CN104933241A - 一种列车驾驶界面照明的不舒适眩光评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种列车驾驶界面照明的不舒适眩光评价方法，该方法包括如下步骤：建立列车驾驶界面三维模型，通过光学仿真工具得到司机视觉仿真图像及该图像中各像素点的参数；根据设定的判定条件从各像素点中判定出眩光源像素点，并计算图像中非眩光源像素点亮度值的平均值作为背景亮度值；将相邻的眩光源像素点整合为一个眩光源区域，得到多个眩光源区域；按面积大小将各眩光源区域分为一般眩光源区域和小眩光源区域，分别采集各一般眩光源区域和各小眩光源区域的数据；根据评价模型计算图像的UGR值，并对列车驾驶界面照明的不舒适眩光进行评价。本发明所述技术方案可以在设计初期对列车驾驶界面照明眩光进行评价，以减少成本，缩短设计周期。

Description

一种列车驾驶界面照明的不舒适眩光评价方法

技术领域

本发明涉及列车驾驶界面照明系统领域。更具体地，涉及一种列车驾驶界面照明的不舒适眩光评价方法。

背景技术

照明系统设计作为驾驶界面设计的重要组成部分，对司机及时准确的获取视觉信息、减缓视觉疲劳和保证驾驶安全起到不可忽视的作用。影响驾驶界面照明质量的因素包括照度水平、亮度分布、照度均匀度、照度稳定性、眩光等，其中眩光是影响照明质量的最主要因素。驾驶界面设计与照明之间具有密切的匹配关系，例如照明设备与驾驶界面相对位置关系、风挡玻璃的曲率、形状、倾角、大小、车载仪表及显示装置的布置以及表面材料的选取不当都可能导致眩光产生。如何对照明眩光进行评价是评判驾驶界面照明质量的前提条件之一，对于指导列车驾驶界面设计与优化具有十分重要的意义。

传统的眩光评价方法建立实验基础上，国际照明委员会将眩光定义为由于光亮度的分布或范围不适当，或对比度太强，引起不舒适感或分辨细节物体能力减弱的视觉条件，并按照视觉状态将其分为不舒适眩光和失能眩光，其中不舒适眩光是指产生不舒适感但不一定削弱目标可见性的眩光，控制不舒适眩光将同时使得失能眩光得到充分的控制。不舒适眩光评价模型的研究始于上世纪20年代，在随后的几十年中，各国通过实验的方法研究并建立起表征不舒适眩光影响因素与主观感觉之间关系的模型，并形成如英国的Petherbridge和Hopkingson建立的BGI模型，美国学者Guth建立的VCP模型等用于室内照明不舒适眩光的评价模型。文献对包括BGI和VCP在内的几种不舒适眩光的评价模型与主观感觉的相关性进行了实验研究，结果表明二者的相关性较差，即以上系统不能较好的反映眩光的主观不舒适感觉。1983年CIE一度采用了南非学者Einhorn改进的眩光指数CGI，随后在1995年推出了新的统一眩光评价公式计算统一眩光值UGR。文献通过主观评价实验得到统一眩光值UGR与眩光的主观不舒适感觉之间的相关系数达到0.95，因此该公式被认为是目前为止评价效果最理想的室内照明不舒适眩光的评价模型。不舒适眩光评价模型的建立，使通过测量UGR不舒适眩光评价模型所需的计算参数来评价驾驶界面的照明眩光成为可能。

近年来列车驾驶界面中的显示装置出现参数集中化、显示智能化、玻璃化的趋势，从而导致其照明环境更加复杂，不舒适眩光产生的可能性和复杂性也大大提高。采用主观实验的方法和现场测量UGR眩光评价模型计算参数的方式进行照明不舒适眩光评价将面临诸多问题，例如采用客观模型评价眩光时，眩光源的边界难以确定导致模型参数无法确定，即使边界能够确定但对于亮度不均匀的眩光区域也难以通过测量方式保证模型计算参数值的准确性，更严重的问题是传统照明眩光评价方法依赖实物模型，因而不能在驾驶界面设计初期完成，这将导致在样车建成之后若发现问题，再去改进照明环境时可能导致车体结构、电气设备布置等的一系列改动，势必会增加制造成本，延长设计周期。

