機(jī)載顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)算法驗(yàn)證及優(yōu)化

朱沛立，常志剛

(太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

1 引 言

機(jī)載顯示器是飛機(jī)座艙顯控系統(tǒng)重要的人機(jī)接口設(shè)備，其所處的光環(huán)境十分復(fù)雜。飛機(jī)航行過程中，隨著其進(jìn)行軸線滾動(dòng)、垂直翻滾或者切入厚云層等飛行動(dòng)作[1]，在顯示器環(huán)境光照度快速變化情況下，駕駛員可能會(huì)因來不及手動(dòng)調(diào)節(jié)亮度而造成視盲。為了解決視覺疲勞、視盲等各種問題，提高顯示器的顯示質(zhì)量和舒適度[2]，顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能應(yīng)運(yùn)而生。

當(dāng)前的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)方式是基于韋伯-費(fèi)希納定律的亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法。韋伯-費(fèi)希納定律給出了人眼受到某些刺激時(shí)，人眼主觀亮度與環(huán)境光光源照度之間的關(guān)系，即人眼的主觀亮度與光源照度的對(duì)數(shù)成正比。經(jīng)視覺工效試驗(yàn)得出，采用基于韋伯-費(fèi)希納定律作為自動(dòng)調(diào)光算法的機(jī)載顯示器，其亮度隨環(huán)境光變化的顯示效果，能夠使駕駛員清晰而舒適地獲取顯示器上的信息[3]。隨著具備自動(dòng)調(diào)光功能機(jī)載顯示器的批量交付，人們發(fā)現(xiàn)大部分顯示器在某環(huán)境光照條件下的實(shí)際亮度與標(biāo)準(zhǔn)亮度值誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3%，容易造成駕駛員視覺疲勞。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)載顯示器的自動(dòng)調(diào)光功能是由環(huán)境光測試轉(zhuǎn)換電路和LED背光調(diào)節(jié)控制電路實(shí)現(xiàn)的，由于器件選型、信號(hào)布線等差異，會(huì)使環(huán)境光到電信號(hào)轉(zhuǎn)換和LED背光的調(diào)節(jié)控制電路等存在偏差，導(dǎo)致實(shí)際的自動(dòng)調(diào)光曲線偏離基于韋伯-費(fèi)希納定律的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)光曲線，造成顯示器自動(dòng)調(diào)光效果不佳。

針對(duì)上述問題，本文首先介紹了太原航空儀表有限公司顯示器的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊的工作原理及其采用的調(diào)光算法，詳細(xì)介紹了該公司設(shè)計(jì)的一套顯示器環(huán)境光-亮度測試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了專用的測試軟件，該系統(tǒng)可以完成機(jī)載顯示器自動(dòng)調(diào)光功能的測試、數(shù)據(jù)分析、曲線繪制和算法優(yōu)化等工作，使顯示器的亮度自動(dòng)調(diào)光功能滿足設(shè)計(jì)要求。

2 工作原理及調(diào)光算法

2.1 模塊的工作原理

顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊由環(huán)境光照度測試單元和亮度調(diào)節(jié)控制單元組成[4]。環(huán)境光照度測試單元利用光敏傳感器測試駕駛艙內(nèi)環(huán)境光照度，依據(jù)電壓-照度模型將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，再經(jīng)A/D電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào); 亮度調(diào)節(jié)控制單元接收到環(huán)境光照度測試單元轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)環(huán)境光-亮度曲線計(jì)算出顯示器相應(yīng)的亮度值，經(jīng)D/A電路轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)[5]，背光控制板接收、解析信號(hào)后控制LED燈板，給出與亮度值相應(yīng)的背光亮度[6]。

顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊原理框圖如圖1所示。

圖1 亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊原理框圖Fig.1 Principle diagram of brightness automatic adjustment module

2.2 亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法

(1)韋伯-費(fèi)希納定律[7]

韋伯-費(fèi)希納定律指出人的一切感覺，包括視覺、聽覺、膚覺(含痛、癢、觸、溫度)、味覺、嗅覺、電擊覺等，都遵從感覺與對(duì)應(yīng)物理量強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比的法則，即

S=KlgR+K0，

(1)

式中：S是感覺強(qiáng)度，R是刺激強(qiáng)度，K、K0是常數(shù)。

人眼的感覺亮度與環(huán)境光刺激之間也符合韋伯-費(fèi)希納定律。為了適應(yīng)人眼，需要將顯示器亮度調(diào)整到與人眼感覺亮度相一致，即顯示亮度與環(huán)境光照度之間符合韋伯-費(fèi)希納定律。

