车载显示屏亮度对于道路安全的影响

李浩然，林燕丹

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

车载显示是驾驶员在驾驶过程中的重要信息来源。随着显示技术和交互技术的发展，越来越多的功能被添加到车载显示中。车速、导航信息和天气等各种信息都集中显示在显示屏中。而与传统的导光板显示不同的是，车载显示屏具有更高的亮度。另一方面，屏幕的尺寸也呈现出增长的趋势。因此，当驾驶员观察屏幕的时候，会有更多的光进入到驾驶员的眼睛里。在夜间驾驶过程中，驾驶员的视线会在道路和显示屏之间来回切换。国际照明委员会(CIE)对路面亮度的要求仅为2 cd/m2，而显示屏的亮度却超过100 cd/m2[1]。这意味着道路和显示屏之间会存在巨大的亮度差。根据人眼的特性，其存在三种工作状态：明视觉、暗视觉以及中介视觉。当驾驶员观察前方道路的时候，眼睛是工作在中介视觉的状态，而显示屏所对应的工作状态为明视觉。在白天，亮度的变化仅仅会导致瞳孔尺寸的改变，但是在夜间，亮度改变还意味着眼睛中视细胞工作状态的改变。在明视觉中，只有锥状细胞在激活状态，而在中介视觉中，部分杆状细胞也会被激活[2-4]。但是在转换过程中，细胞状态的改变会花费一定的时间。这也意味着驾驶员的实习在从显示屏切换到路面的过程中，驾驶员并不能立刻适应亮度的改变。尽管这一转换过程并不长，但是还是会给道路安全带来一定的风险。

在过往的研究中，焦淑兰等[5-10]研究了人眼的对比度灵敏度和视场亮度之间的关系。然而，这一研究的重点并未落脚到转换过程。因此，在本论文的研究中，我们把研究方向重点放在了人眼在转换过程中的表现。我们探究了在观察屏幕后视觉恢复时间和瞳孔尺寸的变化。根据实验的结果，随着屏幕亮度的增加，被试需要花费更长的时间来恢复视觉。把刹车距离纳入考虑的因素，在车速不变的情况下，更长的恢复时间意味着更长的刹车距离。于此同时，瞳孔尺寸变化的程度也会随之增加。这加剧了驾驶员的视疲劳。将这两部分的因素综合考虑，在车载显示的设计过程中，屏幕的亮度必须加以限制。

1 实验设计

1)实验目的。本实验的主要目标是探究在观察不同的显示器后，人眼的恢复时间以及瞳孔尺寸的变化情况。

2)实验布局。我们搭建了特定的实验场景来模拟夜间驾驶的过程。模拟场景的布局如图1所示。

图1 实验场景布局Fig.1 Simulated scene layout

在实验中，我们在一块黑色的面板上张贴了四张朗道环作为观察的目标。被试需要从3.3 m的距离来观察朗道环。朗道环的外径为11.5 cm，其对应的视角大小等同于从20 m的距离观察道路标志对应的视角。显示设备被放置于被试前方0.5 m处。在被试与朗道环之间还配置了风挡。

3)实验设备。实验中，我们使用了眼动仪来记录瞳孔尺寸的变化，眼动仪的型号为tobii 1.0 其可以记录瞳孔的尺寸和视线分布。同时，作为便携式眼动仪，其不会对驾驶员的视线造成影响。为了使瞳孔尺寸的数据更加准确，实验中禁止佩戴眼镜，包括隐形眼镜。

考虑到目前的车载显示产品并不支持调光的功能。因此我们选用了尺寸相当的平板电脑来代替车载显示屏。显示屏上显示的内容为一张导航图片，用以模拟在实际驾驶过程中车载显示上可能显示的信息。显示屏的亮度被分为11个等级。我们使用了成像亮度计来测量显示屏的平均亮度。显示屏的亮度范围为6.9～234.3 cd/m2。其具体的亮度值如表1所示。

表1 显示屏亮度

4)实验过程。实验中一共选用了12名被试。所有被试的裸眼视力都超过1.0。在实验开始时，被试会首先被要求确认朗道环的方向以保证其可以在不佩戴眼睛的情况下识别视觉目标。考虑到杆状细胞的激活时间，在识别朗道环之前，被试会先经历10 min的暗适应。

