载人潜水器操作屏幕的暗适应评估研究

2022-06-27高馨薇陈登凯孙意为

机械科学与技术 2022年6期

高馨薇，陈登凯，孙意为

(西北工业大学工业设计与人机工效工信部重点实验室，西安 710072)

海洋强国作为世界科技强国的重要组成部分,正逐渐成为我国建设优先发展的主要战略方向[1]。受战略需求牵引,海洋强国正在形成从先进水面支持母船,到可下潜1 000～11 000 m的载人/无人深海潜水器的综合谱系[2],实现高效勘探、作业技术的综合能力。载人潜水器的发展在一定程度上代表着国家海洋资源勘探开发能力乃至海洋权益维护能力和科技水平[3]。

载人潜水器作为深海运载工具,现已成为人类开展深海研究、开发和保护的技术手段和装备[2]。随着电子显示和信息系统的发展,潜器信息、能源情况、避碰决策等视觉任务通过潜航员与电子显示屏之间系统交互完成。潜航员处理舱内外的视觉能力直接影响潜水器作业安全性和准确度。研究表明,恶劣的视觉表现与光线条件差存在显著的关系[3],恶劣光照条件下潜航员的态势感知和决策能力减弱,势必威胁潜水器作业安全[4]。在深海作业过程中,潜水器内部主要光源来自于屏幕光,外部光源来自于高亮度探照灯,内外强烈的亮度对比对潜航员视觉功效有着显著影响。

人从光亮的地方进入黑暗的地方,开始视觉感受性很差,然后又逐渐提高,这个过程称为暗适应。统计得出,暗适应现象是引发交通事故的重要原因之一[5-7],驾驶人暗适应时间与事故发生率呈正相关。Nakagawara等[8]研究发现,暴露在明亮灯光下的夜间飞行导致的视觉问题是引起主要航空事故来源之一。而过渡照明作为缩短暗适应时间的方法之一,现已广泛应用在多个领域的安全工程中。张凌超等[9]在车辆驾驶适宜性方面确立亮度分级指标,以缓解暗适应带来的视觉障碍,减少事故发生概率;袁环宇等[10]提出在列车运营过程中实现过渡照明设计与普通照明衔接,进而缓解列车入库处视觉明暗差异带来的不适感;李光曦[11]细化过渡照明参数并运用在地下车库出入口处,将弱化的室外自然光线引入室内过渡段以达到过渡照明的目的;肖志军[12]与He等[13]针对隧道照度对行车安全的影响进行探讨,提出在隧道出入口处设立有级调光,进行有效的阶梯性照明。但大量的研究仅围绕交通安全进行过渡照明评估,未将过渡照明与载人潜水器这一特殊环境相结合。

综上所述,过渡照明方法在国内外有着广泛的应用,可见过渡照明方法在暗适应优化设计过程中的必要性和可行性。但以往过渡照明设计主要运用于普通交通工具,未对载人潜水器这一特殊空间提出具体的暗适应优化策略。因此,本文提出了一种应用于潜水器舱内的过渡屏照明方法,评估人员暗适应恢复程度,最大限度缩短潜航员暗适应时间。

1 研究背景

1.1 载人潜水器操控屏幕布局与特点

载人潜水器作为球形潜水装置,内部操作界面主要包括操作面板、数据采集模块、航行控制模拟模块和综合显示模块[14],其中操作面板作为潜航员控制和信息获取的主要界面,包括了操纵与驾驶所需的绝大部分开关和指示灯。

以“蛟龙号”载人潜水器舱内布局为例,操作面板位于驾驶台正前方,主驾驶面前共有4块显示屏、1块控制面板和1个圆形观察窗,驾驶员正上方的1块显示屏显示着潜水器的动力情况、工作时间、下潜深度和实时报警信息等各项状态数值,潜航员可以通过该面板在第一时间获取潜水器以及外界环境的相关数据。驾驶台正前方的控制面板主要由设备的启动和操作按键所组成,如灯光、摄像机,声学系统等,是主驾驶进行调试控制和报警信息获取的主要界面。下方横向排列的3块矩形显示面板是水下高清摄像机显示屏,可随时观测到海底地形、地貌等情况,方便驾驶和取样。主驾驶座正前方有一个直径为20 cm的有机玻璃观察窗,两侧乘员座位前各有一个直径为12 cm的观察窗。3个观察窗观测视野部分重合[15]。

