整车人机工程视觉舒适性设计方法
赵爱霞
(上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心,上海200438)
摘要: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㊁三联屏,甚至曲面屏㊂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㊂同时,市场在售车型出现大屏日间反光㊁夜间成像的客户抱怨点㊂严重的视觉舒适性问题将影响到客户的用车安全㊂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㊂
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㊂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㊂这种设计趋势带来了新的客户抱怨点㊂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㊂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]㊂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㊂
1视觉舒适性问题概述
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㊂视觉舒适性问题可分为4类:炫目(G l a r e)㊁风窗投影(R e f l e c t i o n)㊁视野遮挡(O b s c u r a-t i o n)㊁泛白(W a s h o u t/H a z e)㊂在整车人机工程学中,这4类问题被统称为 G R OW ㊂
(1)炫目干扰㊂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㊂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)㊂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
㊂
图1炫目干扰的原理及现象示意(2)投影干扰㊂该现象可分为夜间投影与日间投影㊂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㊁开关背光㊁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㊂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㊁方向盘等,由于零件的特征棱线㊁分缝线㊁分界线或分造成有对比度的影像,在风窗玻璃㊁显示屏,以及仪表透明罩(L E N S)上产生薄纱成像效应
㊂
图2夜间投影干扰示意
(3)视野遮挡㊂如图4所示,该现象是指观察组合仪表㊁娱乐大屏,以及开关的直接视野被方向盘㊁换档机构㊁周边饰板等部件遮挡的状态㊂
(4)泛白㊂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
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状的光斑,影响驾驶员读取显示屏信息,甚至造成行车危险㊂影响泛白的主要因素有:①环境光强度;②屏幕
位置㊁曲率和角度;③屏幕显示亮度及画面对比度
㊂图3
日间投影干扰示意
图4
视野遮挡示意
图5 泛白原理及现象示意
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㊁风口及装饰条的位置已经初步确定㊂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㊂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㊂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㊂整个视觉舒适性开发可以分为以下3个阶段㊂
(1
)前期策略及目标定义阶段㊂基于架构乘员布置硬点,工程师须完成前风窗A ㊁B 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O P T I S 光学分析软件,完成1轮简单的G R OW 状态模拟;架构集成管控仪表㊁各种显示屏幕㊁风口位置和角度布置,限制造型及内饰件彩材质定义,尽量避免内饰表面及装饰件采用高光泽度材料,确保造型主题奥德赛论坛
不存在严重视觉舒适性问题
㊂
图6 风窗玻璃关键视野观察区
(2
)中期视觉舒适性开发阶段㊂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㊁中控屏等信息系统的炫目㊁风窗投影㊁视野遮挡㊁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㊂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㊂在造型伴随期间,工程师须完成2~3轮完整O P T I S 软件虚拟校核分析㊂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 级曲面及内饰件彩材质的定义㊂(3)样车制造阶段㊂在该阶段,工程师应完成组合仪表㊁显示屏等信息显示系统的炫目㊁风窗投影㊁视野遮挡㊁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㊂
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㊁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㊂具体的视觉舒适性开发关键控制包括以下几个方面㊂
(1
内饰改)仪表布置过程及关键控制参数㊂如图7所示,A 1为显示屏下视角度,角度一般控制在30ʎ以内;A 2
为显示屏直接视角,角度一般控制在90ʃ5ʎ,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;
L 1为显示屏视距,距离一般控制在750m m 之内㊂中
控屏布置一般只控制A 1下视角
㊂图7 仪表布置核心控制参数
(2
)娱乐信息屏布置过程及关键控制参数㊂如图8所示,信息屏的下视野角度A 4角度的要求同A 1;直接视角A 5角度的要求为90ʃ10ʎ
,
且需要针对炫目结果54
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及直接视野舒适性的要求进行平衡调整;中控屏右视角度A 6角度应控制在60ʎ途乐车友会
以内
㊂图8 中控娱乐屏核心控制参数
