民机驾驶舱显示系统色彩标准的研究

杨宁

摘要：驾驶舱显示系统合理的色彩设计可降低飞行员对色彩的混淆，增强对关键飞行信息的注意力，显著提高飞行安全性。该文结合适航规章在显示系统色彩方面的要求，分别从引起注意和告警、色彩编码要求、对比度和可读性、图像色彩的使用和色差定义方面深入分析设计理念和原则，在适航规章要求的基础上提出显示系统色彩定义的设计标准，可作为提高驾驶舱人机工效的重要组成部分。

关键词：色彩标准；人机工效；CIE1931；CIE1976

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）26-0174-02

Abstract： Rational design of cockpit color standard could reduce pilots color confusion and improve the critical flight information getting-attention which highly enhances the flight safety. Combined with the airworthiness regulations for display color， this paper deeply analyzes the design philosophy in terms of attention and alerting， color coding， contrast and legibility， color usage and color difference. Display color standard as the key component of cockpit human-machine effect is also proposed on the basis of related regulations.

Key words： Color standard；Human-machine effect；CIE 1931；CIE 1976

1 概述

驾驶舱合理的人机工效可有效保证飞行安全和提高系统效率，人机工效设计主要涉及软件、硬件、环境和人，人的交互包括与硬件、软件、环境的交互。其中，人与显示系统的交互尤为频繁和重要，交互元素主要包括显示色彩、亮度、符号、形状、体积等。由于飞机的飞行信息的传递方式主要通过视觉实现，因此显示系统的色彩和亮度的设计显得尤为关键。显示系统合理的色彩可显著提高情景警觉，是保证飞行安全的有效措施。

2 显示色彩适航要求

色彩包括亮度、色调、饱和度三种属性，国际照明委员会（CIE）建立色度体系用来表征色调和饱和度[1]，如CIE1931、CIE1976等，如图1所示。

FAA咨询通报AC25.1302-1中第5-5.b.（3）（a）指出驾驶舱应执行统一的色彩理念，如果在评估允许的情况下色彩统一性可稍有偏差[2]。在所有驾驶舱应用中采用统一的色彩理念尤为重要，其原因在于色彩具有分散注意力的特性，但是过度使用色彩则会造成视觉阻碍和阅读度下降的风险，因此合理使用色彩可以帮助飞行员进行信息识别和注意力获取。该规章建议显示系统应避免使用过多色彩表达飞行信息，大量的色彩信息会干扰飞行员对飞行信息的组织和获取。显示系统应采用保守的色彩集合，在较小区域内尽量不超过7种色彩编码，包括白色、红色、绿色、蓝色、黄色（琥珀色）、青色和洋红色。

AC 25-11A， 31.c.（5）（g）建议在所有可预见的照明和工作条件下与其他颜色搭配使用时，每个编码的颜色应有足够的分离色度，以便识别和区分于其他颜色[3]。同时应避免类似亮度的颜色组合，包括饱和红色和蓝色、饱和红色和绿色、饱和蓝色和绿色、饱和黄色和绿色、黄紫色、黄绿色、黄白色、绿色洋红、洋红色黑色、绿白、蓝色黑色、在黑色的红色。AC 25-11A强调色彩的分辨度容易受到某些因素的影响，诸如人眼分辨色彩的能力、光线条件、显示器性能和观测角度等。

3 显示系统色彩的应用原则

3.1 引起注意和告警

色彩相对于其他编码技术易于理解，但系统设计者应理解色彩的相对辨识和绝对辨识的概念[4]。相对辨识是指两种颜色能够被区别，绝对辨识是指观察者对两种颜色给出同一个色彩名称。相对辨识的颜色数量非常多，而绝对辨识的颜色只有8到12种。

在一定限制条件下，色彩是对特殊信息告警和提高注意力的有效途径，在作为告警手段时，易受到背景颜色或相似颜色的干扰。例如，黄色和琥珀色在多功能显示器上很难进行区分，尤其是受到变化的外界环境和观察角度影响的情况下。在显示器上连续或同时使用相似颜色（色度空间相邻），可能导致注意力降低以及对颜色产生混淆，尤其在外界光照在显示器上的时候。虽然LCD具有较大的色域，但外界光依然降低了顏色饱和度，使色差不明显。因此显示器可使用颜色种类的最大数目不得超过7种。

3.2 色彩编码要求

如果某一种颜色单独指定一种信息，那么颜色编码被称为非冗余。如果两种或两种以上颜色混合使用，则是冗余编码。在考虑视觉缺陷、周围强光的情况下，冗余编码更能够准确传递信息。但需要符合通用惯例，非冗余颜色，红色警告，黄/琥珀色警戒，绿色正常。用于时间关键参数显示时，颜色编码应该与形状或标签冗余。很多航电公司和飞机制造商均制定了内部颜色标准，一方面降低了错误发生率（进而用于训练），一方面使其产品具有特定的外观和感觉。驾驶舱和显示器看起来越舒适，使用者感觉系统工作起来越流畅。最后，FAA、EASA等建立一系列颜色编码标准。