潜器内布局及操作界面如图1与图2所示。

图1 潜器布局图2操作界面

1.2 潜航员操作现状

载人潜水器通过LED、HID、HMI等数盏水下探照灯对海底进行探照,使在潜水器前方形成直径为15 m的照明区域。潜航员在整个下潜作业过程中,不仅需要随时通过观察窗口观测外界环境,还需留意显示屏获取潜水器当前数据,确保科学调查和样本的采集有序进行。

受暗适应影响,在通过观察窗观看外界环境时候,潜航员逐渐适应外界探照灯营造的高亮光环境,当需要获取潜水器当前数据时,驾驶员需要经历一段时间适应低亮度视场。

潜航员实际操纵情景见图3。

图3 实际操纵

1.3 暗适应对潜航影响研究现状

暗适应是人眼适应暗环境的一种能力,随着光照强度的降低,人眼裸眼视力锐减,具体表现为从看不清周围事物到逐渐看清的视觉适应过程[16]。Shi等[17]通过对屏幕显示技术研究得出,较低照度环境下亮度是影响视觉反应的决定因素;孙铭壑[18]通过对仪表照明水平对视觉工效的研究,得出暗环境中仪表的适宜光照度为0.1lx,低于该亮度时,人员反应效率随仪表亮度的降低而降低;Plainis等[19]通过实验分析不同亮度下的暗适应时间证实了适应后的亮度值越低,暗适应时间越长的结论。

通过文献可知,处于低光照的潜器内环境将导致潜航人员暗适应时间延长,从而直接影响潜器操作。暗适应时间作为潜航过程中影响潜航员的重要视觉因素,其内外恶劣光照条件导致的暗适应问题仍旧有待解决。

随着下海勘探的深入,我国潜水器不断突破潜水极限,这给潜航员作业环境带来新的问题。潜航员进入深海作业最长接近12 h,即使潜航员在实际下海之前做好面对狭小密闭环境心理准备[20],但严苛的光环境、狭小密闭的空间及骤变的温度,对他们都是极大的考验和挑战。余浩等[21]通过研究表明潜艇舱室光环境直接影响艇员的健康状况,长时间处于视觉狭小的舱室内会影响人员视觉反应时间,记忆能力及警觉度。而暗适应作为影响潜航员操控的重要视觉影响因素,在国内外虽取得了一定的成果,但其研究主要集中在陆上交通领域,鲜有针对载人深潜内光环境对视觉的影响进行评估[22]。因此缓解暗适应带来的视觉延迟,提高潜航员操作质量、减少视觉失误率无疑会起到积极作用。

2 载人潜水器显示屏的暗适应实验

2.1 实验设计

实验为暗适应阈值测试,实验过程需要控制无关变量,排除外部光照影响,避免外部光环境对实验产生影响,选择在模拟搭建的暗环境内进行实验研究。为证明过渡照明方法对缩短人眼暗适应反应时间有积极作用,实验分别设置常规组和非常规组,常规组为被试人员通过暗适应仪接受5 min的光环境后直接进入暗适应阈值测试阶段,通过观察并对暗适应仪内箭头视标做出反应,获取主观暗适应时间数据;非常规组为被试人员接受5 min光环境后立刻接受相应时间的计算机屏幕亮度,随后返回暗适应仪进行暗适应阈值测试,获取主观暗适应时间数据。

为了更好的模拟潜水器中作业环境,本实验采用载人潜水器屏幕布局图作为过渡屏的背景图,随着每组实验调节不同屏幕亮度及观看时间。过渡屏界面示意图见图4。

图4 过渡屏幕示意图

整个实验分为两组,第一组实验是亮度对照实验,由5个连续的子实验组成,子实验1为常规实验,子实验2～5为过渡屏亮度分别达到15%、25%、35%、45%的对照实验,在每个子实验阶段将过渡屏亮度调节到对应的预设值,测得被试者在不同过渡屏亮度下的主观暗适应能力。暗适应阈值视标亮度等级和过渡屏亮度等级见表1。

