整车人机工程视觉舒适性设计方法

赵爱霞

随着新型显示技术及数字液晶屏的迅猛发展，新车型造型主推大尺寸无帽檐双联屏、三联屏，甚至曲面屏。座舱的智能化发展给视觉舒适性问题的识别及应对方案带来了巨大挑战。同时，市场在售车型出现大屏日间反光、夜间成像的客户抱怨点。严重的视觉舒适性问题将影响到客户的用车安全。介绍了在整车人机工程新产品开发过程中对视觉舒适性设计的管控方法，并运用虚拟工况评审，对开发车型进行主观评价。关键词： 视觉舒适性;炫目;视觉遮挡;风窗投影;主观评价

0 前言

随着智能座舱及虚拟显示技术的迅猛发展，整车的设计理念逐渐转向追求科技化和智能化。车载显示设备的尺寸越来越大，设备数量越来越多，且出现显示屏无帽檐化的发展趋势。 这种设计趋势带来了新的客户抱怨点。很多汽车驾驶员在白天驾车时发现显示屏明晃刺眼，在夜间则发现在前风窗玻璃或侧风窗玻璃上有显示屏投影。当日间眩目点和夜间投影出现在驾驶员的前方或侧方视野内时，会给用户的正常驾驶带来安全隐患[1]。这是整车人机工程开发中非常重要的驾驶员视觉舒适性问题。

1 視觉舒适性问题概述

在正常驾驶过程中，用户需要通过眼睛感知路况及驾驶环境，读取车辆显示屏的有效信息，并作出正确的判断与驾驶操作，所以视觉舒适性对于整车的有效控制非常重要。视觉舒适性问题可分为4类：炫目（Glare）、风窗投影（Reflection）、视野遮挡（Obscuration）、泛白（Washout/Haze）。在整车人机工程学中，这4类问题被统称为“GROW”。

（1）炫目干扰。当环境光或者太阳光入射到车内，经过显示屏或者镀铬饰条等具有高反射率的零件表面反射，反射光进入驾驶员眼睛。若视野内有强光照射，则人眼会产生刺目等不舒适感及视觉障碍现象，这种现象被称为“炫目干扰”（图1）。炫目干扰会影响整车行车安全，并会损害用户身体健康，其危害性较大，在设计过程中应该坚决避免。

（2）投影干扰。该现象可分为夜间投影与日间投影。如图2所示，夜间投影现象是指在环境阴暗条件下，由车内显示屏、开关背光、灯光，以及其他发光源在前方风窗玻璃和侧方风窗玻璃上形成影像。如图3所示，日间投影现象是指阳光直射到车内部件表面，如组合拨杆、方向盘等，由于零件的特征棱线、分缝线、分界线或分色造成有对比度的影像，在风窗玻璃、显示屏，以及仪表透明罩（LENS）上产生薄纱成像效应。

（3）视野遮挡。如图4所示，该现象是指观察组合仪表、娱乐大屏，以及开关的直接视野被方向盘、换档机构、周边饰板等部件遮挡的状态。

（4）泛白。如图5所示，泛白现象是指因环境光入射到车内显示屏表面，在其表面发生漫反射，形成混沌状的光斑，影响驾驶员读取显示屏信息，甚至造成行车危险。影响泛白的主要因素有：①环境光强度;②屏幕位置、曲率和角度;③屏幕显示亮度及画面对比度。

2 视觉舒适性开发方法

2.1 视觉舒适性开发

在造型主题草图设计阶段，显示屏配置及位置、风口及装饰条的位置已经初步确定。因此，视觉舒适性开发在造型设计意图讨论阶段就需要人机工程师的介入，应对方案设计进行视觉舒适性工程的开发。如果在虚拟开发阶段管控不到位，则对于在实车阶段发现的视觉舒适性问题只能进行细微优化。如要彻底解决视觉舒适性问题，则会引起仪表板整体造型和结构设计的较大改变，严重影响到项目的正常开发进度，甚至会产生百万元级的工程更改费用。整个视觉舒适性开发可以分为以下3个阶段。

（1）前期策略及目标定义阶段。基于架构乘员布置硬点，工程师须完成前风窗A、B区和侧车窗外后视镜观察区的绘制（图6）;利用光学反射几何原理，借助工程软件完成简单的光路传递分析，或者利用专业OPTIS光学分析软件，完成1轮简单的GROW状态模拟;架构集成管控仪表、各种显示屏幕、风口位置和角度布置，限制造型及内饰件色彩材质定义，尽量避免内饰表面及装饰件采用高光泽度材料，确保造型主题不存在严重视觉舒适性问题。

（2）中期视觉舒适性开发阶段。在造型主题确定至造型冻结前，工程师须伴随造型开发，完成组合仪表、中控屏等信息系统的炫目、风窗投影、视野遮挡、泛白等几何方法校核，在造型冻结前解决物理光学几何问题。数据开发阶段的虚拟校核对于解决视觉干扰问题至关重要，可规避重大视觉舒适性问题。在造型伴随期间，工程师须完成2～3轮完整OPTIS软件虚拟校核分析。在造型冻结前，工程师应支持造型意图的实现，并支持整车A级曲面及内饰件色彩材质的定义。

