技术文章 | 显示屏亮度对于道路安全影响的研究概述

原文标题：显示屏亮度对于道路安全影响的研究 / Research of the Influence of vehicle display luminance on road lighting safety

作者信息：李浩然1，林燕丹1*，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

1 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。CIE对路面亮度的要求仅为2cd/m2，而显示屏的亮度却超过100cd/m2。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，眼睛是工作在中间视觉的状态，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，而在中间视觉中，部分杆状细胞也会被激活。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视线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。

2 实验设计

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

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米的距离来观察朗道环。朗道环的外径为11.5厘米，其对应的视角大小等同于从20米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米处。在被试与朗道环之间还配置了风挡。

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秒钟，同时，一段提示音会响起，提示音的持续时间同样为10秒钟，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

3 数据处理方法

尽管被试的视力都超过的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，而中间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。

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。

4. 实验结果

4.1 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。如上一章所述，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，归一化处理之后的结果如图3所示：

图3 恢复时间在不同亮度下的归一化数值

从图3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4所示：

图4 恢复时间与亮度等级之间的关系

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100cd/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。

4.2 瞳孔尺寸

图5 滤波后瞳孔尺寸数据

我们利用第三章所述的方法对数据进行了滤波。图5是滤波后的结果，我们可以更加清晰地观测瞳孔尺寸的变化情况。

在图5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100cd/m2之后，瞳孔尺寸的变化将不再明显。

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。

5 结论

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100cd/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100cd/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。

文章转载自IFAL公众号