王振

摘 要：近年来汽车制造商都在追求驾驶舱的未来科技感，仪表台上的屏幕的数量和尺寸都在增加，且大多采用无帽檐设计，而内饰上类似镀铬设计的亮条设计仍为主流。本文主要基于CATIA/SPEOS软件，针对显示屏及内饰亮条造成的视觉舒适性问题，采用CATIA二次开发工具进行光线追踪分析，并对反光程度进行SPEOS模拟仿真分析，最终进行实车验证及方案整改，提高驾驶员视觉舒适性。

关键词：CATIA/ SPEOS;视觉舒适性;光线追踪

0 引言

随着电子技术的进步及消费者对汽车显示设备要求的提高，更大尺寸且更加高清的组合仪表、中控大屏，甚至是副驾侧娱乐屏，都愈加频繁地出现在新车型上。由于更加前卫的仪表台主题设计风格，仪表台上的内饰亮条，多个屏幕的设计，都将成为干扰驾驶员视觉舒适性，造成炫目现象的潜在因素。影响驾驶员视觉舒适性的主要变现有以下三种情况。

（1）炫目/耀眼：

内饰装饰条或显示屏，因表面反光率较高，造成镜面反射效应，将外界光线反射入人眼，对驾驶员造成炫目/耀眼现象。

（2）夜间投影成像：

在夜间，显示屏或按键背光等发光源的光线经风窗玻璃反射进入人眼，形成投影成像。

（3）日间成像成像：

在日间，外界光线进入车内经显示屏或装饰条表面反射，再经风窗玻璃的二次反射进入人眼，形成投影成像。影响驾驶员视觉舒适性的三种主要现象，光线反射原理如图1所示。

1 视觉舒适性校核流程

如前所述，影响驾驶员视觉舒适性的原理及表现各有不同，但其中炫目及风窗投影现象可以采用CATIA二次开发工具来进行光线路径追踪校核，但此方法仅能判断是否有炫目、成像等现象，却无法判别其真实效果。综上，本文提出一种汽车驾驶舱视觉舒适性校核流程，具体流程如图2，并以此作为后续校核分析工作的思路指导。

2 基于CATIA、SPEOS对驾驶员视觉舒适性的计算机辅助分析

2.1 基于CATIA、SPEOS的光学模型搭建

2.1.1 赋予材料属性及光学属性

利用CATIA V5强大的建模及装配能力，将车辆的仪表台、仪表台亮条、组合仪表、中控大屏、方向盘、A柱饰板、挡风玻璃、门窗玻璃、车身外壳等相关零件进行数据处理，将上述零件各自整合为单个完整几何体，以利于材料及光学属性的赋予。同时为考虑中控大屏出厂产品在屏幕玻璃表面涂有AR防眩光涂层，需要为中控屏幕玻璃表面设置FOP表面光学属性。

对照表1，分别赋予各零件模型材料属性及光学属性，并将CATIA显示模式调整为含材料着色。

2.1.2 建立人眼传感器

因RAMSIS眼点的视觉仿真与试验结果较为吻合，且不同百分位的人体RAMSIS 眼点均可准确仿真[1]。故本文在视觉仿真中选择RAMSIS眼点进行计算。

确定驾驶员眼点位置后，以此眼点位置设置人眼传感器。根据《车辆人机工程学》[2]可知，人体综合视野在垂直方向约为130°（视水平线上60°，下方70°），在水平方向约为120°，故将传感器X、Y坐标设置如图3，且焦距设置为28.8 mm。

2.1.3 建立显示屏光源

利用SPEOS中光源设置模块，在显示光源定义界面，设置显示图片的位置和大小，并载入标准RGB光谱文件。完成后的组合仪表及中控大屏如图4所示。

2.1.4 建立外界环境源

利用SPEOS中光源设置模块，在外界环境源定义界面，首先，选择自然光Natural Light为光源类型，设置天空Zenith方向及太阳光方向。根据本文提出的视觉舒适性分析流程，此处太阳光方向以光线路径追踪分析结果来参考决定。其次，选择环境模拟Environment，导入环境模拟文件SunRoad.hdr，完成后外界环境源设置如图5所示。

2.2 基于CATIA的光线追踪分析

2.2.1 炫目耀眼光线路径追踪分析

因外界光線可能来自任何方向，其中只有极少部分光线通过内饰件及显示屏表面的反射进入驾驶员眼睛，故为减小分析工作量，本文采用视线跟踪算法：由眼点位置发出光线，经显示屏及内饰件表面反射后，追踪光线的反射路径，以此来判断潜在有害光线的来源方向。

本文利用CATIA二次开发工具，对某型轿车的仪表台亮条、组合仪表、中控大屏、副驾娱乐屏进行了炫目耀眼光线追踪分析。CATIA二次开发工具界面如图6，需输入光线发出点、反射面、反射面边界线、边界线上一点，工具自动生产由眼点发出光线，经反射面反射后的光线路径。经工具校核，某型轿车结果如图7。结果显示：组合仪表及左侧仪表台亮条没有炫目耀眼风险，因光线路径分别被天幕及门饰板遮挡，而天幕采用隔膜夹层，可过滤强光。右侧仪表台亮条、中控大屏和副驾娱乐屏都存在一定炫目耀眼风险，光线路径大致从右前门玻璃射入，但各个区域反光面积及光线角度不同。根据视觉舒适性校核流程，需对右侧仪表台亮条、中控大屏及副驾娱乐屏进行SPEOS光线仿真分析，以判断炫目耀眼程度。这三项的炫目耀眼仿真需单独根据不同阳光直射方向分三种白天工况进行。