B=KlgI+K0，

(2)

式中：B是人眼的感覺亮度，I是環(huán)境光照度。 其中B(人眼感覺亮度)通過光譜彩色亮度計(jì)測量顯示器得到，I(環(huán)境光照度)通過照度計(jì)測量光敏傳感器處的環(huán)境光照度而得到。

(2)亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法

在式(2)基礎(chǔ)上，將顯示器亮度用百分比表示，即

(3)

當(dāng)環(huán)境光照度減小和增大時(shí)，顯示器亮度也隨之以對(duì)數(shù)比例減小和增大，該算法稱為亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法。

3 環(huán)境光-亮度測試系統(tǒng)

環(huán)境光-亮度測試系統(tǒng)是在原有光學(xué)性能測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過增加可程控環(huán)境光源、光源夾持裝置和測試軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測樣品的自動(dòng)調(diào)光功能測試、亮度自適應(yīng)算法驗(yàn)證和優(yōu)化[8-10]，其原理框圖如圖2所示。

圖2 環(huán)境光-亮度測試系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Principle diagram of the ambient light-brightness test system

3.1 光學(xué)性能測試系統(tǒng)

圖3為該公司現(xiàn)有的光學(xué)性能測試系統(tǒng)外形圖。它主要由精密五維機(jī)械移動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、光譜彩色亮度計(jì)和控制軟件組成。系統(tǒng)可用于測量76.2～812.8 mm(3～32 in)液晶顯示屏的亮度、色度、均勻性、對(duì)比度和視場角等光學(xué)參數(shù)。

圖3 光學(xué)性能測試系統(tǒng)外形圖Fig.3 Outline diagram of optical performance testing system

3.2 可程控環(huán)境光源

可程控環(huán)境光源是一種可以通過遠(yuǎn)程程序控制改變光照強(qiáng)度的環(huán)境光源，可以根據(jù)環(huán)境光-亮度關(guān)系模型，通過軟件控制動(dòng)態(tài)模擬座艙不同光照強(qiáng)度的環(huán)境光。

測試系統(tǒng)選用的可程控光源是由杭州遠(yuǎn)方公司研制的CL-2018,光源可提供的照度范圍：0～107 600 lx，具有精度高、范圍廣和高靈敏度等特點(diǎn)，能很好地滿足環(huán)境光-亮度變化測試的要求，圖4為其實(shí)物圖。

圖4 可程控環(huán)境光源實(shí)物圖Fig.4 Physical diagram of programmable environmental light source

3.3 光源夾持裝置

光源夾持裝置是用于固定和移動(dòng)光源位置而設(shè)計(jì)的，因被測機(jī)載顯示器尺寸不同，光敏傳感器的位置也就不固定，夾持裝置可以上下左右四個(gè)方向移動(dòng)。系統(tǒng)配備有兩個(gè)光源夾持裝置，分別固定安裝在被測樣品的兩邊并對(duì)準(zhǔn)光敏傳感器，實(shí)際安裝位置見圖5。

圖5 光源夾持裝置位置圖Fig.5 Graph of fixed light fixture position

3.4 測試軟件設(shè)計(jì)

3.4.1 軟件結(jié)構(gòu)

測試軟件選用Visual Studio 2010為開發(fā)平臺(tái)，使用C++編程語言，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，軟件主要由參數(shù)設(shè)置模塊、系統(tǒng)測試模塊、圖形繪制模塊和算法優(yōu)化模塊等4個(gè)模塊組成，測試軟件通過以太網(wǎng)總線通訊方式，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與光譜彩色亮度計(jì)和可程控環(huán)境光源之間的通訊。圖6為軟件組成結(jié)構(gòu)圖。

圖6 軟件組成結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of software composition

3.4.2 軟件程序流程

軟件啟動(dòng)后，首先對(duì)網(wǎng)口進(jìn)行初始化，建立通信鏈路，然后設(shè)置測試參數(shù)，開始測試，測試后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和曲線繪制，數(shù)據(jù)整理完畢后，開始對(duì)數(shù)據(jù)和曲線進(jìn)行分析和算法系數(shù)優(yōu)化；優(yōu)化后，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，經(jīng)多輪測試直到環(huán)境光-亮度變化曲線接近標(biāo)準(zhǔn)變化曲線，完成顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)算法驗(yàn)證和優(yōu)化工作，結(jié)束測試。

