汽车研究院股份有限公司汽车工程研究院,北京 101300)

0 引言

照明系统设计，是汽车内饰设计中很重要的一个因素。随着人们对汽车发展的需求，用户不仅仅满足于照明系统的信息指示功能和车内氛围照明。对背景光亮度变化的舒适性，也提出了越来越高的要求。灯光亮度变化多样性及舒适性的提升，不仅能够为用户带来更好的体验，提升整车品质，也成为汽车向着精细化、人性化发展的一个重要因素。

目前很多车型，在背景照明的打开和关闭的过程中采用了渐亮渐灭的方式，但是常出现渐亮时亮度变化较快而渐灭时亮度变化较慢的现象，让用户感觉变化不一致不均匀。因此，提出一种符合心理感受的亮度变化设计，有着非常重要的意义。

本文作者研究了人眼对客观亮度变化的响应特性，提出客观亮度按某一规律进行非线性调节，可以实现人眼感知亮度接近于线性变化。基于孟塞尔颜色体系中的明视度(主观亮度)与亮度因数(客观亮度)之间的关系，通过实验测试对其进行修正，提出了一种切实可行的调光曲线。经过实车验证，新的方案能够确保亮度变化更加均匀平顺，进一步提高了用户的感知度。

1 人眼对亮度变化的响应特性

1.1 人眼感知亮度变化的特性

人眼分辨亮度变化的能力是有限的，可以通过实验，让人眼观察如图1所示的P1和P2两个亮度可调的画面，使P1亮度从B缓慢增加至B+ΔB。当增量ΔB很小时，人眼是分辨不出P1和P2是有差别的。当人眼刚刚察觉两个画面的亮度有差别时，认为P1和P2亮度相差一级，并记录亮度的最小可见度阈值ΔBmin。

图1 亮度级数实验方法示意

利用相同的方法，可以得出实际亮度变化所引起的主观亮度感受变化曲线，如图2所示。

图2 主观亮度变化曲线

由此可见，人眼感受到的亮度变化与客观亮度变化呈非线性关系，人眼对于低亮度的感受较高亮度更敏感。体现在无颜色的中性色时[1]，如图3所示。

图3 人眼感受对比图

虽然，人眼可分辨的最小亮度差ΔBmin不同，但ΔB/B是相同的，并等于一个常数。根据韦伯-费纳希定律(Weber Fechner Law)[2-3]，人眼亮度感觉的增量ΔS(心理量)不是正比于客观亮度的增量ΔB，而是正比于亮度的相对增量ΔB/B，即

(1)

其中k为常数，对式(1)进行积分可得

S=k0lnB+k1

(2)

式中：k0，k1均为常数。

式(2)表明，主观亮度感觉与客观亮度的对数呈线性关系。

1.2 孟赛尔颜色体系

韦伯-费纳希定律仅从心理角度证明了亮度变化与人眼感受之间的关系，没有考虑颜色因素和实际应用。人们通过研究和大量实验，建立了不同的色度学模型，其中孟赛尔颜色体系在国际中应用广泛，并且CIE 1976对其进行了修正[4]。

孟赛尔颜色模型从生理心理学角度得到了主观亮度与客观亮度的对应关系，明确了亮度、颜色等在人眼感知时的非线性关系。如图4所示的孟赛尔颜色立体示意图，中央轴代表中性色的明度等级，把亮度因数等于102的理想白色定义为等级10，而把亮度因数等于0的理想黑色定义为等级0。这样，孟赛尔明度值V共分成0～10的在主观感觉上等距离的11个等级。孟赛尔颜色体系明度值等级是用视觉实验的方法求得的，用光谱光度的方法测出各明度等级样卡的亮度因数Y。

明度值V与亮度因数Y之间的函数关系，如下：

Y=1.221 9V-0.231 11V2+0.239 51V3-0.021 009V4+0.000 840 4V5

(3)

CIE 1976对式(3)进行了修订，如下：

(4)

式中：V为CIE 1976中定义的均匀颜色空间的明度；Y0为完全漫反射体的亮度因数，Y0=100。

由式(4)可见，人眼感知的亮度与客观亮度之间存在近似于幂指数的关系。

图4 孟塞尔颜色体系立体示意

2 LED调光曲线优化设计

2.1 PWM调光技术

汽车背景照明系统常采用LED灯具，其亮度基本正比于通过LED的电流。因此，调节LED正向电流大小可以调节LED亮度。目前，工程上常用的调光技术是脉冲宽度调节(PWM)[5-7]。