因此，需要提供一种列车驾驶界面照明的不舒适眩光评价方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种列车驾驶界面照明的不舒适眩光评价方法，解决现有技术中复杂照明环境下的列车驾驶界面照明产生的眩光源的边界难以界定和传统的实验评价方法依赖实物模型等问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种列车驾驶界面照明的不舒适眩光评价方法，该方法包括如下步骤：

S1、建立列车驾驶界面三维模型，通过光学仿真工具得到司机视觉仿真图像及该图像中各像素点的坐标值、亮度值和照度值参数；

S2、根据设定的判定条件从各像素点中判定出眩光源像素点，并计算图像中非眩光源像素点亮度值的平均值，作为背景亮度值；

S3、将各眩光源像素点中相邻的眩光源像素点整合为一个眩光源区域，得到多个眩光源区域；

S5、按面积大小将各眩光源区域分为一般眩光源区域和小眩光源区域，采集各一般眩光源区域的亮度值、立体角和几何中心的位置指数，采集各小眩光源区域的发光强度、几何中心到列车司机眼点的距离和几何中心的位置指数；

S6、根据列车驾驶界面照明不舒适眩光评价模型计算图像的统一眩光值UGR，并根据统一眩光值对列车驾驶界面照明的不舒适眩光进行评价，列车驾驶界面照明不舒适眩光评价模型的模型公式为：

$UGR=8\log \frac{0.25}{L_b}\left(\underset{h=1}{\overset{H}{\Σ}}\frac{{L_h}^2{\mathrm{\ω}}_h}{P_h^2}+\underset{q=1}{\overset{Q}{\Σ}}\frac{200I_q^2}{r_q^2{P}_h^2}\right)$

公式中，H为一般眩光源区域的总数；Q为小眩光源区域的总数；L_h为第h个一般眩光源区域的亮度值(cd/m2)；L_b为图像的背景亮度值(cd/m2)；ω_h为第h个一般眩光源区域的立体角(sr)；P_h为第h个一般眩光源区域几何中心的位置指数；I_q为第q个小眩光源区域在列车司机视线方向的光强(cd)，r_q为第q个小眩光源区域离眼睛的距离(m)；P_q为第q个小眩光源区域几何中心的位置指数。

优选地，步骤S3之后且步骤S5之前还包括如下步骤：

S4、筛除不超过2-10个眩光源像素点构成的眩光源区域。

优选地，步骤S2中眩光源像素点的判定条件为：亮度值超过图像中所有像素点平均亮度值4倍以上的像素点作为眩光源像素点。

优选地，步骤S5中按面积大小将各眩光源区域分为一般眩光源区域和小眩光源区域的方法为：将投影面积大于等于0.005m²的眩光源区域作为一般眩光源区域，将投影面积小于0.005m²的眩光源区域作为小眩光源区域。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案明确了复杂照明环境下的列车驾驶界面照明产生的眩光源的边界，基于数字模型仿真，不依赖实物模型，因而可以在设计初期对列车驾驶界面照明眩光进行评价，以减少成本，缩短设计周期。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出列车驾驶界面照明的不舒适眩光评价方法流程图。

图2示出模型计算参数中的位置指数表达式的坐标定义。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供的列车驾驶界面照明的不舒适眩光评价方法包括如下步骤：