在确保被试的视力足够后，我们可以开始正式实验。正式实验的过程如图2所示。首先，被试需要保持眼睛闭合，在这段时间，实验者会随机改变朗道环的开口方向。之后，被试需要直视显示屏10 s，同时一段提示音会响起，提示音的持续时间同样为10 s，因此提示音的结束可作为提醒被试向前看的标志。在观察屏幕期间，被试并不会知晓显示屏的实际亮度。在被试开始观察前方朗道环的同时，实验者开始计时。在确认朗道环的开口方向之后，被试会向实验者示意并说出开口方向。实验者会记录观察时间以及准确性。之后，被试需要重新闭上眼睛，而实验者则在这期间调整显示屏的亮度以及朗道环的开口方向。实验中不断重复上述过程直到所有的显示屏亮度都被使用。

图2 实验流程Fig.2 Experiment process

2 数据处理方法

尽管被试的视力都超过1.0，但是他们的观察能力仍然存在一定的差异。与此同时，观察者的观察方式也会对观察时间造成影响。因为明视觉是中央视觉，而中介视觉和暗视觉都是周边视觉，所以在暗环境中，如果被试采用斜视的观察方式，他们将获得更佳的观察效果。在本实验中，我们真正关心的是恢复时间随亮度改变的变化情况，因此观察时间的绝对量并不是特别重要，相反，时间的相对量能够更好地反映这一关系。如果直接使用绝对量来进行分析，那些观察能力相对弱的观察者的观察数据将会更大程度上决定实验结果。于此同时，采用绝对量也会使实验数据的分布更加分散，也就使得观察时间与屏幕亮度的关系更加不清晰。考虑到以上方面，对于每个被试的数据，我们都进行了归一化的处理。

(1)

其中Tre为相对恢复时间；Tab为绝对恢复时间；Tmin为绝对恢复时间在所有亮度等级下的最小值；Tmax为绝对恢复时间在所有亮度等级下的最大值。

对于Tmin和Tmax，为了避免奇异值的影响，我们需要舍弃部分异常数据。处理方式是首先计算每个被试的数据的标准差，然后去除偏移量超过三倍标准差的数据。

对于瞳孔尺寸数据，其数据本身就是一个相对量。所以我们并不需要对数据进行标准化的处理。但瞳孔尺寸的数据存在其他问题，由于人眼状态的不稳定性，即使在同一亮度下，瞳孔的尺寸也会发生微小的改变，这会给数据带来很大的噪声。为了弱化噪声的影响，我们需要对原始数据进行滤波。滤波的过程实际上是对原始数据做了一次卷积。在本实验中，我们选取高斯核作为滤波器的核函数。高斯核是基于高斯分布的一种核函数。在卷积过程中，对于每一个数据，其数值取决于其本身与相邻数据的加权平均，高斯核的权重分布与高斯分布类似，高斯函数如下所示：

(2)

通常，我们会选取高斯分布的特殊形式，也就是正态分布即

其函数分布的形状如图3所示。

图3 不同参数设定下高斯分布Fig.3 Gaussian distribution under different parameters

在本实验中，μ的值被设定为0，也就是说，对于每个数据，在卷积过程中都是以其自身为中心值。σ2是数值与卷积核的尺寸相关。如果卷积核的尺寸被设定为5，那么σ2的数值需要设定为1，相应的卷积核的权重分别是0.054, 0.024, 0.4, 0.024, 0.054。如果卷积核的尺寸设定为3，那么σ2的值需要设定为0.2。其对应的权重分布为0.073, 0.89, 0.073。在本实验中，我们选取的卷积核的尺寸为5.

由于高斯函数的傅里叶变换仍然是高斯函数，因此高斯函数可以构成一个平滑的低通滤波器。在经过高斯滤波之后，大部分的高频噪声会被去除，瞳孔尺寸的曲线也会更加平滑。

3 实验结果

3.1 恢复时间

对于每个亮度等级，我们都获得了12个恢复时间的数据。如上所述，其时间的分布是分散的，因此我们需要对数据进行归一化处理，归一化处理后如图4所示。

图4 恢复时间在不同亮度下的归一化数值Fig.4 Normalized data of recovery time under different luminance level

从图4中可以看出，从某种程度上，恢复时间会随着屏幕亮度的增加而增加。为了使这一关系更加清晰，我们利用SPSS对数据进行了进一步的处理，以获得其平均值和置信区间。其处理结果如图5所示。