（3）样车制造阶段。在该阶段，工程师应完成组合仪表、显示屏等信息显示系统的炫目、风窗投影、视野遮挡、泛白现象的实车验证，规避视觉舒适性问题，并进行部分视觉舒适性遗留问题的优化。

2.2 视觉舒适性开发关键控制

与视觉舒适性相关的核心部件主要有仪表、娱乐大屏等，其初始的布置位置由人机工程师进行推荐并进行最终确认。具体的视觉舒适性开发关键控制包括以下几个方面。

（1）仪表布置过程及关键控制参数。如图7所示，A1为显示屏下视角度，角度一般控制在30 °以内;A2为显示屏直接视角，角度一般控制在90±5 °，但无帽檐液晶显示屏的角度须进一步减小，以避免炫目问题;L1为显示屏视距，距离一般控制在750 mm之内。中控屏布置一般只控制A1下视角。

（2）娱乐信息屏布置过程及关键控制参数。如图8所示，信息屏的下视野角度A4角度的要求同A1;直接视角A5角度的要求为90±10 °，且需要针对炫目结果及直接视野舒适性的要求进行平衡调整;中控屏右视角度A6角度应控制在60 °以内。

2.3 视觉舒适性虚拟分析工况

视觉舒适性虚拟分析校核可以使用CATIA、OPTIS、CAVA、UG等软件，分别用于校核95%眼椭圆[2]极限眼点，并应以最恶劣的眼点做结果评估（图9）。

在虚拟开发阶段，视觉舒适性分析工况可参考表1所示的参考条目进行分析控制。

2.4 视觉舒适性问题判定

在完成以上重点区域零部件的虚拟校核后，工程师需要对视觉舒适性问题进行校核判定。具体的视觉舒适性问题判定标准如表2所示。

2.5 视觉舒适性问题优化

在进行虚拟校核时，如果发现不可接受问题，如大面积炫目、风窗外后视镜观察区域成像等，工程师必须针对此类问题进行优化，推进造型及相关工程师采取必要的修改措施。如增加帽檐长度，改变风窗透明区大小及角度，改变显示屏的位置及角度，对屏幕表面进行特殊化处理等，并结合实物进行模拟验证，以确认方案有效。具体视觉舒适性问题的优化有以下几种方式。

（1）解决显示屏炫目问题的核心工程方案是阻断光线传递路径，改变玻璃透明区边界，优化显示屏位置及角度，如图10所示。如考虑到造型主题平衡，需要接受炫目状态，则应对显示屏的表面处理工艺进行优化调整。例如，增加减炫目/减反射膜，对内饰高反射率的镀铬饰条采用亚光电镀或喷银漆处理以降低炫目度等。

（2）如图11所示，成像问题的解决主要通过优化玻璃位置、角度、曲率及发光零件的位置来进行，使灯光反射在玻璃上的成像产生集聚，减小成像面积，弱化成像产生的影响。在仪表板前端的除霜、除雾风口的日間成像无法规避，设计原则是越靠近前风窗下边缘越好，以避开驾驶员的核心视野领域。但是，由于除霜、除雾风口太靠近前风窗会影响到除霜、除雾效能，因此在设计过程中须结合项目的实际要求来平衡各设计方的诉求。夜间成像优化主要通过调整显示屏的位置和角度，以及调整显示屏帽檐的长短设计来阻断显示屏管路通过光线反射进入人眼。如果显示屏造型采用无帽檐设计，则需要增加屏幕偏振膜，并控制光线角度。

（3）解决视野遮挡问题的主要手段是优化零件布置位置，实现车辆信息单目可见。

95%眼椭圆过方向盘内轮辐上下极限切线点，方向盘处于设计位置;用左右上极限眼点分别过方向盘轮辐内圈设计位置做仪表上可视极限边界取并集;用左右下极限眼点过驾驶员安全气囊设计位置做仪表下可视极限边界取并集;校核上下并集区与仪表显示区遮挡区域高度;遮挡区域高度大于17 mm，则用方向盘极限位置进行下一步校核判断。

3 视觉舒适性主观评价

在工程样车阶段，工程师可依据虚拟评审及优化方案的实施情况进行视觉舒适性实车评估验证。评价目的是核查实车状态与虚拟校核的一致性，并对实车状态查漏补缺。评价时间最好在晴天状态下进行，分别在早晨或傍晚、正午、夜晚（或暗室）进行3次评价。评价环境在日间应为室外相对空旷场地，无高大建筑物遮挡日间阳光;在暗室环境应为封闭状态，并可以模拟夜晚低亮度及无亮度环境。视觉舒适性实车主观评价项目如表3所示。

的一致性，并查漏补缺，发现在虚拟阶段未能发现的视觉舒适性问题，并进行改进。

4 结论

本文详细描述了在整车不同开发阶段如何管控整车视觉舒适性问题。针对整车虚拟开发阶段工况，技术人员进行了详细的定义和分析。同时，针对整车虚拟开发阶段视觉舒适性的校核状态，技术人员定义了问题判定标准，并给出了具有建设性的优化方法。该方法可以有效支持整车视觉舒适性的正向开发。

[1]唐燕兰. 车载显示屏视觉干扰问题的控制方法[C].中国汽车工程学年会，2007.

[2]美国汽车工程师协会. Motor vehicle driver‘s eye location[S]. SAE J 941， 2010：5-7.