動(dòng)態(tài)光環(huán)境下機(jī)載顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾慶兵，吳偉國，冉 劍，文培乾

(1.上海航空電器有限公司，上海 201101;2.駐上海航空電子公司軍事代表室，上海 201101)

引言

現(xiàn)代飛機(jī)任務(wù)功能不斷加強(qiáng)，相應(yīng)，與飛行任務(wù)相關(guān)的信息急劇增加，傳統(tǒng)的機(jī)械、電子儀表已不能滿足應(yīng)用要求，顯示信息已逐漸集成至機(jī)載顯示器上。航行過程中，受高空正午強(qiáng)光、云層反射眩光、向光飛行等狀態(tài)動(dòng)靜態(tài)光環(huán)境影響，尤其對于殲擊機(jī)等高機(jī)動(dòng)性的飛行器，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，顯示器上的光環(huán)境快速動(dòng)態(tài)變化［1］，嚴(yán)重影響機(jī)組人員辨識顯示器上信息，輕則影響作戰(zhàn)績效，重則造成視盲，引發(fā)飛行事故。為消除強(qiáng)光快速變化影響，要求顯示器依據(jù)駕駛艙光環(huán)境變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)亮度。

目前顯示器亮度主要采取手動(dòng)調(diào)節(jié)方式，由機(jī)組人員根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)亮度調(diào)節(jié)旋鈕，但手動(dòng)調(diào)節(jié)費(fèi)時(shí)、效率低，強(qiáng)光快速變化時(shí)可能來不及亮度調(diào)節(jié)，極易造成機(jī)組人員視盲，引發(fā)飛行事故。顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)方式［2－3］是消除飛行光環(huán)境影響的有效方式，但現(xiàn)有的自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中顯示器亮度變化速率與環(huán)境光變化速率相一致［4－6］，這對于黃昏、拂曉等光環(huán)境變化相對較慢的場合效果較好，但是對于入云、出云、翻滾等光環(huán)境快速變化的場合，現(xiàn)有亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)方法的調(diào)節(jié)效果不佳，容易造成機(jī)組人員亮暗變化的強(qiáng)烈不適，主要是因?yàn)榱炼日{(diào)節(jié)未考慮人眼的亮、暗適應(yīng)特性。

針對強(qiáng)光快速變化條件下，顯示器亮度劇烈變化給人眼造成不適的問題，本文提出一種航空機(jī)載顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)以光照傳感器檢測駕駛艙內(nèi)環(huán)境光變化，根據(jù)顯示器亮度控制模型計(jì)算顯示器目標(biāo)亮度，并依據(jù)人眼亮、暗適應(yīng)曲線調(diào)節(jié)顯示器當(dāng)前亮度。

1 顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)原理

顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，通過光照傳感器檢測到環(huán)境光照度后，根據(jù)顯示器亮度控制模型確定當(dāng)前環(huán)境光照度下顯示器目標(biāo)亮度，然后依據(jù)人眼亮、暗適應(yīng)曲線調(diào)節(jié)顯示器當(dāng)前亮度，其中顯示器亮度控制模型和依人眼亮暗適應(yīng)曲線調(diào)節(jié)亮度是顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。

顯示器亮度控制模型定義了駕駛艙內(nèi)環(huán)境光照度和顯示器亮度對應(yīng)關(guān)系，該亮度控制模型通過視覺工效實(shí)驗(yàn)建立。視覺工效試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)為韋伯—費(fèi)希納定律，韋伯—費(fèi)希納定律給出了人眼受到某些刺激時(shí)，人眼主觀亮度與光源亮度之間的關(guān)系。人眼的主觀亮度F與光源亮度B的對數(shù)成正比:

其中K0和K是與周圍環(huán)境亮度有關(guān)的常數(shù)。不同亮度B時(shí)，人眼能察覺的最小光源亮度變化ΔBmin取決于相對亮度變化。人眼可察覺的最小相對亮度變化ΔBmin/B稱為對比靈敏度閾，以δ表示，其值通常在0.005～0.05之間［7］。視覺工效實(shí)驗(yàn)時(shí)模擬太陽光源形成照度不同的環(huán)境光，環(huán)境光照度按照韋伯—費(fèi)希納定律以等比關(guān)系進(jìn)行變化，在某一環(huán)境光照度時(shí)，由機(jī)組人員判讀顯示器上視標(biāo)，若觀看舒適，則認(rèn)為當(dāng)前顯示器亮度為舒適亮度，否則，旋轉(zhuǎn)顯示器亮度調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)出舒適亮度。根據(jù)環(huán)境光照度和顯示器亮度對應(yīng)關(guān)系建立顯示器亮度控制模型，視覺工效試驗(yàn)示意圖如圖1所示。

