自动适应环境光变化的显示终端研制

摘 要:为了满足特殊场合的显示需要而研制的特种显示设备,建立了显示终端亮度和环境光照度之间的数学关系。为了满足不同用户的需求,文章提出了一种根据用户的调节结果来修正该数学关系的方法,并在此基础上完成了原理样机的研制。采用国产硅光电池和滤光片能够较为准确地测量环境光照度和显示亮度,并使系统能按对应关系以最佳的亮度来工作,用户在不满意的情况下,可以通过按键来人工调节亮度,单片机以人工调节的结果来改变该数学关系,并能记忆该数学关系。此显示终端能满足户外和高、低温环境下的特殊要求。

关键词:显示终端;亮度;环境光;调节

中图分类号:TN873;V241.8 文献标识码:A

Manufacture of Display Terminal with Automatically Adapt to Changes in Ambient Light

WANG Jing1,2, ZHU Xiang-bing1, CHEN Jin1,

LUO Qing-qing1,2, CHEN Qiao-yun1

(1. College of Physics and Electronic Information, Anhui Normal University, Wuhu Anhui 241000, China;2. Huadong Photoelectric Technology Institute, Wuhu Anhui 241002, China)

Abstract: In order to meet the needs of special environment of the display, a display terminal brightness and ambient illumination mathematical relationship is established. In order to meet the needs of different users, a method is presented for users to modify the regulation of the relationship. Based on this, the prototype of display terminal has been completed. By using the silicon photovoltaic cells and the filter, the ambient illumination and display brightness can be measured accurately. The brightness of the prototype can be adjusted automatically. When users are not satisfied with the brightness, they can manually adjust the brightness. The SCM can change the mathematical relationship according to the result of artificial regulation and can remember the mathematical relationship. The display terminal can meet the outdoor, high and low temperature environment of the special requirements.

Keywords: display terminal; brightness; ambient illumination; regulation

引 言

目前,显示终端已经在很多领域被广泛应用,成为不可缺少的重要设备。为了让用户能够舒适地使用显示终端,显示终端在不同的环境光照度下应该有不同的亮度与之对应,所以高端的显示终端应该能根据环境光照度调节亮度[1,2],每个用户都有自己的亮度偏好,用户手动调节亮度也是需要的,显示终端应具有记忆显示亮度和环境光照度之间关系的功能。

现有的国内外涉及到自动调节亮度的方案[3,4]需要进一步完善。大多数方案中采用的传感器对不同波长环境光的响应与人眼对环境光的响应不一致,造成照度测量误差[5],在一些特殊场合,这些误差是不可容忍的。在自动亮度调节的过程中,通过改变电流或电压信号使显示终端的亮度改变,没有测量显示终端的实际平均亮度,不能认为加载相同的电流或电压信号,同一显示终端的亮度始终保持不变。显示终端的实际亮度不仅受电流或电压信号的影响,还受到使用时间和温度的影响,终端从开始工作到稳定的过程中,其内部元件会产生焦耳热,元件的温度在发生变化[6],元件的特性参数也随之发生改变,最终显示的亮度也发生改变,尤其在气候寒冷的环境下工作的大功率显示设备,如军用显示设备、座舱显示设备、户外的显示设备[7~10],这种变化会比较突出。同时现有的具有自动调节功能的显示终端在依据环境光照度实现显示终端的亮度自动调节时,不能给出一个简单的显示亮度和环境光照度之间的对应关系,且不能根据用户的要求修正该关系。

本文从建立数学模型、设计用户手动调节方案、选择测光电路、设计电路、编程实现算法、原理样机研制等方面解决上述问题。实验验证了该显示终端能够实现良好的视觉效果,并根据用户的需求进行修正。

1 数学模型

首先要找到显示终端的最佳亮度与环境光照度之间的关系,该关系可以用数学模型来表示。在公开的资料文献中几乎没有文献涉及到该数学关系,因此有必要建立一个数学关系。由于在户外使用的显示设备既要在黑暗的夜晚使用,也要在光线强烈的白天使用,所以环境光照度的范围是非常宽的,照度从零到数万勒克斯,既要考虑人的暗视觉,又要考虑明视觉,同时不同的用户有各自偏好的亮度特性,所以该对应关系应该能够方便地修改,该对应关系也应是在硬件上容易实现的。

人类的眼睛最适于观察自然界中的物体,显示终端的亮度特性和自然界中的物体一致时,人眼的感觉最舒适[11]。考虑到人的暗视觉,在黑暗的环境中,物体的亮度只有超过最小值 bmin才能被看清楚,如果考虑到不想被其他人发现,根据美国军方标准的显示设备在暗环境中的最大亮度bmax 是有限制的。在光线良好的环境中,物体表面的亮度是由环境光和物体的反射率共同确定的,而物体的反射特性可以认为是不变的,在确定的位置观察静止物体,它的亮度与环境光照度成正比。仿照自然界中具有荧光特性的物体的亮度特性,显示终端的亮度用y表示,环境光的照度用x 表示,两者之间最简洁的关系为:

y=kx+b (1)