Step1、建立列车驾驶界面三维模型，通过光学仿真工具得到司机视觉仿真图像及该图像内各像素点的在图像中的坐标值、亮度值、照度等参数；

Step2、设定眩光源像素点的判定条件，遍历视觉仿真图像中的各像素点，根据眩光源像素点的判定条件从各像素点中判定出眩光源像素点，并采集图像中被判定为眩光源像素点之外所有其他像素点的亮度值，计算其平均值作为背景亮度值；

Step3、将彼此独立的各眩光源像素点按是否相邻进行整合，将各眩光源像素点中相邻的眩光源像素点整合为一个眩光源区域，得到若干块眩光源区域，

Step4、设定筛除条件，按照筛除条件将整合后满足筛除条件的眩光源区域进行筛除，步骤Step4为可选步骤；

Step5、判断各眩光源区域的面积大小，被判为一般眩光源区域(投影面积大于等于0.005m²)的眩光源区域依据UGR模型采集计算参数——一般眩光源区域的亮度值、立体角和几何中心的位置指数，被判为小眩光源区域(投影面积小于0.005m²)的眩光源区域依据小光源UGR修正模型采集计算参数——小眩光源区域的发光强度、几何中心到列车司机眼点的距离和几何中心的位置指数；

Step6、将上述过程采集到的参数输入列车驾驶界面照明不舒适眩光评价模型计算图像的UGR值，按照UGR值与主观感觉关系表对列车驾驶界面照明的不舒适眩光进行评价。

其中，

步骤Step1的具体过程为：

以SPEOS CAA V5Based V16.1.1光学仿真分析模块为例，在CATIA工具中建立列车驾驶界面三维模型，在保证内饰完整的前提下简化模型，定义驾驶界面模型材质的光学属性，材质光学属性通过OMS2光学属性测量仪采集，包含材质的颜色以及对不同波长光线的反射率、透射率、吸收率、散射等信息。定义照明光源参数，包括射灯、操纵台显示器、仪表等。依据水平和垂直方向人眼的最大直接视野构建司机视觉探测器模拟司机视觉，其中司机水平视角为120°，垂直视角为90°，视线保持水平，并参考UIC651标准中确定列车司机眼点位置。通过SPEOS CAA V5 Based V16.1.1光学仿真分析模块获得仿真计算结果并输出XMP文件，该文件记录了视觉仿真的图像及图像中每一个像素点在图像中的坐标值、亮度、照度等参数，其中图像上的每一个像素点的坐标值反映的是司机眼点通过该点的光线投射到图像平面后的三维空间物体的信息，即三维空间在平面图像上的投影。

步骤Step2的具体过程为：

为考虑人眼对环境亮度的适应，先计算整个仿真图像视野内的平均亮度值，再取超过该亮度值4倍以上的像素点作为眩光源像素点，由此建立眩光源像素点的判定条件。本实施例中通过Visual Basic语言编程读取XMP文件，并对仿真图像中的每一个像素点的亮度值与整个仿真图像的所有像素点平均亮度进行比较，依据上述眩光源判定条件判定出若干独立的眩光源像素点。

对于图像的背景亮度L_b，遍历图像中所有判定为眩光源像素点之外所有其他像素点，并求出这些点的亮度平均值作为背景亮度L_b，其表达式为：

$L_b=\underset{g=1}{\overset{G}{\Σ}}{L}_g/G---\left(1\right)$

其中：L_g为仿真图像内的第g个非眩光源像素点的亮度(cd/m²)；G为图像中非眩光源像素点的个数。

步骤Step3的具体过程为：

根据UGR模型和小光源UGR修正模型计算参数的特点，将独立的眩光源像素点整合成眩光源区域，方可判断眩光源的边界、类型等计算因素，整合彼此邻近的独立眩光源像素点应用如下算法：

遍历步骤Step2判定出的t个眩光源像素点，如果一个眩光源像素点相邻的像素点也为眩光源像素点(由于遍历过程由图像左上角像素点至右下角像素点，只需判断其左侧和上侧像素点)，那么它们属于同一块眩光区域，这时将该眩光源像素点的编号改为与此眩光区域第一个像素点的编号相同，即将属于同一块眩光区域的眩光源像素点的编号统一，以此类推，可以得到若干个眩光区域(即若干在各自集合内具有相同编号的眩光源像素点的集合)。完成整合过程，代码如下：