图5 恢复时间与亮度等级之间的关系Fig.5 Relationship between recovery time and luminance level

在这一过程中，数据的置信区间被设定为95%，结合屏幕亮度的定标数据，我们可以看出，随着屏幕亮度等级的提高，观察者需要更多的时间来恢复视力，但当屏幕亮度超过100 cd/m2后，增长的速率将会降低。考虑刹车距离，恢复时间越长，驾驶员需要的反应时间就越多。在同一速度水平下，观察了更高亮度的驾驶员会需要更长的时间来发现前方的物体。因此，也就会有更长的刹车距离，这增加了事故的风险。

3.2 瞳孔尺寸

瞳孔尺寸的数据通过眼动仪获取。数据的值为瞳孔尺寸与被试定标时瞳孔尺寸数据的比值，也就是说，我们不需要再对数据进行标准化的处理。在实验过程中，眼动仪对数据的采集是连续的，即使在眼睛闭合过程中也会尝试采集数据。因此在最终的数据中会包含大量的零数据。我们使用MATLAB去除了值为零的数据。然后将剩下的数据按照亮度水平排列从而获得各个亮度等级下瞳孔尺寸随时间变化的情况。考虑到在舍弃掉部分数据之后时间并不是连续的，因此横轴仅仅代表每个数据的序号，但是在一定程度上，其仍然可以反映数据的先后顺序。

图6 去异常值后瞳孔尺寸数据Fig.6 Pupil size data after NAN dropped

如图6所示，原始数据被噪声严重影响。为了是尺寸变化的趋势更加明显，我们利用第三章所述的方法对数据进行了滤波。图7是滤波后的结果，从图中我们可以看出大部分的噪声都被去除了，因此我们可以更加清晰地观测瞳孔尺寸的变化情况。

在图7中，每一个谷都代表了观察屏幕的过程。因为数据是按照亮度等级排列的，我们可以看出，随着亮度等级的增长，在观察屏幕过程中的瞳孔尺寸会越来越小。与恢复时间相同的是，当屏幕亮度超过100 cd/m2之后，瞳孔尺寸的变化将不再明显。

图7 滤波后瞳孔尺寸数据Fig.7 Pupil size data after filtering

另一方面，在观察朗道环的过程中，也就是图中的峰段。可以发现在开始的过程中会存在一个更高的峰。而随着屏幕亮度的增加，这个峰的值会变得越来越高，而第二个峰的值基本没有什么变化。对此我们的猜测是随着亮度等级的增加，会有更少的杆状细胞处于工作状态，考虑到杆状细胞的激活需要时间，在观察者刚开始观察目标的时候，可用的杆状细胞的数量更少。因此眼睛会需要更多的光来观察事物，也就意味着瞳孔的尺寸需要更大，而随着时间的推移，更多的杆状细胞处于激活状态，瞳孔的尺寸也将回归至正常值。

总体而言，随着屏幕亮度的增加，瞳孔尺寸的变化会更大。假定其变化时间是接近的，对于眼睛而言，睫状肌需要更大程度的缩放。如果这样的过程在夜间驾驶中反复出现，这会使得驾驶员更加疲劳。

4 结论

在本文中，我们设计了实验来探究在亮度转变过程中车载显示的亮度对于驾驶员视觉恢复时间和瞳孔尺寸变化的影响。我们采用了多种数学方法来使得数据更加清晰。根据实验结果，我们可以得到两个结论：①随着屏幕亮度的增加，恢复时间会同步增加，但这一趋势在屏幕亮度超过100 cd/m2之后会减缓。②随着屏幕亮度的增加，人眼瞳孔尺寸的变化情况会增加，在屏幕亮度超过100 cd/m2之后这一趋势同样会减缓。根据以上两点结论以及人眼的工作机制，我们可以知道，车载显示亮度的增加会在一定程度上增加夜间驾驶的危险以及司机的疲劳程度。

同时，我们同样有一些发现，但这些发现暂时无法用已有的理论框架来进行解释。例如，在观察目标的过程中，瞳孔的尺寸会先上升到一个很高的值，随后下降至一个更低的水平。上述的峰值会随着屏幕亮度的增加而增加。目前我们仅仅可以猜测这与杆状细胞的工作状态相关，但我们仍然需要更加深入的实验来通过生理数据进行阐述。

下一步，我们会对车载显示的亮度进行更加深入的研究，寻找最适合驾驶员的屏幕亮度设计，从而使得实验结果可以被进一步应用到车载显示的设计之中。