2.2.2 投影成像光线路径追踪分析

如前文所述，投影成像虽然有日间和夜间成像两种情况，且二者发光源并不相同，但二者仍有共通之处，即在被风窗玻璃反射前，光线都由舱内零件表面所射出，故可将舱内零件表面作为发光面来进行光线追踪分析。利用CATIA二次开发环境，本文设计开发出一种投影成像校核工具，其操作界面如图8。此工具需输入发光面、眼点、反光面及控制点数量。其中控制点数量用来控制光线路径的计算数量，但只有能够计算出结果的光线路径会被显示，如果无投影成像现象，将不生成光线路径。

经工具校核，某型轿车反光成像结果如图9，该型轿车在前风挡玻璃及左右侧窗玻璃均有出现反光成像现象，其中前风挡玻璃仅有组合仪表形成了投影成像，距离B区距离70 mm，中控大屏及副驾娱乐屏成像区域均在内饰非反光零件表面，故实际成像不存在。左侧窗玻璃上：组合仪表、中控大屏、左侧仪表亮条均有成像现象，其中组合仪表的成像位置有影响驾驶员左前方视野的潜在风险。右侧窗玻璃上：右侧仪表台亮条和副驾娱乐屏均有成像现象，但副驾娱乐屏成像面积较小，且位置非驾驶员视野重要区。另外，左、右侧仪表台亮条在两侧窗的成像区域与驾驶员观察左右外后视镜视线有部分重叠。根据视觉舒适性校核流程，需对左、右侧仪表台亮条、组合仪表在玻璃上的成像进行SPEOS光线仿真分析，以判断炫目耀眼程度，因左、右侧仪表亮条在侧窗的成像原理为光的漫反射，故各将其分为一种白天工况进行仿真分析。而组合仪表在前风挡及侧窗玻璃上的成像情况为夜间成像，故将其单独作为夜间工况进行仿真分析。

2.3 基于SPEOS的视觉舒适性仿真分析

根据光线追踪分析结果，可以将所有需要SPEOS仿真分析的工况分为5个工况，其中4个为白天工况，太阳光线分别从4个方向射入车内，阳光方向根据光线追踪分析来确定。夜间工况，需要分析组合仪表屏在前风挡及侧窗玻璃上的成像是否对驾驶员视野产生安全影响。其中一种工况下的仿真设置如图10，其他工况仿真设置只是光源Source项选择不同。仿真分析结果如图11。

经仿真分析，在夜间工况下，组合仪表在前风挡玻璃、侧窗玻璃上都有成像现象，且位置与投影成像光线追踪工具所计算的结果基本一致。虽然成像较为明显，但因成像位置均不在驾驶员重点视野区域内，故评估成像对驾驶员视野无影响。

经仿真分析可知，白天工况下的四种情况中，左、右两侧仪表台亮条将外界光线经漫反射后，在左、右两侧窗玻璃上都产出了成像，且成像位置与驾驶员观察外后视镜视野方向重合，容易造成对驾驶员侧后方视野不利影响。而中控大屏因玻璃表面有防眩光涂层屏，并无造成炫目耀眼。副驾娱乐屏和仪表台右侧亮条虽然对右侧来向的阳光进行了反射，但因反射光线强度不足，没有对驾驶员造成炫目耀眼现象。

对于光线直射造成的中控大屏显示内容可视可读性，本文参考标准《CIE145-2002》及《ISO15008》，这两项标准综合考虑环境光亮度，背景光亮度，以及本身显示字符亮度，最终以“视觉对比度C”作为量化评判参数：

其中Lb为背景亮度，Ltarget为目标字符亮度。根据实际情况可将视觉对比度的使用工况分为三种。具体可读可视性评判标准如表2。

利用SPEOS的Virtual Human Vision Lab能，对中控大屏反光区域进行采样分析，此时中控大屏反光区域的显示内容视觉对比度为0.72到0.81之间，符合表2中可读可视性要求，故判定当阳光直射时，中控大屏上显示内容仍然可读可视。

3 实车验证及整改措施

结合前述分析结果，为了对仿真结果进行实车验证，在日间、夜间分别将车辆停放在与仿真条件相同的光线条件下，在各光线条件下，前风挡及侧窗玻璃上产生的成像现象均与仿真分析一致。实车成像效果如图12。

经实车评价，组合仪表在前风挡及侧窗的成像位置在驾驶员主要关注区域之外，评判反光成像可接受。因白天工况下，仪表台亮条在侧窗玻璃上的成像对外后视镜视野有影响，在车辆试制后期，对亮条表面材质进行了整改，即将亮条改为磨砂表面，从而有效降低了反光成像现象。

4 结语

本文工作围绕某型轿车的驾驶员视觉舒适性为研究内容展开，提出了基于CATIA、SPEOS的光线追踪及仿真分析流程和方法。通过对驾驶舱内各个显示屏及内饰亮条的仿真分析，将影响视觉舒适性的各种炫目、成像现象直观地展示出来，有利于及早发现发问题并提出整改措施。实践表明，采用本文方法有利于降低项目风险，并节省后期开发成本。

参考文献：

[1]文学.基于SPEOS的汽车中控屏防眩目仿真精度影响因素研究[J].汽车技术，2019（1）：57-62.

[2]毛恩榮，张红.车辆人机工程学[M].第二版.北京：北京理工大学出版社，2007：57-58.

[3]陈龙姣.基于某车型外后视镜眩光分析及优化[J].企业科技与发展，2016（4）：101-108.

[4]彭潇.基于CATIA、RAMSIS、OPTIS对汽车中控液晶屏的炫目仿真分析[C].上海：中国汽车工程学会年会论文集，2016：1735-1739.