軟件流程圖見圖7，具體實(shí)現(xiàn)如下：

(1)通訊建立：初始化Socket套接字，完成上位機(jī)與光譜彩色亮度計(jì)和可程控光源的通訊建立工作；

(2)參數(shù)設(shè)置：設(shè)置光源起始、終止照度值，環(huán)境光變化方向，環(huán)境光變化量等參數(shù)；

(3)啟動(dòng)測試：根據(jù)參數(shù)設(shè)置，開始自動(dòng)調(diào)光功能測試和環(huán)境光-亮度變化曲線的繪制；

(4)控制輸出特定強(qiáng)度環(huán)境光：根據(jù)設(shè)定的起始測試環(huán)境光照度值和環(huán)境光變化量值開始測試，控制程控光源輸出該照度值；

(5)采集被測樣品顯示亮度：被測樣品根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)，改變自身顯示亮度，通過光譜彩色亮度計(jì)采集實(shí)時(shí)顯示的亮度；

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.7 Software flow chart

(6)改變環(huán)境光強(qiáng)：根據(jù)參數(shù)設(shè)置，控制可程控環(huán)境光源依次輸出每一個(gè)測試點(diǎn)要求的環(huán)境光照度；

(7)重復(fù)步驟(4)～(6)，重復(fù)測試，直至所有測試點(diǎn)測試完畢，結(jié)束重復(fù)測試；

(8)計(jì)算調(diào)光算法公式系數(shù)：通過重復(fù)測試得出的每組環(huán)境強(qiáng)和顯示亮度值，利用最小二乘法，計(jì)算得出式(3)中的K＇和K＇0；

(9)繪制調(diào)光曲線：繪制每次測試數(shù)據(jù)的環(huán)境光-亮度變化曲線；

(10)數(shù)據(jù)、曲線保存：對(duì)本次得出的測試數(shù)據(jù)和曲線圖進(jìn)行保存；

(11)再次循環(huán)測試重復(fù)步驟(3)～(10)：手動(dòng)介入改變被測樣品亮度，計(jì)算手動(dòng)介入后的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)算法公式系數(shù)，再次啟動(dòng)測試，否則，結(jié)束測試；

(12)結(jié)束測試：完成曲線繪制和調(diào)光算法系數(shù)的計(jì)算，并給出系數(shù)是否在合理區(qū)間的建議。

4 算法驗(yàn)證和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在光學(xué)暗室環(huán)境條件下對(duì)顯示器進(jìn)行亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能測試，完成環(huán)境光-亮度標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制、亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)算法驗(yàn)證和算法優(yōu)化工作，將被測顯示器、光譜彩色亮度計(jì)、光源夾具和可程控光源固定安裝好，并將可程控光源對(duì)準(zhǔn)被測樣品的光敏傳感器，連接好各儀器供電線和通訊線，啟動(dòng)測試系統(tǒng)，開始測試。

首先手動(dòng)調(diào)節(jié)被測顯示器亮度到最大，用光譜彩色亮度計(jì)測的其亮度值為1 000 cd/m2,即得到式(3)中Bmax= 1 000 cd/m2。

4.2 環(huán)境光-亮度標(biāo)準(zhǔn)曲線

為了確定式(3)中的K＇和K＇0的值。選擇108名戰(zhàn)斗機(jī)飛行員作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，年齡25 ～ 42歲，飛行時(shí)間350～2 800 h。裸眼視力不低于0.8，色覺正常，明暗適應(yīng)功能正常，夜航時(shí)間不少于50 h。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，設(shè)置被測顯示器亮度為手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，通過可程控環(huán)境光源來模擬太陽光形成不同的照度環(huán)境，將被測顯示器置于該環(huán)境中，在某一照度下，讓飛行員去觀察顯示器的亮度，調(diào)節(jié)顯示器亮度比例直至飛行員感覺舒適為止，記錄此時(shí)的照度值和顯示器亮度。調(diào)整光源照度，重復(fù)同樣的試驗(yàn)，記錄不同組照度值和顯示器亮度，利用最小二乘法計(jì)算得出K＇=25，K＇0=10。圖8為環(huán)境光-亮度變化標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖8 環(huán)境光-亮度變化標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.8 Standard curve of ambient light-brightness changes

4.3 算法驗(yàn)證

(1)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)：首先依據(jù)式(3)，在系數(shù)K＇=25，K＇0=10，Bmax= 1 000情況下，通過計(jì)算，得到表1中不同環(huán)境光照度下顯示器亮度的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)；