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C A T I A ㊁O P -T I S ㊁C A V A ㊁U G 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
)
㊂图9 S A EJ 941标准95%眼椭圆及极限眼点示意
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㊂
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㊂具体的视觉舒适性问题判定标准如表2所示㊂
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㊁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㊂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㊂具体视觉舒适性问题的优化有以下几种方式㊂
(1劳斯莱斯幻影限量版
)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㊂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㊂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㊂
表1 视觉舒适性虚拟分析工况参考条目
校核零件虚拟分析工况
相关校核环境
仪表
仪表直接视野方向盘㊁护罩,以及其他装置对仪表有视
野遮挡
仪表炫目问题
显示屏:校核目标应为所有玻璃窗
L E N S :校核目标为所有玻璃窗仪表风窗投影问题校核前风窗成像
校核侧风窗观察区成像
仪表成像
校核显示面成像:方向盘㊁护罩㊁组合拨
杆㊁人体等
校核L E N S 成像:方向盘㊁护罩㊁组合拨杆㊁人体等校核仪表饰圈成像:仪表发光部件
大屏
大屏直接视野
校核方向盘㊁组合拨杆㊁换档机构㊁杯托内水杯等是否遮挡反光炫目
所有玻璃窗透明区
大屏风窗投影问题前风窗成像
侧风窗观察区成像显示面成像
人体㊁座椅㊁顶棚㊁立柱㊁换档机构等背光件㊁
开关
直接视野
方向盘遮挡:布置在仪表台靠近方向盘
的开关
换档机构遮挡:布置在副仪表台在换档手柄处的副驾侧或前侧的开关风窗投影问题
前风窗成像侧风窗观察区成像
所有高亮
电镀件炫目问题校核所有高亮电镀件
风窗投影问题
前风窗成像
侧风窗观察区成像仪表板上表面
前风窗成像
抬头显示装置㊁除霜除雾风口,以及其他造型特征线
(2)如图11所示,
成像问题的解决主要通过优化玻璃位置㊁角度㊁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㊂在仪表板前端的除霜㊁除雾风口的日间成像无法规避,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㊂但是,由于除霜㊁除雾风口太靠近前风窗会影响到除霜㊁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㊂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㊂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㊂
(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㊂
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表2 视觉舒适性问题判定标准
内容如何提高汽车舒适性
福特新翼虎结果判断标准
校核方法
炫目
仪表㊁大屏炫目反光面积>35%
不可接受反光面积介于5%~
35%之间
须优化反光面积<5%或无反光可接受饰条炫目
炫目不可接受无炫目
可接受使用眼椭圆10个边界点(点1~10)进行校核,取最恶劣工况,计算百分比;计算不包括天窗入射光线㊂任意眼点校核;仪表台上高亮饰条引发的炫目不能接受,须更改材质㊂
风窗投影
前风窗成像
在A ㊁B 区内成像
不可接受在B 区之上30m m 以内成像
须优化在B 区之上30m m 以外成像或无成像可接受侧风窗成像
在侧窗外后视镜观测区下三分之二
区域内成像
不可接受在侧窗外后视镜观测区上三分之一区域内成像
须优化在侧窗外后视镜观测区以外成像或无成像
可接受仪表成像在仪表显示面或者罩壳面出现其他环境影像
须优化大屏成像
在大屏显示面出现其他环境影像须优化使用眼椭圆10个边界点(点1~10
)进行校核,取最恶劣工况㊂使用眼椭圆10个边界点(点1~10)
进行校核,取最恶劣工况;在侧窗观察区,用左右眼椭圆轮廓线取并集㊂
仅校核眼椭圆中心点(过人体中心)成像面积㊂
使用眼椭圆10个边界点(点1~10)进行校核,取最恶劣工况㊂视野遮挡
仪表直接视野遮挡遮挡高度>17m m ,辅助校核方向盘上下极限位置有遮挡
不可接受遮挡高度>17m m ,
辅助校核方向盘上下极限位置无遮挡
须优化遮挡高度介于0~17m m 之间
须优化不发生遮挡
接受大屏直接视野
遮挡
遮挡面积>6%不可接受遮挡面积介于0%~6%之间
须优化单目可见
接受按键遮挡
视野遮挡且影响驾驶
不可接受遮挡可盲操,不影响驾驶须优化单目可见
接受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17m m ,则用方向盘极限位置进行下一步校核判断㊂
右单目眼椭圆2个边界点都须校核(点1和点11)
,取最恶劣工况,并计算百分比;当遮挡重要按键时,无论面积多小,都须进行校核并优化㊂
右单目眼椭圆2个边界点都须校核(点11和点12)
,取最恶劣工况;开关组要校核到单个按键的字符
㊂泛白
仪表/大屏泛白泛白面积>79%
不可接受泛白面积介于40%~79%之间
须优化泛白面积<40%接受
使用O P T I S 软件进行校核㊂
(4)解决泛白问题可以采用以下手段:①增加显示
屏周边罩盖遮挡,避免太阳光直接照射,并减弱环境光强度;②调整屏幕的位置和角度;③提升屏幕本身亮度
及对比度㊂
图10 炫目问题核心工程应对方案
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㊂评价图11 成像问题核心工程应对方案
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㊂评价时间最好在晴天状态下进行,分别在早晨或傍晚㊁正午㊁夜晚(或暗室)进行3次评价㊂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㊂视觉舒适性实车主观评价项目如表3所示㊂
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表3视觉舒适性实车主观评价项目
在实车评价完成后,工程师须比对虚拟分析结果,
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