3.3 对比度和可读性

虽然亮度对比度是影响文字和图形的辨认度最重要的因素，但合理应用颜色也会提高辨认度（符号和背景颜色在CIE色度图中的空间距离），红和绿，蓝和黄。若亮度对比已经提供了足够的辨认度，那么再增加色度对比效果可能不是很明显。蓝色荧光粉具有低亮度输出；蓝色位于视网膜的前端；人眼的蓝色感光细胞相对于红、绿色的贫乏。人眼对色彩的敏感度如图2所示[5]。endprint

影響辨认度的因素包括显示器本身技术、人眼构造、颜色亮度的潜在顺序。在同一平面、两个不同颜色的物体之间的显著差异就是颜色的立体视觉。颜色立体视觉的原因是：人眼本身的色像差使带颜色的光产生不同程度的扩散。颜色在深度方向偏离的变化随着光进入瞳孔偏离距离而变化；也随着置于眼前棱镜的光功率变化而变化。偏离中心的距离，或棱镜是否汇聚和发散决定了哪种颜色先被看到。人类正常视觉的视敏度是1角分，当视角小于30角分（1度等于60角分）时，蓝色和黄色的分辨度会降低，若继续降低至15角分，红色和绿色也会难以分清。

如何保持充足的颜色对比度变得非常困难，例如将文字或符号叠加于在气象雷达或地形告警显示上。当颜色应用于层叠图形区域时（气象雷达位于地形之上），几种颜色可能相互影响并且使文字或符号变模糊。为了保证这些元素正常显示，通常对颜色的透明度进行处理，使背景颜色能够被人眼察觉。

3.4 图像色彩的使用

显示系统应该避免使用高饱和度的颜色（满量程灰度），其原因是高亮的颜色应该应用于符号或文字的叠加。选择大范围的颜色相当于间接调节环境灯光，比如在夜晚其可以提高整体亮度，帮助人们注意到原本眼睛不敏感的颜色，如深蓝。选择大范围的颜色时，需考虑其能否获得较好的背景和数据之间对比度的能力。

基于以上考虑，大范围的颜色可用于设置重要数据和背景采用较高的对比度，非重要数据和背景采用较低的对比度。大范围的颜色用来模拟现实色彩——天空用蓝色，地面用棕色。大范围的颜色还可以用于提高性能，比如系统采用淡蓝和黄色两种背景，那么其交叉处则会产生绿色背景。当然也不排除使用超过7种颜色的情况，但要保证使用多种颜色能够提高系统性能。如果在黄色或琥珀色区域上出现黄色告警信息，那么需要避免相似颜色的冲突。一种方法是改变两者的优先级，突显背景下的告警信息，或者晕化告警信息。为了降低背景和前景间不必要的α混合带来的影响，应使用合适的透明度以消除产生其他颜色的可能性。为区别大区域内同等重要不同意义的信息，应使用非相似颜色。

3.5 色差定义

当前没有一种单独的色差测量方法，可以对涉及颜色的工作给出准确的测试结果。针对色差问题，最新提出的CIEDE2000能够最大限度反映颜色之间的差异，有可能取代CIELUV，但仍存在很多问题。在涉及符合辨识度方面，由于CIE Delta E*00没有足够的标准，无法预知在辨识度方面的效果。在涉及绝对辨识颜色的情况下，没有一个色差方法能够准确测量出性能，这就要求在选择少量颜色的同时，还需满足较广色度空间的要求。此情况下CIEDE2000可作为首选。任何与色差相关的情况，最终的颜色是定义都必须基于真实环境下的仪器测试。颜色的使用要以提供性能为目的，而不是单单考虑美学。

4 结束语

显示系统的色彩在驾驶舱人机工效设计的范畴内意义重大，合理的色差不仅可显著提高情景警觉，更是保证飞行安全的有效措施。本文依据适航规章AC 25.1302-1和AC 25-11A，从显示色彩角度提出在显示系统定义色彩时应遵循的原则和注意事项，为民机驾驶舱人机工效的发展铺垫一定基础。

参考文献：

[1] Supplement No. 2 to CIE Publication No. 15， Recommendations on uniform color spaces color difference equations - Psychometric Color Terms.

[2] FAA AC 25.1302-1. Installed systems and equipment for use by the flightcrew [S]. 2013.

[3] FAA AC 25-11A. Transport category airplane electronic display systems [S]. 1987.

[4] ARP 4256A. Design objectives for liquid crystal displays for Part 25 （Transport） aircraft [S]. 2001.

[5] ARP 4032B.Human Engineering Considerations in the Application of Color to Electronic Aircraft Displays. 2013.endprint