(2)驗(yàn)證測試：依據(jù)式(3)，將每一個(gè)環(huán)境光照度值設(shè)定為一個(gè)測試點(diǎn)，環(huán)境光照度從小到大進(jìn)行變化，測試對(duì)應(yīng)的顯示器亮度，其中起始環(huán)境光照度值為0 lx，環(huán)境光變化增量為100 lx，最大環(huán)境光照度值為4 000 lx。

通過計(jì)算和測試得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。同一環(huán)境光照度下的實(shí)測亮度與標(biāo)準(zhǔn)亮度誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3%，不能滿足用戶要求。

表1 算法驗(yàn)證和優(yōu)化的實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果(當(dāng)前亮度/最大亮度)Tab.1 Results of the measured data of the algorithm verification and optimization(Current brightness/Max brightness)

續(xù) 表

依據(jù)表1中的數(shù)據(jù)繪制環(huán)境光-亮度變化曲線，如圖9所示。

圖9 環(huán)境光-亮度變化曲線Fig.9 Curves of ambient light-brightness change

4.4 算法優(yōu)化

4.4.1 優(yōu)化要求

通過算法優(yōu)化工作，使顯示器環(huán)境光-亮度變化實(shí)測數(shù)據(jù)曲線接近標(biāo)準(zhǔn)曲線，同一環(huán)境光照度下的實(shí)測亮度與標(biāo)準(zhǔn)亮度誤差小于3%。

4.4.2 算法系數(shù)分析

根據(jù)式(3)可知，顯示器的亮度與環(huán)境光照度值的對(duì)數(shù)成正比，其系數(shù)分別為K＇和K＇0。

(1)K＇是環(huán)境光-亮度變化曲線的斜率：曲線上某點(diǎn)的斜率反映了此曲線的變量在此點(diǎn)處變化的快慢程度，即X軸上單位環(huán)境光照度所對(duì)應(yīng)的Y軸上亮度變化快慢程度；

(2)K＇0是環(huán)境光-亮度變化曲線的變化常數(shù)：即K＇相同的情況下，X軸上相同環(huán)境光照度所對(duì)應(yīng)的Y軸上亮度值不同。

4.4.3 優(yōu)化方法

通過4.4.2節(jié)對(duì)算法系數(shù)分析后，采用如下優(yōu)化方法：

(1)根據(jù)環(huán)境光-亮度變化實(shí)測數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)繪制曲線后；

(2)觀察實(shí)測曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線的坡度是否一致，如果實(shí)測曲線坡度小于標(biāo)準(zhǔn)曲線坡度，則需要將實(shí)測曲線斜率K＇值變大，反之，需要將K＇值變小；

(3)觀察曲線X軸上相同環(huán)境光照度所對(duì)應(yīng)的Y軸上實(shí)測亮度值和標(biāo)準(zhǔn)亮度值是否一致，如果實(shí)測亮度值小于標(biāo)準(zhǔn)亮度值，則需要將實(shí)測曲線變化常數(shù)K＇0值變大，反之，需要將K＇0值變?。?/p>

4.4.4 算法優(yōu)化

依據(jù)4.3表1中的數(shù)據(jù)及環(huán)境光-亮度變化曲線圖，運(yùn)用4.4.3所述的優(yōu)化方法，對(duì)K＇、K＇0進(jìn)行多次調(diào)整并進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證測試，得出最優(yōu)系數(shù)K＇=30，K＇0=13，同一環(huán)境光照度對(duì)應(yīng)的實(shí)測亮度與標(biāo)準(zhǔn)亮度誤差均小于3%，這時(shí)環(huán)境光-亮度變化實(shí)測曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線基本一致。

最優(yōu)一組優(yōu)化數(shù)據(jù)見表1，圖10為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖，包括環(huán)境光-亮度變化標(biāo)準(zhǔn)曲線、首次實(shí)測曲線和最優(yōu)優(yōu)化曲線。

圖10 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖Fig.10 Curves of experimental data

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)搭建了顯示器環(huán)境光-亮度測試系統(tǒng)，對(duì)顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能進(jìn)行了算法驗(yàn)證測試和算法優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化后的環(huán)境光-亮度變化曲線接近標(biāo)準(zhǔn)曲線，同一環(huán)境光照度對(duì)應(yīng)的實(shí)際亮度值與標(biāo)準(zhǔn)亮度值誤差低于3%，滿足設(shè)計(jì)要求，解決了太原航空儀表有限公司機(jī)載顯示器自動(dòng)調(diào)節(jié)功能存在的問題。目前該測試系統(tǒng)及算法驗(yàn)證和算法優(yōu)化方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于該公司的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測試。