表1 暗适应实验相关亮度值

第二组实验为时间对照组实验,由4个连续子实验组成,该组实验以亮度对照实验中最优过渡屏亮度等级为固定过渡屏亮度,在此基础上改变受试者观看固定亮度过渡屏的时间,其他步骤与第一组实验一致。

实验探究了随着观看过渡屏时间的增加,人眼暗适应能力的变化。将初始时间自变量设置为5 s,根据潜航员任务操作时间,每隔3 s划分时间等级,设置该组实验的时间梯度设置为5 s、8 s及11 s。在亮度实验的基础上,受试者需要另外观察固定亮度过渡屏8 s和11 s,随后正常进行暗适应阈值的测试。结合亮度对照实验,最终纪录下常规实验及观看固定亮度过渡屏5 s、8 s、11 s共4项人眼暗适应反应时间数据。

2.2 被试人员

本实验对象均为在校研究生。共有24名健康志愿者作为本实验的被测试者,实验对象年龄在22～28之间(平均25岁,标准差6.50)。参与者视力正常或佩戴处方镜片,有服用过任何药物。被测试者年龄与潜航员相仿,矫正后视力状态与潜航员相似。

被测试者信息见表2。

表2 被试人员情况

2.3 实验环境与设备

2.3.1 实验环境

由于潜水器内较强的背景光会对潜航员操作安全造成不利影响,因此实验在密闭暗环境中再现了潜航员应对的两种严苛的光环境。潜水器内部光环境主要由过渡屏幕亮度决定,观察窗外部环境由暗适应仪所提供的明环境决定,由于潜航员在下潜时视觉不仅受到过渡屏的光源影响,还会受到操作间内其他光源影响,包括指示灯、仪表盘及其他终端光源,这些以点光源为主的仪器仪表指示灯由于尺寸较小,亮度过低而对整个实验影响程度较小,所以忽略其他光源对实验的影响。实验选取过渡屏亮度为唯一变量,控制其他变量不变,整个实验无其他背景光源。

2.3.2 实验仪器

1) 暗适应仪

本实验采用YAK-2型暗适应客观检查仪进行暗适应阈值的测量,用于监测在亮度突变时视力急剧下降后的恢复能力,其基本原理是首先提供一个明适应环境,经过明适应后去观察不同亮度等级的暗视标,对视标进行判断,从而记录人眼达到适应的时间。

暗适应仪中视标外观见图5。

图5 暗适应仪器视标外观

该仪器配有LED灯光刺激源,其照度为640 cd/m2±10%,视距为300 mm±10%,经过5 min的光亮环境后灯光后立即熄灭,被试者在暗环境中观察视标方向并做出判断。

2) 过渡屏

实验过程中,16寸笔记本电脑屏幕亮度作为密闭空间中唯一的过渡屏光源。研究发现,视觉系统沿横向比沿纵向具有更快的视觉反应能力[23],故本实验中将电脑屏幕放置在YAK-2型客观暗适应检查仪的水平右侧,以达到提供不同过渡屏亮度的目的。将屏幕亮度百分位作为过渡屏不同亮度标准(见表1)。

3) 亮度计

实验选取HPL-210L型亮度传感器检测过渡屏中心位置亮度与实验人员面部周围亮度[24]。该亮度计可以实现全程实时测量,精度高,手持便携,既可准确测量屏幕亮度,亦可测量环境亮度。

2.4 实验流程

为预防被试人员因多次实验出现疲劳、烦躁的状态影响实验结果,亮度对照实验与时间对照实验被分开在不同时间进行,两组实验进行时间大于12 h。被试者在实验开始之前需知晓整个实验安排及注意事项,被试者应提前适应黑暗封闭环境,且始终用双眼进行观察。

步骤1 实验人员选择暗适应阈值测试,输入测试序号、受试者年龄等资料,选择打印数据。实验开始后,第一组实验为常规实验。受试者双眼紧贴暗适应仪器观察孔处,接受5 min的明环境适应。