PWM调光基于人眼视觉暂留特性，即当光源停止发光后，光源的视觉像不会马上消失，可以暂时在眼睛中停留。PWM使负载LED时亮时暗，如果亮暗的时间比视觉暂留时间短，人眼看到的是LED常亮。为了满足各种工况，PWM的工作频率越高越好，一般大于100 Hz。

PWM的原理是以一固定直流电压经过以一定频率打开和闭合的开关，从而控制改变LED上的平均电流。设开关开闭周期为T，每次闭合时间为t，则占空比定义为

(5)

保持PWM方波振幅不变的情况下，改变占空比，平均电压可以被控制。如图5所示。

图5 占空比示意

图中T为正脉冲的持续时间(LED发光时间)，即为脉冲周期。

用PWM方法驱动LED灯，当T不变(即工作频率固定)时，占空比较小的脉冲信号，对应产生的平均电压相对较低，LED亮度比较暗；占空比较大的脉冲信号，对应产生的平均电压相对较高，LED亮度比较高。由此可以推出，LED发光亮度与占空比大小成正比关系。

设能够感知的明视度等级为N级，由控制单元设置的级数N越多，能够精确实现的明视度差别级数就越多。根据以上推论，可得：

(6)

2.2 LED调光曲线优化设计

目前常用的LED调光曲线，是线性调光曲线，如图6所示。

图6 线性调光曲线

图中X轴代表亮度级数(N)，Y轴代表占空比大小。随着亮度级数的增加，占空比等比例增加。根据韦伯-费纳希定律可以推知，客观亮度的等比例变化对于人眼感受来说是非线性的。具体表现是：从亮到暗变化缓慢，而从暗到亮变化会快，甚至会出现跳变，给人一种闪光的感觉。因此，为了实现人眼感知的亮度变化是线性的，占空比调节应按对数关系进行设计，即：

(7)

取N=0～100，可以得到图7所示曲线。

图7 调光曲线

不同亮度级数，对应的占空比大小数值见表1。

表1 不同亮度级数下的占空比数值

3 LED调光优化工程实现

3.1 内饰灯光调节系统构成

文中提出的方法应用于车内背景照明系统中，可以集成于车身控制器或灯光控制模块。控制模块根据外部的灯光开关输入和亮度要求，调用亮度校正曲线，再输出至LED驱动电路，控制LED灯渐亮渐灭。如图8所示。

图8 背景照明系统结构

3.2 软件逻辑实现

内饰灯光控制的软件逻辑如下：

(1)根据亮度初始值，调节模型判断灯光渐亮或者渐灭，同时实际输出PWM占空比与初始亮度输入对比值，和渐亮/渐灭过程中的校正值实时反馈给调节模型；

(2)调节模型根据反馈值，按照模型调度周期，输出需要执行的下一个亮度级数N和时间步长；

(3)调节模型输出的时间步长和亮度级数N，通过渐亮/渐灭校正曲线，采用查找表的方法，输出对应的亮度PWM占空比输入给驱动芯片，同时反馈信息。

灯光调节逻辑状态图如图9所示。

图9 灯光调节逻辑状态图

基于上述设计方法，在实车验证时，由于LED光源并非CIE定义中的理想光源，并且由于透光材料均匀性不一致，都会对实验结果产生影响，使得实际整改效果与理论计算不完全一致。通过多次实验和测试验证，对表1中的数据进行了调整，调整后的曲线和数据如图10所示。

图10 亮度调整曲线

由图可知，N在介于28～73之间，亮度变化较式(7)更缓慢;N>73时，亮度变化较快。

调整后的效果，背景光亮度渐亮的过程与渐灭过程，主观感知变换速率一致，并且在变化的过程中，不同级别的亮度变化更加平顺，达到期望的效果。

4 结论

文中研究人眼对客观亮度变化的响应特性，基于孟塞尔颜色体系中明视度和亮度的非线性关系，建立了汽车内饰LED照明的亮度级数和驱动占空比的优化控制关系曲线。

通过实车测试验证，修正后的调光曲线驱动输出，达到人眼对汽车内饰背景LED光亮度变化的均匀感觉的效果，大幅度提升了用户感知的舒适度。