平視顯示器字符亮度及線寬測量系統*

謝建英,呂 駿,王曉龍,王靈剛

(1.中航工業洛陽電光設備研究所,河南 洛陽 471009;2.中航工業成都飛機設計研究所,成都 610041)

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平視顯示器字符亮度及線寬測量系統*

謝建英1*,呂 駿2,王曉龍1,王靈剛1

(1.中航工業洛陽電光設備研究所,河南 洛陽 471009;2.中航工業成都飛機設計研究所,成都 610041)

傳統平視顯示器字符亮度及線寬測量方法采用人工點對點式測量,費時,工作量大,測量結果易受主觀因素影響。為實現標準化自動快速測量,本文提出了基于CCD式亮度計的字符亮度及線寬的測量系統。通過對平視顯示器字符顯示特性分析,確定了測量系統中的亮度測量的關鍵參數和線寬測量的高斯擬合半亮度線寬算法,并結合六自由度電控旋轉平移臺搭建了相應的測量系統,最后通過亮度測試和線寬測試實驗驗證了本系統的可靠性與準確性。

亮度測量;線寬測量;CCD式亮度計;平視顯示器(HUD);高斯算法

平視顯示器HUD(Head Up Display)是飛機座艙內的主顯示器[1-2],也是現代飛機重要的顯示人機界面。HUD通過準直光學系統,可以將飛行和作戰信息經過光學系統準直成像在駕駛員前方無窮遠處,并與座艙外景或目標重疊在一起,使駕駛員能同時觀看各種機內狀態信息和真實外景及目標信息。

平視顯示器中顯示字符的亮度特性[3-6](亮度及線寬)是決定平視顯示器顯示性能優劣的關鍵因素之一,良好的字符亮度特性可以保證平視顯示器在高強度外界光干擾下的字符可視性以及觀察舒適性,如何快速準確的測量平視顯示器字符的亮度特性是平視顯示器產品研發以及性能驗證的關鍵技術。傳統的平視顯示器字符亮度測量方法采用的是PR-1980B Pritchard Spectra-Radiometer Systems光譜光度計[1],采用點對點的測量方式[4-5],其測試操作過程十分煩瑣,不僅測量效率低而且測試結果易受測試人員自身水平的限制;傳統的線寬測試采用經緯儀目視估測法,由測試人員以自然視覺來主觀判斷半亮度點,難以得到精確線寬測試值;而基于CCD式亮度計的字符亮度及線寬測量技術,在對CCD經過亮度校準后即可用于顯示屏字符的測量,該方法不僅測量方便而且不受測試人員主觀判斷能力的影響,保證了測量結果的準確性[7-8]。本文在此基礎之上,提出了一種利用CCD式亮度計對成像于無窮遠處的顯示字符進行亮度及線寬測量的方法并實現了整套測量系統,解決了平視顯示器線寬無法精確測量問題,實現對平視顯示器字符亮度特性的快速準確測量,為平視顯示器性能測試提供了技術和設備保障。

1 系統設計

本文設計的基于CCD式亮度計的字符亮度及線寬測量系統由CCD式亮度計、五維運動臺(含前后、左右手動控制位移臺,以及俯仰、橫滾和方位3個方向電控轉臺)、電控垂直位移臺及工作板、電移臺控制箱、控制計算機、測量軟件及光學平臺組成,如圖1所示。亮度計放置在俯仰轉臺上。測量前,先對被測字符進行定位,利用五維+垂直運動臺中水平、垂直和左右3個方向上的移動以及方位、俯仰和橫滾的轉動調節亮度計的對準方向,使亮度計對準被測產品上的顯示字符。系統可以測量方位和俯仰兩個旋轉方向的線寬。測量時,利用方位和俯仰轉臺帶動亮度計轉動,在轉動的過程中亮度計實時對被測產品顯示字符的橫向或縱向字符亮度進行采集和記錄,并與方位和俯仰轉臺的轉動角度相對應,形成角度和亮度值之間相對應的測量數據。系統軟件采用多線程控制實現數據的實時同步采集,對測量的數據進行分析,利用文中所提的高斯擬合半亮度線寬算法得出所測顯示字符的線寬和亮度值。在測量過程中需要根據測量任務,設定測量路徑,實現對被測產品的自動測量。

圖1 字符亮度及線寬測量系統結構圖

為了保證方位和俯仰角度的精度,在俯仰和方位轉動方向上實現轉臺的閉環控制。在轉臺的控制過程中使用精密步進電機和渦輪蝸桿軸系,同時在轉臺的旋轉臺面下方安裝光柵尺,通過讀取光柵尺讀數來確定轉臺轉動的實際角度。利用高精度的光柵尺實現轉臺轉動的閉環測量,保證了轉臺轉動的精度,結合可靠的高斯擬合算法可以得到精確的亮度和線寬測量值。

