機載顯示器亮度自動調節算法驗證及優化

朱沛立，常志剛

(太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

1 引 言

機載顯示器是飛機座艙顯控系統重要的人機接口設備，其所處的光環境十分復雜。飛機航行過程中，隨著其進行軸線滾動、垂直翻滾或者切入厚云層等飛行動作[1]，在顯示器環境光照度快速變化情況下，駕駛員可能會因來不及手動調節亮度而造成視盲。為了解決視覺疲勞、視盲等各種問題，提高顯示器的顯示質量和舒適度[2]，顯示器亮度自動調節功能應運而生。

當前的亮度自動調節方式是基于韋伯-費希納定律的亮度自適應調節算法。韋伯-費希納定律給出了人眼受到某些刺激時，人眼主觀亮度與環境光光源照度之間的關系，即人眼的主觀亮度與光源照度的對數成正比。經視覺工效試驗得出，采用基于韋伯-費希納定律作為自動調光算法的機載顯示器，其亮度隨環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]。隨著具備自動調光功能機載顯示器的批量交付，人們發現大部分顯示器在某環境光照條件下的實際亮度與標準亮度值誤差遠遠大于3%，容易造成駕駛員視覺疲勞。經研究發現，機載顯示器的自動調光功能是由環境光測試轉換電路和LED背光調節控制電路實現的，由于器件選型、信號布線等差異，會使環境光到電信號轉換和LED背光的調節控制電路等存在偏差，導致實際的自動調光曲線偏離基于韋伯-費希納定律的標準調光曲線，造成顯示器自動調光效果不佳。

針對上述問題，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調節模塊的工作原理及其采用的調光算法，詳細介紹了該公司設計的一套顯示器環境光-亮度測試系統，設計開發了專用的測試軟件，該系統可以完成機載顯示器自動調光功能的測試、數據分析、曲線繪制和算法優化等工作，使顯示器的亮度自動調光功能滿足設計要求。

2 工作原理及調光算法

2.1 模塊的工作原理

顯示器亮度自動調節模塊由環境光照度測試單元和亮度調節控制單元組成[4]。環境光照度測試單元利用光敏傳感器測試駕駛艙內環境光照度，依據電壓-照度模型將光信號轉換為與之相對應的電信號，再經A/D電路轉換為數字信號; 亮度調節控制單元接收到環境光照度測試單元轉換的數字信號，根據環境光-亮度曲線計算出顯示器相應的亮度值，經D/A電路轉換為模擬信號[5]，背光控制板接收、解析信號后控制LED燈板，給出與亮度值相應的背光亮度[6]。

顯示器亮度自動調節模塊原理框圖如圖1所示。

圖1 亮度自動調節模塊原理框圖Fig.1 Principle diagram of brightness automatic adjustment module

2.2 亮度自適應調節算法

(1)韋伯-費希納定律[7]

韋伯-費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，都遵從感覺與對應物理量強度的對數成正比的法則，即

S=KlgR+K0，

(1)

式中：S是感覺強度，R是刺激強度，K、K0是常數。

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

B=KlgI+K0，

(2)

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

(2)亮度自適應調節算法

在式(2)基礎上，將顯示器亮度用百分比表示，即

(3)

當環境光照度減小和增大時，顯示器亮度也隨之以對數比例減小和增大，該算法稱為亮度自適應調節算法。

3 環境光-亮度測試系統

環境光-亮度測試系統是在原有光學性能測試系統基礎上，通過增加可程控環境光源、光源夾持裝置和測試軟件來實現對被測樣品的自動調光功能測試、亮度自適應算法驗證和優化[8-10]，其原理框圖如圖2所示。

圖2 環境光-亮度測試系統原理框圖Fig.2 Principle diagram of the ambient light-brightness test system

3.1 光學性能測試系統

圖3為該公司現有的光學性能測試系統外形圖。它主要由精密五維機械移動轉臺、光譜彩色亮度計和控制軟件組成。系統可用于測量76.2～812.8 mm(3～32 in)液晶顯示屏的亮度、色度、均勻性、對比度和視場角等光學參數。