其中 b是环境光为0时显示终端应具有的亮度, k是参考自然界中物体在自然光照射下的反射特性, b和k 都应大于0。

不同用户对亮度的感受是有差异的[12~14],当用户手动调节亮度后,显示终端应能够自动改变此对应关系,即改变(1)式中的k和b 。当用户在亮环境中改变亮度,应主要改变k ;当用户在暗环境中,应主要改变 b;在过渡状态下,如黄昏或黎明,k和b都应该发生改变。

当环境光照度为xt 时,显示终端自动调节的亮度为 yt=kxt+b,若用户不满意当前自动调节的亮度,调节亮度到 y't,根据y't-yt 的大小来调节k和b,调节的原则是比较 kx和b对yt 的影响,并由此来计算新的k和b,分别用k'和b'表示:

(2)、(3)式中, n为大于1的常量,当n=1时,在环境光照度大于0的情形下调节显示终端的亮度, k和b都是等比例放大或缩小,在亮环境下调节亮度时会对b产生较大影响,同样在暗环境中调节亮度时也会对k产生较大影响,所以n>1。若n取值过大,黄昏或黎明时,调节显示亮度,得到新的k'和b'值也不理想。调节结束后,用新的k'和b'值取代(1)式中的k和b得到新的关系式。

(1)、(2)和(3)式是后续工作的理论依据,但仅是基本的理论公式,在进一步工作中需考虑一些细节,对b和k作进一步探讨。

根据前文可知,为了看见黑暗中的物体,(1)式中的b应超过最小值。如果用户调节过程中,由于二进制数的计算误差导致b为0,根据(3)式,b将永远为0,用户在照度为0的黑暗环境中永远看不清显示终端,所以在程序中设定了最小值bmin,如果用户调节过程中计算出的b'

液晶显示终端的最大亮度是有限的[15,16],当环境光太强时,计算出来的理论显示亮度大于显示终端的最大亮度时,液晶显示终端只能以最大亮度显示,不再计算新的b和k值。

2 原理样机

本文采用特种液晶屏制作原理样机,电路主要包括:测光电路、按键电路、单片机、背光驱动电路等。

测光电路由滤光片、光电池、放大器等组成。滤光片对入射的各种波长的光进行选择性的衰减后,光电池接收入射光并输出电流信号,经过放大器放大后,输出的电压对不同波长光的响应曲线与人眼对不同波长光的感受基本一致。

测光电路有两路通道,一路感知环境光信号,由于液晶屏的平均亮度和背光亮度之间存在一定的比例关系,通过背光亮度就可以计算出液晶屏的平均亮度,所以另一路感知液晶屏LED背光的亮度信号。在液晶面板上方的边框上有一直径为5mm的圆孔,接收环境光的光电池放在圆孔后方,环境光通过圆孔、滤光片照射在光电池上,在液晶面板的背光源上方有一直径为2mm的圆孔,接收背光亮度的光电池放在圆孔另一侧,由于实际的液晶屏中,背光源亮度是显示屏亮度的数倍,所以两路信号的放大倍数是不一样的。为了避免环境光中低频信号的干扰,在单片机程序中,对两路通道的输入光信号进行多次采样和滤波,得到准确的光信号。

光电池采用国产的PN23CV型硅光电池,PN23CV产生的信号通过运算放大器OP07CP放大后送至单片机,放大电路采用电容减小环境光中的杂波(如LED灯具会产生PWM波)信号的影响,使输出信号趋于平稳,采用可变电阻改变放大倍数,使输出电压在单片机的接收范围内。

单片机采用C8051F020,为100脚TQFP封装,12位8通道ADC,带PGA(可编程增益放大器)和模拟多路开关。可编程增益为0.5、1、2、4、8或16,运算放大器OP07CP的输出信号由单片机中的可编程增益放大器PGA进一步得到放大,通过选择放大倍数扩展了照度的测量范围。

背光驱动电路采用封装形式为TO-252的大功率LED恒流驱动器DD311,接收单片机传送来的亮度控制信号,调节背光亮度。三组DD311分别对应红、绿、蓝三种颜色的LED,通过调节DD311上的外挂参考电阻,可以改变三组LED的最大电流,进而调节液晶屏的整体颜色,DD311采用PWM方式驱动LED,单片机发出的信号连接到DD311的EN端,通过改变加载在LED上电流的占空比调节LED的平均亮度,如果三组DD311的PWM波不一致,也可以改变液晶屏的颜色。