1.1 測量原理

文獻[1]規定可采用掃描狹縫法進行線寬測試,用張角寬度為線寬10%的縫隙緩慢掃過待測平視顯示器字符線橫截面,在縫隙后安裝探測器對顯示字符亮度進行測量,得到待測平視顯示器字符線上亮度分布函數,確定兩個半亮度點、計算出該兩點間張角即為平視顯示器線寬。

(1)

圖2 測量原理示意圖

CCD式亮度計放置除垂直升降臺外的五維運動臺上,以CCD像面上設定好的一個像素點為亮度采樣數據來源,用轉臺驅動CCD式亮度計進行方位和俯仰方向的轉動,其中方位旋轉測量字符橫向線寬,俯仰旋轉測量字符縱向線寬。通過電控轉臺精確定位旋轉使CCD上預設測量點沿待測平視顯示器字符線橫截面逐個角度掃過,轉一個角度進行一次亮度測量,直至逐點測得采樣點θs1,θs2,θs3,…,θsi,…,θsn處的亮度值Ls1,Ls2,Ls3,…,Lsi,…,Lsn,完成亮度數據采集后進行數據處理,最后得到平視顯示器字符線亮度和線寬值。

1.2 CCD式亮度計參數設定

為保證線寬測試精度,單個CCD像素對應的測試張角應小于10%線寬[1],即:

單像素測試張角=鏡頭視角/對應像素數≤1 mrad×10%=0.1 mrad。

Nikkor 105 mm F2.8D的微距鏡頭對應36 mm×24 mm像面時的對角視角為23°20′,用于本測量系統8.7 mm×6.9 mm的CCD像面時,其對應的單像素測量張角計算如下,滿足單像素測試張角不大于0.1 mrad的要求:

文獻[1]規定進行亮度測量時,光度計的入射孔徑應減小到大約6 mm,該值與鏡頭有效口徑D相對應,D的相關計算公式如下:

F=f/D

(2)

式中F為鏡頭相對孔徑(光圈),f為鏡頭焦距,D為鏡頭有效口徑。

鏡頭光圈F=105/6=17.5

接近17.5的鏡頭光圈F值有F16和F22,可取F22,此時鏡頭光圈直徑=105/22=4.8 mm。

平視顯示器字符線發光為周期性光脈沖,重復周期T為20 ms,余輝時間約在10 ms到19 ms之間。根據人眼的視覺特性和塔爾博特-普拉竇定律(Talbot-Plateau Law):對于重復頻率在臨界閃爍頻率以上的光脈沖,人眼不再感覺到閃爍,此時人眼主觀亮度感覺[12-14]為:

(3)

式中L為人眼主觀亮度感覺,L(t)為光脈沖亮度的時間函數,T為重復周期。

即人眼對平視顯示器字符線發光的主觀亮度感覺應為重復周期20 ms內的亮度均值,因此CCD式亮度計的曝光時間應設定為至少20 ms。

1.3 亮度角度高斯曲線擬合

根據亮度與角度對應曲線判斷亮度最高點和50%最高亮度點的過程中,為保證最高亮度值和50%最高亮度點角度值的讀取準確,通過高斯函數擬合的方法,得到最高亮度對應的角度值,并求取最大亮度Lmax。之后將50%Lmax亮度值結合擬合得到的高斯函數,通過求解指數方程得到對應的角度值DL(θ1)和DR(θ2),實現線寬LineWidth的求解。

亮度Lum隨測量角度θ的變化分布為[15]:

(4)

式中μ,σ分別為高斯分布的期望值及方差。

根據測量方案提出了高斯擬合算法,為采用最小二乘法實現高斯曲線的擬合,對測量角度值對應的亮度值數據取對數后轉換為:

(5)

可將高斯擬合轉化為多項式擬合:

(6)

采用最小二乘法建立目標函數:

(7)

令:

整理各項,并把A,B,C分離出來,得到;

(8)

方程組為對稱正定矩陣,用Cholesky分解法(平方根法)[16]求出方程解[A,B,C]并通過式:

(9)

可求出亮度曲線高斯擬合的參數σ,μ。且根據,

(10)

可知道最大亮度值Lummax和最大亮度值所在的角度位置θmax:

(11)

由于亮度計測量誤差及電機定位振動及環境光干擾,使得被測的亮度值存在一定誤差。擬合過程通過取對數后線性擬合可能出現較大的擬合誤差。為此,在上述線性擬合測量結果的前提下,構建非線性優化目標函數:

(12)

用最小二乘擬合的結果作為初值[μ0,σ0,Lummax0],采用Levenberg-Marguardt優化算法,求解使得式(13)取得最優的解[μ,σ,Lummax],可以提高數據擬合精度。

由式(11)知,在θ=μ=-B/2A處為測量的亮度最大值Lummax,因而可以通過解非線性方程:

(13)

獲取50%最高亮度點處對應的角度DL和DR。可用對分法[16]求解該線性方程得到方程的兩個根DL=θL,DR=θR,從而獲得被測字符線寬LineWidth=DR-DL。

2 測量結果與分析

2.1 字符顯示特性測量

利用圖1所示的平視顯示器字符亮度及線寬測量系統,對某產品的平視顯示器字符進行了測試。文獻[17-18]規定線寬應在3 400 cd/m2亮度下測量,測試時需先將平視顯示器字符亮度調節到該值附近,表1為某臺平視顯示器在設計眼位處測得的線寬、字符亮度(按式(1)計算)測試數據,為對該產品亮度均勻性進行評估,選取視場內多個點進行了測試。

表1 平視顯示器亮度、線寬測試結果

圖3為某次線寬測試原始數據與高斯擬合后數據示意圖。

圖3 亮度角度曲線測試圖

測試時很難將待測字符亮度正好調節到3 400 cd/m2,從多次測試經驗來看,可將字符亮度控制在(3 400±170)cd/m2內,對線寬測試結果基本無影響。表1中的測試數據剔除掉超出上述范圍的數據,可得到2組有效字符線寬測試數據。

從最終判為有效的2組測試數據可看出,該平視顯示器字符線寬在0.90 mrad～0.91 mrad之間,測量精度<0.1 mrad,符合相應指標要求。

2.2 與1980B光度計測量數據一致性對比

為了驗證本文所設計系統測量的準確性,以傳統專業平視顯示器亮度測量儀器PR-1980B光度計的測量結果為標尺,與本系統測量數據進行對比。表2為本系統與1980B的測試數據對比。

表2 與1980B光度計測試結果對比

從上述測試數據可看出,線寬測量系統所測數據與1980B光度計測量數據接近,而由于1980B采用手輪轉動方式掃描,難以精確定位至字符線最大亮度處,故被測字符線1980B所測字符線亮度值略低于本測量系統。

3 結語

本文提出了一種基于CCD式亮度計的平視顯示器字符亮度及線寬測量系統,研究了測量系統參數和測量算法。本系統可以快速、自動、準確地獲取平視顯示器的亮度和線寬數據,可用于以CRT為像源的各型平視顯示器字符亮度、線寬測試,解決了平視顯示器線寬無法精確測試問題,且大大提高了亮度測量的便捷性和準確度。

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謝建英(1971-),女,洛陽電光設備研究所高級工程師,主要研究方向為機載座艙瞄準顯示系統架構設計與測試,Jyxie613@163.com;

呂駿(1969-)男,成都飛機設計研究所高級工程師,長期從事航空電子系統控制與測試技術領域的設計與研究;

王曉龍(1985-),男,洛陽電光設備研究所瞄準顯示系統研發部工程師,主要研究方向為嵌入式系統開發、視頻壓縮編碼及視頻編碼傳輸等。

TheLuminanceandLine-WidthMeasurementSystemforHeadUpDisplay*

XIEJianying1*,LVJun2,WANGXiaolong1,WANGLingGang1

(1.Luoyang Institute of Electro-Optical Equipment,AVIC,Luoyang Henan 471009,China;2.Chengdu Aircraft Design and Research Institute,Chengdu 610041,China)

Traditional methods for measuring the luminance and line-width for Head Up Display(HUD)were point manual measurement.Measuring process was time consuming and workload.The results were easily affected by subjective factors.To standardize measurements automatically and quickly,,this paper propose the luminance and line-width measurement system for HUD based on the CCD luminance meter.By analyzing the display characteristics of HUD character,The key parameters of the luminance measurement and the half luminance Gaussian fitting algorithm for line with measurement are determined.Combined with the CCD luminance meter and the six degrees of freedom motorized positioning and swivel table,the measurement system has been built.The reliability and accuracy of the system is verified by a series of experiments of luminance and the line-width measurement.

luminance measurement;line width measurement;CCD luminance meter;head up display;Gaussian algorithm

項目來源:國防科工委XX飛機技術改造項目(95FS209)

2014-03-18修改日期:2014-05-27

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.07.023

TP391

:A

:1004-1699(2014)07-0988-05