圖3 光學性能測試系統外形圖Fig.3 Outline diagram of optical performance testing system

3.2 可程控環境光源

可程控環境光源是一種可以通過遠程程序控制改變光照強度的環境光源，可以根據環境光-亮度關系模型，通過軟件控制動態模擬座艙不同光照強度的環境光。

測試系統選用的可程控光源是由杭州遠方公司研制的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，能很好地滿足環境光-亮度變化測試的要求，圖4為其實物圖。

圖4 可程控環境光源實物圖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光源位置而設計的，因被測機載顯示器尺寸不同，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方向移動。系統配備有兩個光源夾持裝置，分別固定安裝在被測樣品的兩邊并對準光敏傳感器，實際安裝位置見圖5。

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

3.4 測試軟件設計

3.4.1 軟件結構

測試軟件選用Visual Studio 2010為開發平臺，使用C++編程語言，采用模塊化設計方法，軟件主要由參數設置模塊、系統測試模塊、圖形繪制模塊和算法優化模塊等4個模塊組成，測試軟件通過以太網總線通訊方式，實現上位機與光譜彩色亮度計和可程控環境光源之間的通訊。圖6為軟件組成結構圖。

圖6 軟件組成結構圖Fig.6 Structure diagram of software composition

3.4.2 軟件程序流程

軟件啟動后，首先對網口進行初始化，建立通信鏈路，然后設置測試參數，開始測試，測試后對數據進行整理和曲線繪制，數據整理完畢后，開始對數據和曲線進行分析和算法系數優化；優化后，再次進行實驗測試，經多輪測試直到環境光-亮度變化曲線接近標準變化曲線，完成顯示器亮度自動調節算法驗證和優化工作，結束測試。

軟件流程圖見圖7，具體實現如下：

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

(2)參數設置：設置光源起始、終止照度值，環境光變化方向，環境光變化量等參數；

(3)啟動測試：根據參數設置，開始自動調光功能測試和環境光-亮度變化曲線的繪制；

(4)控制輸出特定強度環境光：根據設定的起始測試環境光照度值和環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：被測樣品根據環境光強，改變自身顯示亮度，通過光譜彩色亮度計采集實時顯示的亮度；

圖7 軟件設計流程圖Fig.7 Software flow chart

(6)改變環境光強：根據參數設置，控制可程控環境光源依次輸出每一個測試點要求的環境光照度；

(7)重復步驟(4)～(6)，重復測試，直至所有測試點測試完畢，結束重復測試；

(8)計算調光算法公式系數：通過重復測試得出的每組環境強和顯示亮度值，利用最小二乘法，計算得出式(3)中的K＇和K＇0；

(9)繪制調光曲線：繪制每次測試數據的環境光-亮度變化曲線；

(10)數據、曲線保存：對本次得出的測試數據和曲線圖進行保存；

(11)再次循環測試重復步驟(3)～(10)：手動介入改變被測樣品亮度，計算手動介入后的亮度自動調節算法公式系數，再次啟動測試，否則，結束測試；

(12)結束測試：完成曲線繪制和調光算法系數的計算，并給出系數是否在合理區間的建議。

4 算法驗證和優化實驗

4.1 實驗準備

在光學暗室環境條件下對顯示器進行亮度自動調節功能測試，完成環境光-亮度標準曲線繪制、亮度自動調節算法驗證和算法優化工作，將被測顯示器、光譜彩色亮度計、光源夾具和可程控光源固定安裝好，并將可程控光源對準被測樣品的光敏傳感器，連接好各儀器供電線和通訊線，啟動測試系統，開始測試。

