影响汽车内饰光导主观均匀性判断的变量研究

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随着科技的进步与人们审美水平的提升,汽车内饰照明正朝着个性化､场景化和智能化方向蓬勃发展,不仅需要提供基本的照明需求,也应当营造温馨､舒适的氛围,满足驾乘人员的情绪需求｡直射式光导因其高形状可塑性､出色的装饰性和光效表现成为当前市场的主流选择。

研究表明,均匀和舒适的亮度分布是直射式光导的重要指标之一,也是使用体验的决定性影响因素｡目前业内开展了大量关于直射式光导的结构优化设计､材料选择和精密制造工艺等方面的研究｡其中通过微光学结构调控策略优化直射式光导长距离光传输性能,并通过设计光学元件的参数如尺寸､倾角）等,在保证高效率光提取前提下,减缓传播路径中的光亮衰减,成为实现高效均匀光导的重要途径｡此外,优化LED的排布结构､调控每个LED的亮度也能有效减弱直射式光导的不均匀性｡然而现有的相关研究多局限于光强分布的结构工艺分析,很少度量直射式光导使用时对主观感知的影响｡

鉴于上述研究现状与问题,本研究考察了LED数量､LED亮度公差和光导中心亮度这三个关键参数对直射式光导主观均匀性判断的影响规律｡通过设计仿真实验和开展主观评价实验对直射式光导在不同变量条件下的均匀性效果进行评估,为直射式光导提供更优化和舒适的照明环境提供重要依据｡

直射式光导作为汽车内饰的重要组成部分，其均匀和舒适的亮度分布关系到用车体验，进一步影响驾驶员的视疲劳度。当前业内研究主要集中在光导的结构优化和参数设计，而基于主观评价实验分析光导主观感知的研究相对较少。

 本研究目标在于探讨三大关键变量:led数量、led亮度公差和光导中心亮度对直接式光导均匀性判断的影响。我们关注这些变量与色坐标、主观打分的内在联系，目的是揭示光导使用过程中可能出现的视觉体验问题，并为产品设计提供优化参考，实现车内照明环境的最佳化。这是继现有技术指标分析的基础上，本研究进行的有益探索和拓展。

影响光导光效的变量选择

本研究选取了三个关键变量:LED数量､LED亮度公差和光导中心亮度｡LED数量关联发光单元的分布状态,是实现大面积均匀发光的基础;亮度公差会导致光导上不同区域存在亮度偏差,影响局部亮度峰值造成视觉舒适度变化;光导中心亮度代表中轴处的亮度水平,与单个LED的发光强度和数量相关｡这三个变量共同决定了光导的视觉舒适性｡为此,本研究在保证光导体积一致的前提下,分别选择了两种LED数量､五种公差水平和五种中心亮度,构建不同参数组合的光导样本,考察三变量对均匀性判断的影响,为产品优化提供参考｡

实验流程

如图所示,本研究的实验首先利用分光辐射计和亮度计获取真实汽车内饰光导样品的参数,为后续建模提供依据｡然后基于Tracepro及Matlab软件模拟不同自变量条件下的直射式光导效果图｡同时,测量投影仪在标准工作模式下的亮度响应,校正其Gamma曲线｡在此基础上,招募20名被试者在暗室环境下对模拟光导图像进行主观评分｡最后,统计分析各颜色光导样本平均意见的评分(MeanOpinionScore,MOS)与Δu'､Δv'等均匀度指标的相关性和影响关系｡上述流程保证了从实物参数提取､到仿真渲染和MOS主观评价实验的系统性｡

模拟光导视觉实验流程

真实数据采集

本研究针对真实汽车内饰环境进行了多场景的直射式光导测量｡测试覆盖了不同车型的中控台､门板以及仪表盘位置,同时也在实验室条件下测试了不同百分比光通量的光导样品｡直射式光导在使用过程中很容易因LED之间的亮度失衡以及光学结构原因,出现局部亮暗斑的视觉效果如下图所示｡收集的原始数据为构建具有代表性的仿真模型提供了可靠依据｡后续模拟过程中,通过调用这些光谱曲线和光强分布数据,使模拟样本能够高度还原直射式光导的视觉效果,保证了研究判断的准确性｡

从光导样品中获取的亮度分布热力图和亮度值的线剖面图

光导模拟生成

考虑到实际光导产品中很难单独控制变量进行研究,本研究采用基于计算机的图像模拟方法｡其优点在于可以独立改变目标变量,同时保持其他条件不变,有利于分析变量对主观感知的影响｡具体而言,基于Tracepro和Matlab平台,本研究构建汽车内饰环境下常用的聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)材质的直射式光导三维模型｡光源选择3030SMD封装的红绿蓝白四色LED,构建流程包括:

(1)计算并导入LED的出光分布数据;

(2)定义PC的折射率等光学性质;

(3)设置自变量:LED数量(40和60)､LED亮度公差范围(0%､20%､40%､60%､80%)和光导中心亮度(2cd/m2､4cd/m2､6cd/m2､8cd/m2､10cd/m2);