步骤Step4的具体过程为：

完成独立眩光源像素点整合后，视觉仿真图像中可能仍然存在一些独立眩光源像素点(散点)，由于这些散点眩光源的面积过小，甚至在实际中往往并不存在。根据不舒适眩光模型可忽略其对评价结果的影响，所以设定筛除条件为将不超过2-10个眩光源像素点构成的眩光源区域，对满足筛除条件的不合理的眩光源区域进行筛除，筛除条件中具体个数为2或3或4等依据实际需求设定。

步骤Step5的具体过程为：

完成上述步骤Step1至Step4的提取、判定、整合、筛除过程之后，将所得到的眩光区域按照眩光源区域投影面积的大小分为一般眩光源区域(投影面积大于等于0.005m²)和小眩光源区域(投影面积小于0.005m²)，分别采集相关参数如下：

对于一般眩光源区域的亮度L_i’，取该一般眩光源区域内所有像素点亮度的平均值作为该一般眩光源区域的亮度值，其表达式如下：

$L_{i^{\′}}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{L}_k/K---\left(2\right)$

其中：L_k为该一般眩光源区域内第k个像素点的亮度(cd/m²)；K为该一般眩光源区域内像素点个数。

对于一般眩光源区域的立体角ω，可用如下公式计算：

$\mathrm{\ω}=\frac{A_p}{r^2}---\left(3\right)$

其中：A_p为一般眩光源区域几何中心与列车司机眼点连线的法平面上的投影面积(m²)；r为一般眩光源区域几何中心到列车司机眼点的距离(m)。

对于小眩光源区域的光强I，根据平方反比定律，光强与照度具有如下关系：

I＝E×r²                (4)

其中，I为反射面和仪表板上的小眩光源区域在列车司机视线方向的光强(cd)；E为小眩光源区域在人眼处的照度(lx)；r为小眩光源区域几何中心到人眼的距离(m)。平方反比定律适用于点光源，但是计算点与光源之间距离大于光源直径的4倍，该定律即成立，据此采集光源在被照面(司机眼点)上照度再换算成发光强度。

对于小眩光源区域几何中心到眼点距离r，计算光源几何中心坐标，使用SPEOS CAA V5 Based V16.1.1中的GetDepth(X,Y)方法采集小眩光源区域几何中心到司机眼点的距离r，表达式为：

$r=\sqrt{{(X_q-X_e)}^2+{(Y_q-Y_e)}^2+{(Z_q-Z_e)}^2}---\left(5\right)$

其中：(X_q,Y_q,Z_q)为第q个小眩光源区域几何中心的坐标，(X_e,Y_e,Z_e)为司机眼点的坐标。

对于一般眩光源区域几何中心或小眩光源区域几何中心的相对于司机眼点的位置指数P，采用基于Luchiesh和Guth研究的位置指数，其表达形式有很多，如位置指数表、以人眼与光源之间夹角作为变量的位置指数表达式等。本实施例采用方便计算机运算的一种位置指数表达式：

$\frac{1}{P}=\frac{d^{2}EXP}{d^2+1.5d+4.6}+0.12(1-EXP)---\left(6\right)$

其中：P为眩光源区域几何中心的位置指数；d＝|Y/Z|；s＝|X/Z|；X，Y，Z为眩光源区域几何中心到三个坐标轴的距离，如图2所示。

步骤Step6的具体过程为：

将由上述过程采集并通过公式(1)～(6)计算得到的参数值输入本实施例的基于UGR模型和小光源UGR修正模型，考虑列车驾驶界面眩光分布特点建立的列车驾驶界面照明不舒适眩光评价模型，计算得出驾驶界面照明不舒适眩光的UGR值，模型公式如下：