首先手動調節被測顯示器亮度到最大，用光譜彩色亮度計測的其亮度值為1 000 cd/m2,即得到式(3)中Bmax= 1 000 cd/m2。

4.2 環境光-亮度標準曲線

為了確定式(3)中的K＇和K＇0的值。選擇108名戰斗機飛行員作為實驗對象，年齡25 ～ 42歲，飛行時間350～2 800 h。裸眼視力不低于0.8，色覺正常，明暗適應功能正常，夜航時間不少于50 h。

在實驗室環境中，設置被測顯示器亮度為手動調節模式，通過可程控環境光源來模擬太陽光形成不同的照度環境，將被測顯示器置于該環境中，在某一照度下，讓飛行員去觀察顯示器的亮度，調節顯示器亮度比例直至飛行員感覺舒適為止，記錄此時的照度值和顯示器亮度。調整光源照度，重復同樣的試驗，記錄不同組照度值和顯示器亮度，利用最小二乘法計算得出K＇=25，K＇0=10。圖8為環境光-亮度變化標準曲線。

圖8 環境光-亮度變化標準曲線Fig.8 Standard curve of ambient light-brightness changes

4.3 算法驗證

(1)標準數據：首先依據式(3)，在系數K＇=25，K＇0=10，Bmax= 1 000情況下，通過計算，得到表1中不同環境光照度下顯示器亮度的標準數據；

(2)驗證測試：依據式(3)，將每一個環境光照度值設定為一個測試點，環境光照度從小到大進行變化，測試對應的顯示器亮度，其中起始環境光照度值為0 lx，環境光變化增量為100 lx，最大環境光照度值為4 000 lx。

通過計算和測試得到的數據結果如表1所示。同一環境光照度下的實測亮度與標準亮度誤差遠遠大于3%，不能滿足用戶要求。

表1 算法驗證和優化的實測數據結果(當前亮度/最大亮度)Tab.1 Results of the measured data of the algorithm verification and optimization(Current brightness/Max brightness)

續 表

依據表1中的數據繪制環境光-亮度變化曲線，如圖9所示。

圖9 環境光-亮度變化曲線Fig.9 Curves of ambient light-brightness change

4.4 算法優化

4.4.1 優化要求

通過算法優化工作，使顯示器環境光-亮度變化實測數據曲線接近標準曲線，同一環境光照度下的實測亮度與標準亮度誤差小于3%。

4.4.2 算法系數分析

根據式(3)可知，顯示器的亮度與環境光照度值的對數成正比，其系數分別為K＇和K＇0。

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

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

4.4.3 優化方法

通過4.4.2節對算法系數分析后，采用如下優化方法：

(1)根據環境光-亮度變化實測數據及標準數據繪制曲線后；

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

(3)觀察曲線X軸上相同環境光照度所對應的Y軸上實測亮度值和標準亮度值是否一致，如果實測亮度值小于標準亮度值，則需要將實測曲線變化常數K＇0值變大，反之，需要將K＇0值變小；

4.4.4 算法優化

依據4.3表1中的數據及環境光-亮度變化曲線圖，運用4.4.3所述的優化方法，對K＇、K＇0進行多次調整并進行相應的驗證測試，得出最優系數K＇=30，K＇0=13，同一環境光照度對應的實測亮度與標準亮度誤差均小于3%，這時環境光-亮度變化實測曲線與標準曲線基本一致。

最優一組優化數據見表1，圖10為實驗數據曲線圖，包括環境光-亮度變化標準曲線、首次實測曲線和最優優化曲線。

圖10 實驗數據曲線圖Fig.10 Curves of experimental data

5 結 論

本文設計搭建了顯示器環境光-亮度測試系統，對顯示器亮度自動調節功能進行了算法驗證測試和算法優化。實驗結果表明：優化后的環境光-亮度變化曲線接近標準曲線，同一環境光照度對應的實際亮度值與標準亮度值誤差低于3%，滿足設計要求，解決了太原航空儀表有限公司機載顯示器自動調節功能存在的問題。目前該測試系統及算法驗證和算法優化方法已經廣泛應用于該公司的產品設計和測試。