步骤2 光环境结束后,受试者观察暗适应仪内箭头方向,待受试者眼睛识别箭头方向之后,手动操作反应按键或推杆。操作后暗适应仪内箭头亮度及方向切换,受试者进行下一阈值亮度等级测试,直到J3亮度等级操作完毕。

步骤3 实验人员确认数据录入并打印成功后,受试者休息2 min,随后进入对照实验。受试者按照步骤一所述接受5 min明环境适应。

步骤4 光环境结束后,受试者根据实验人员指导看向仪器水平右侧的过渡屏,同时实验人员读出倒计时秒数提醒受试者双目回到暗适应仪继续暗适应阈值实验。

步骤5 受试者按照步骤2完成仪器内的观察、操作过程。

步骤6 实验人员确认数据录入并打印成功后,受试者休息2 min,随后返回步骤3进行下一组实验。待收集到充足的实验数据后,实验停止。

步骤7 完成上述工作后,请下一位受试者重复此实验步骤,直到试验结束。

整个实验流程见图6。

图6 亮度对照实验流程

2.5 亮度对照实验

在实验流程的基础上,亮度对照实验由常规实验(子实验1)和对照实验(子实验2～5)组成。

实验具体数值见表3,对照实验中过渡屏亮度值在2.4节步骤4中呈现。

表3 亮度对照实验组指标

2.6 实验数据分析

全部实验完成后,将所有实验数据凭条作为初始数据进行整合、汇总后导入excel表格。为提高数据的准确性,决定采用各组暗适应总反应时间及J3(最大值)减去J0(初始值)的时间差值。其中暗适应总反应时间为每组各个档位(J0～J3)数值的叠加;J3-J0时间差值为实验数据最大值和最小值的数据差,即最初档位到最末档位的时间,两种变量相互修正,缩小个人差异,避免因为错误次数过多而导致时间过长,确保数据有效性。在整理过程中筛出具有较大误差的数据,手动剔除所在组,然后对数据进行重新整合。通过将过渡屏亮度等级与人眼暗适应反应总时间及J3-J0反应时间差值的数据分别进行相关性分析,求出人眼视觉反应拟合曲线,从而得到过渡屏最优亮度范围。

常见的相关性分析包括皮尔逊(Pearson)相关分析及斯皮尔曼(Spearman)相关性分析。皮尔逊相关性分析作为最常使用的相关性分析,要求两组必须符合或近似正态分布。在正态性检验中,当显著性检验P值均大于0.05,则可以进行皮尔逊相关分析;斯皮尔曼相关性分析则应用于双变量不符合正态分布或其中一个变量不符合正态分布,赵新恒等[25]在数据分析过程中通过相关性分析分别检验人眼不同指标之间的相关性,证实了不同测试环境下影响视觉质量的统计学意义。

本实验通过对数据进行正态分布检验和相关性分析。将实验所获得的总反应时间及J3-J0反应时间差值导入SPSS软件,以过渡屏亮度等级为横坐标,分别将反应总时间及J3-J0反应时间差作为纵坐标进行分析,得到包含所有数据的散点图。

反应总时间及J3-J0反应时间差散点图见图7和图8。

图7 实验所得人眼暗适应总时间散点图

图8 实验所得人眼暗适应时间差散点图

通过对散点图粗略分析发现,反应总时间及J3-J0反应时间差值不仅仅是简单的递增或递减变化规律。具体规律无法直观的观察出来。但是通过散点图可以大致看出,当过渡屏的亮度等级在25%到35%之间时,总反应时间和反应时间差相对于常规组和其他对照组时,人眼暗适应时间明显缩短,但究其内部规律及相关性而言,还需进一步探究。

2.6.1 正态分布检验

SPSS中进行正态性检验的方法有两种：柯尔莫戈洛夫-斯米诺夫检验(Kolmogorov-Smirnov test),简称K-S检验;夏皮洛-威尔克检验(Shapiro-Wilk test),简称S-W检验。如果数据量在3～50之间,倾向于S-W检验结果,若样本量多于50,则更适用于K-S检验。