$UGR=8log\frac{0.25}{L_b}(\underset{h=1}{\overset{H}{\Σ}}\frac{L_h^2{\mathrm{\ω}}_h}{P_h^2}+\underset{q=1}{\overset{Q}{\Σ}}\frac{200I_q^2}{r_{qq}^2{P}^2})---\left(7\right)$

其中：H为一般眩光源区域的总数；Q为小眩光源区域的总数；L_h为第h个一般眩光源区域的亮度值(cd/m2)；L_b为图像的背景亮度值(cd/m2)；ω_h为第h个一般眩光源区域的立体角(sr)；P_h为第h个一般眩光源区域几何中心的位置指数；I_q为第q个小眩光源区域在列车司机眼点方向的光强(cd)，r_q为第q个小眩光源区域离眼睛的距离(m)；P_q为第q个小眩光源区域几何中心的的位置指数。

将计算得到的UGR值对照如下“UGR与主观感觉关系表”，最终完成列车驾驶界面照明眩光评价。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种列车驾驶界面照明的不舒适眩光评价方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、建立列车驾驶界面三维模型，通过光学仿真工具得到司机视觉仿真图像及该图像中各像素点的坐标值、亮度值和照度值参数；

S2、根据设定的判定条件从各像素点中判定出眩光源像素点，并计算图像中非眩光源像素点亮度值的平均值，作为背景亮度值；

S3、将各眩光源像素点中相邻的眩光源像素点整合为一个眩光源区域，得到多个眩光源区域；

S5、按面积大小将各眩光源区域分为一般眩光源区域和小眩光源区域，采集各一般眩光源区域的亮度值、立体角和几何中心的位置指数，采集各小眩光源区域的发光强度、几何中心到列车司机眼点的距离和几何中心的位置指数；

S6、根据列车驾驶界面照明不舒适眩光评价模型计算图像的统一眩光值UGR，并根据统一眩光值对列车驾驶界面照明的不舒适眩光进行评价，列车驾驶界面照明不舒适眩光评价模型的模型公式为：

$UGR=8log\frac{0.25}{L_b}(\underset{h=1}{\overset{H}{\Σ}}\frac{{L_h}^2{\mathrm{\ω}}_h}{P_h^2}+\underset{q=1}{\overset{Q}{\Σ}}\frac{200I_q^2}{r_q^2{P}_q^2})$

公式中，H为一般眩光源区域的总数；Q为小眩光源区域的总数；L_h为第h个一般眩光源区域的亮度值(cd/m2)；L_b为图像的背景亮度值(cd/m2)；ω_h为第h个一般眩光源区域的立体角(sr)；P_h为第h个一般眩光源区域几何中心的位置指数；I_q为第q个小眩光源区域在列车司机视线方向的光强(cd)，r_q为第q个小眩光源区域离眼睛的距离(m)；P_q为第q个小眩光源区域几何中心的位置指数。

2.根据权利要求1所述的列车驾驶界面照明的不舒适眩光评价方法，其特征在于，步骤S3之后且步骤S5之前还包括如下步骤：

S4、筛除不超过2-10个眩光源像素点构成的眩光源区域。

3.根据权利要求1所述的列车驾驶界面照明的不舒适眩光评价方法，其特征在于，步骤S2中所述眩光源像素点的判定条件为：亮度值超过图像中所有像素点平均亮度值4倍以上的像素点作为眩光源像素点。

4.根据权利要求1所述的列车驾驶界面照明的不舒适眩光评价方法，其特征在于，步骤S5中所述按面积大小将各眩光源区域分为一般眩光源区域和小眩光源区域的方法为：将投影面积大于等于0.005m²的眩光源区域作为一般眩光源区域，将投影面积小于0.005m²的眩光源区域作为小眩光源区域。