(4)生成模拟图片｡根据参数搭配生成的蓝光光导模拟图像如下图所示｡

不同条件下的模拟光导图像：（a）对照样本；（b）不同的LED数量；（c）不同的公差水平；（d）不同的中心亮度

校正

本研究测量EPSONEF-100B投影仪,在标准模式下该仪器的RGB三色通道的发光谱峰值波长分别为629nm､536nm､446nm,如下图所示｡校正获取了不同sRGB图像在标准投影模式下的实际亮度值,并拟合出指数函数关系,作为生成校准光导图像的依据｡

EPSON EF-100B投影机RGBW通道的发射光谱

通过选用中性密度滤光片(分别为1%､3%､10%透光率)以调节光导图像中心的设定亮度为2cd/m2､4cd/m2､6cd/m2､8cd/m2以及10cd/m2｡在图像生成时应用上述指数函数关系,计算并控制每个光导样本的中心亮度值｡这确保了主观评价试验中的光导样本与设定目标值吻合,提高了试验的准确性｡

主观评价实验

本研究招募了20名大学生作为受试者,男女比为11:9,年龄在20~26周岁之间(平均年龄22.95岁)｡所有参与者视力正常或矫正正常,无认知障碍｡在进入正式实验前,参与者先在光照严格控制(亮度<1cd/m2)的暗室内进行5min暗适应,以调节视觉系统｡如图6所示,正式实验场景中使用EPSONEF-100B投影仪在屏幕上呈现模拟光导图像｡屏幕图像尺寸为80cm×64cm,参与者在与屏幕的水平距离为120cm的位置开始视觉任务｡

通过投影光导模拟图片进行主观评价实验的场景布局

主观评价分为红绿蓝白四个颜色光导场景｡每个场景包括50张顺序随机的光导图像样本｡参与者个别观看每张样本图片,并按照均匀性主观感受给出1~5分的平均意见分(MOS),打分标准见下表｡四个场景的评分工作完成后,参与者有1min暗室休息,以消除先前颜色场景的视觉适应影响｡整个主观评价实验历时约25min｡

平均意见表

变量对MOS的影响

于前述对光导视觉效果的模拟和主观评价数据的收集,我们分析MOS作为评估光导主观均匀性效果的指标,与三个自变量之间存在一定相关性,如下图所示｡具体而言:

(1)中心亮度与使用场景相关,更高的亮度有利于凸显局部亮暗差异,中心亮度从10cd/m2下调至2cd/m2时,平均MOS评分减小了约11.5%｡

(2)亮度公差范围的扩大意味着LED之间亮度误差的加大,容易产生视觉上明显的暗斑,导致均匀性下降｡本研究结果显示,随着公差从0%逐步放宽至80%,MOS评分降低了约22.6%｡

(3)LED数量的增加将提高光导的发光单元密度,光照分布更加连续,这有利于减少反差,获得更高的均匀性评分｡当LED数量从40增至60时,平均MOS评分提高了约9.2%｡

变量对MOS影响的散点图与回归线

Δu' 和 Δv' 对 MOS 的影响

如下图所示,本实验测试了红､绿､蓝和白四种颜色光导在MOS评分､Δu'和Δv'上的联合分布情况｡从中我们可以清晰观察到,随着Δu'和Δv'值的降低,表示色差程度的减小,MOS评分整体呈现增大的趋势,两者存在负相关关系｡这验证了色度一致性的提升将显著增加主观均匀性的判断｡其中红白两色光导的MOS值分布更为集中,而蓝绿两组MOS评分则存在一定的离散性｡

MOS、u'和v' 的核密度估计(KDE)图:()~(e)按颜色分类的 KDE 图，密度在y轴上:(d)~(0 未按颜色分类的 KDE 图(KDE曲线是使用自适应带宽的高斯核计算得出的)

为清楚呈现两者的对应关系,我们绘制了各颜色光导MOS与Δu'､Δv'的散点图,如图9所示｡可以观察到,绝大多数样本点随着色差的减小呈上升趋势,不同颜色光导与MOS都有显著的相关性,说明色均匀度的改善会提高主观评价｡Δv'与MOS评级的相关性低于Δu',这表明黄蓝一致性对知觉的影响更大,这可能是由于在该色调区域能够检测到更小的MacAdam椭圆(显著差异JND)差异,这与Blankenbach等2020年关于Δv'更高敏感度的研究结果一致｡

按不同类别着色的 MOS 与u和v'|的散点图

本研究采用图像模拟与主观评价实验相结合的方法,考察了三个关键变量即LED数量､亮度公差和中心亮度对直射式光导主观均匀性判断的影响规律｡结果发现,三变量均通过影响光强分布和视觉反差,对均匀度评价MOS产生显著影响｡进一步,基于CIE1976UCS色坐标的一致性也影响判断｡

这些发现验证了技术参数与主观评价的高度相关性,可为光导的结构与制程设计提供定量指导｡本研究立足用户视角,为行业中主观感知的评价指标建立提供了参考,以及为构建光导的使用体验模型与驾乘环境优化提供了方向｡