正态性检验如表4和表5所示。

表4 J3-J0反应总时间组的正态性检验

表5 J3-J0反应时间差组正态性检验

表格数据表明二者显著性检验P值均大于0.05,由于本实验单个样本数据量大于50,故以K-S检验数据结果为主。实验结果表明常规实验,对照组实验的各组数据均满足正态分布。

2.6.2 相关性分析

运用SPSS软件进行相关性分析时,通过相关系数r值判断数据是否具有统计学依据。判定标准为变量之间的显著性值小于0.01,则二者之间相关性较高,如若二者显著性值小于0.05则意味着两个变量之间存在显著相关的关系,如果显著性值大于0.05,则表明二者之间无相关性。从正态分布检验图表分析可得,各组数据符合正态分布,且在亮度递增的条件下,显著性检验P值均大于0.05,符合皮尔逊相关分析条件。因此对总反应时间及J3-J0反应时间差值进行皮尔逊相关分析。

2.7 时间对照实验流程

在实验流程及亮度对照实验的基础上,时间对照实验由常规实验(子实验1)、对照实验(子实验2～4)组成,实验对照组实验指标见表8。

表8 时间对照组实验指标

采用25%过渡屏亮度为标准亮度进行时间对照实验,由于子实验1、2已在之前实验中完成,接下来只需进行子实验3、4即可。2.4节中实验流程步骤4中实验人员需提醒受试者所在子实验的观察时间。

时间对照组实验流程见图13。

图13 时间对照实验流程

2.8 时间对照组实验数据分析

将过渡屏亮度等级分别与反应总时间和J3-J0反应时间差值的R方值进行分析。分析结果表明,二次曲线、三次曲线和复合函数均有较好的拟合效果,由于在过渡屏亮度等级递增的条件下,总时间的三次函数拟合的R方值最大,J3-J0时间差值的二次函数拟合的R方值最大,因此得出从观看过渡屏0～11 s范围内,与人眼暗适应总反应时间的函数拟合曲线为三次函数,见图14;与J3-J0时间差值的函数拟合曲线为二次函数,见图15。

图14 时间对照组总时间拟合曲线

图15 时间对照组J3-J0时间差拟合曲线

在过渡屏观察时间递增的情况下,无论是人眼暗适应总时间拟合曲线还是J3-J0时间差值拟合曲线,所得最小值均集中于5 s过渡时间内,由此可得观看亮度为50.05 cd/m2,尺寸为35.4 cm×19.9 cm的屏幕5 s能最大限度缓解暗适应带来的视觉障碍。

3 结论

1) 通过国内外文献及实验结果得出,高强度光源所造成的恶劣光照条件对视觉性能有着显著的负面影响,这些影响可以由过渡屏照明来补偿。本文采用过渡照明方法,将亮度过渡屏应用于载人深潜器内以达到缩短潜航员暗适应时间的目的。实验有效证明该情况下过渡屏提供的屏幕亮度具有优化视觉效应的作用,且观看亮度为50.05 cd/m2,长宽尺寸为35.4 cm×19.9 cm的过渡屏5 s可最大限度的缓解潜航员人眼暗适应带来的视觉障碍。在实际操作中,潜航员的视觉性能受显示终端、外部光环境等因素影响,合理的过渡照明补偿对减轻潜航员工作负荷,提升潜航员视觉任务安全性与准确度,保证深潜器顺利运作无疑会产生积极作用。

2) 亮度实验结果显示当接受45%(89.51 cd/m2)或以上的过渡亮度时,人眼反应时间无限延长,其趋势甚至高出常规组数值,不符合客观实际。因此本实验仅研究0～89.51 cd/m2范围内过渡亮度对人眼暗适应的影响。同理,在时间对照实验中仅评估接受0～11 s范围内的过渡亮度。

3) 在实验过程中,由于实验采用主观暗适应阈值测试,被试人员对视标的识别标准各有不同,导致个体之间总体时间差异较大,但是同一个体不同档位暗适应反应时间则具有一定规律。同时,被试人员在实验中的反应时间包括人眼的识别时间及识别方向后做出的反应时间之和。识别后作出反应的时间因人而异,但是同一个体反应时间大体一致。该实验仅做个体内比较,不做个体间横向比较,因此个体间差异当作系统差异忽略不计。