图1为电路的原理框图,按键电路含有两个按键 SW1、SW2,当按下SW1表示增加显示终端亮度,当按下SW2表示降低显示终端亮度,同时按下SW1、SW2表示b和k分别回到出厂值bs和ks。

电路的具体工作过程为:首先读取环境光照度,单片机根据环境光照度计算出理论显示亮度,同时也读取显示终端的实际显示亮度,根据理论亮度和实际显示亮度判断是否需要修改实际的显示亮度,若需要修改,则改变显示亮度。检测用户有无按键动作,判断是否根据用户要求调节实际显示亮度,若需要修改,则调节实际显示亮度到用户满意值。当根据用户要求调节实际亮度后,定时器复位开始计时,当定时器记录的时间达到设定值时,单片机将计算新的b和k值,并将其存入单片机存储器中,显示终端的显示亮度和环境光照度之间的对应关系也随之进行调整,同时使定时器复位停止计时。当用户需要显示终端回到出厂缺省值时,用bs和ks值分别存入b和k中。系统不断重复上述操作。

在原理样机中,根据课题组成员的测试, n=2、bs=100、ks=3.3、bmin=10 和kmin=0.3 。

3 结论

测试给出了显示终端的显示亮度和环境光照度之间的数学关系,并能根据用户的要求对该关系进行修正,并以此为依据研制了一种根据环境光变化实现亮度自动连续调节的显示终端。

电路能精确测量出环境光的照度和显示终端的亮度,显示终端能满足特殊场合的显示要求。

目前还有不足之处需要进一步完善,如环境光太强时,显示终端的最大亮度是有限的,不能满足用户要求;环境光太弱时,虽然显示终端总显示亮度满足要求,但显示终端的光谱分布不理想。

参考文献

[1] TAKUYA I, AYANO K, TAKASHI K, et al. The relationship between ambient illumination and psychological factors in viewing of display Images [C]. SPIE, 2009, 7241:72410L.1-72410L.10.

[2] PATRIK S, MAGNUS B, LARS G M. Detection of low contrast test patterns on an LCD with different luminance and illuminance settings[C]. SPIE, 2008, 6917: 69170N.1-69170N.9.

[3] OLIVER D, WILLIAM A P, JULIO C, et al. A superior architecture of brightness enhancement for display backlighting [C]. SPIE, 2006, 6338: 63380G.1-63380G.8.

[4] AKIKOY, GRZEGORZK, KAROLM, et al. Perception-based contrast enhancement model for complex images in high dynamicrange[C]. SPIE, 2008, 6806:68060C.1-68060C.11.

[5] REHN H. Sensitivity of an illumination system to lamp flicker[C]. SPIE, 2008, 71030C.1-71030C.10.

[6] HE S M, ZHANG B, LI N, et al. Junction temperature measurement on light-emitting diodes and its application [C]. SPIE, 2009, 7518:75180N.1-75180N.6.

[7] WU H X, FENG Q B, LV G Q. A white-and-blue mixed LED backlight for airplane display[C]. SPIE, 2009, 7509: 75090R.1-75090R.8.

[8] MARK A H, JOHN R M, PAUL E W. Ultrabright head-mounted displays using LED-illuminated LCOS[C]. SPIE, 2006, 6224: 62240S.1-62240S.7.

[9] GEORGE O, KENNETH L. LED light source for projection displays[C]. SPIE, 2008, 6911: 69110Z.1-69110Z.4.

[10] ERRIKOS A. LED backlights[C]. SPIE, 2005, 5801: 49-58.

[11] SUN C C, MORENO I, CHUNG S H. Direct LED backlight for large area LCD TVs: brightness analysis[C]. SPIE, 2007, 6669: 666909.1-666909.10.

[12] JENNIFER G, JAMES O L. Using the human eye to characterize displays[C]. SPIE, 2001, 4299: 439-454.

[13] EISEMANNU. Influence of spatial luminance interactions on perceived brightness[C]. SPIE, 2000, 4300:184-191.

[14] JANNSON T, ARIKE, BENNAHMIASM, et al. Brightness limitations in integrated lighting systems[C]. SPIE, 2007, 6558: 65580L.1-65580L.11.

[15] LIANG Y, TANG Y H, LIU K, et al. Control circuit design of novel partial gating detector by liquid crystal[C]. SPIE, 2008, 7279: 72791Z.1-72791Z.8.

[16] SUGIYAMA T, KUDO Y. The calibration accuracy of display white point by visual calibrator under various illuminations[ C ]. SPIE,2006,6058:60580N.1- 60580N.10.

作者简介:王 竞(1985-),男,安徽肥东人,硕士,主要从事光电技术研究,E-mail:。