圖1 視覺工效試驗(yàn)示意圖Fig.1 The sketch of visual ergonomics experiments

依人眼亮暗適應(yīng)曲線調(diào)節(jié)亮度定義了駕駛艙光環(huán)境由亮環(huán)境進(jìn)入暗環(huán)境或由暗環(huán)境進(jìn)入亮環(huán)境時(shí)顯示器亮度的變化規(guī)律。當(dāng)從亮環(huán)境進(jìn)入到暗環(huán)境時(shí)，在一段時(shí)間內(nèi)機(jī)組人員完全看不到或很難看到視覺對象，過一段時(shí)間，隨著視覺感度的升高逐漸能看見視覺對象，最后視覺觀察達(dá)到穩(wěn)定和清晰，這種視覺系統(tǒng)感度的升高被稱為暗適應(yīng)，相反，從暗環(huán)境進(jìn)入到亮環(huán)境過程中視覺系統(tǒng)感度下降的現(xiàn)象被稱為亮適應(yīng)。雖然人眼視覺系統(tǒng)能適應(yīng)光環(huán)境亮度的亮暗變化，但是亮暗適應(yīng)時(shí)間的長短取決于亮度變化的量級，亮度差異越大，適應(yīng)時(shí)間越長［8］。并且，暗適應(yīng)時(shí)間 (約30min)要長于明適應(yīng)時(shí)間 (5～15min)，明暗適應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2 明暗適應(yīng)曲線Fig.2 The bright and dark adaptation curves

2 亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括環(huán)境光照度檢測單元和亮度調(diào)節(jié)控制單元。顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。環(huán)境光照度檢測單元利用光照傳感器檢測駕駛艙內(nèi)環(huán)境光照度;亮度調(diào)節(jié)控制單元采集、處理光照傳感器輸出信號后得到環(huán)境光照度，根據(jù)亮度控制模型計(jì)算各顯示器目標(biāo)亮度值，并依據(jù)人眼亮暗適應(yīng)曲線計(jì)算顯示器當(dāng)前亮度值，最后將亮度值通過ARINC-429總線發(fā)送給顯示器;顯示器接收、解析亮度值后給出與亮度值相應(yīng)的背光亮度。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 環(huán)境光變化檢測單元

環(huán)境光變化檢測單元為光照傳感器，其作用是檢測環(huán)境光的光照強(qiáng)度，將環(huán)境光照度轉(zhuǎn)換成電信號。光照傳感器布置在顯示器周圍［9］。光照傳感器的核心器件是光電二極管，當(dāng)無光照射時(shí)，光電二極管產(chǎn)生的暗電流很小，光照傳感器的輸出電壓較低;當(dāng)受到光照射時(shí)，光電二極管產(chǎn)生的電流隨之增加，光照傳感器的輸出電壓相應(yīng)升高。光照傳感器的電路原理圖如圖4所示。

面積為S、光通量為Φ的光照傳感器其接收面可認(rèn)為是理想漫散射面，發(fā)光強(qiáng)度為I的點(diǎn)光源照射在光照傳感器上時(shí)，光照傳感器上平均照度E為:

式中，dΦ為面元dS上的光通量，dw為面元dS對點(diǎn)光源所張的立體角，θ為面元法線與照射光線間夾角，l為面元與點(diǎn)光源間距離。

光照傳感器能檢測 (0～100000)lx范圍內(nèi)環(huán)境光照度，輸出電壓范圍為 (0～5.1)VDC。該光照傳感器的R2與R3構(gòu)成分壓電路，分壓比為10/28，對光電二極管的輸出電壓進(jìn)行分壓，D1為5.1V的穩(wěn)壓管，用于對光電二極管輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，保證傳感器輸出電壓在限定范圍，電阻R1和電容C1實(shí)現(xiàn)對光電二極管輸出信號的反饋檢測。

圖4 光照傳感器電路原理圖Fig.4 The circuit diagram of light sensors

2.1.2 亮度調(diào)節(jié)控制單元

亮度調(diào)節(jié)控制單元原理框圖如圖5所示。亮度調(diào)節(jié)控制單元為亮度控制組件，安裝在駕駛艙內(nèi)操縱臺上。光照傳感器的模擬量輸入信號經(jīng)過濾波、放大及過壓保護(hù)等處理后進(jìn)入DSP的ADC采樣通道。DSP采樣、處理光照傳感器輸出信號后按照電壓—照度模型得到顯示器上環(huán)境光照度，根據(jù)亮度控制模型計(jì)算出顯示器目標(biāo)亮度，然后依據(jù)人眼亮暗適應(yīng)曲線求取顯示器當(dāng)前亮度值，并將亮度值通過ARINC-429總線發(fā)送給多個(gè)顯示器，ARINC-429總線為航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的航空電子總線，具有接口方便、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 亮度調(diào)節(jié)控制單元原理框圖Fig.5 The principle diagram of the luminance dimming unit

亮度調(diào)節(jié)控制單元具有亮度控制模型數(shù)據(jù)更新接口，通過RS232接口與外部交互數(shù)據(jù)，亮度調(diào)節(jié)控制單元自動(dòng)識別連接狀態(tài)，當(dāng)連接成功后，則準(zhǔn)備更新亮度控制模型數(shù)據(jù)。

為滿足亮度調(diào)節(jié)控制單元模擬信號采樣、總線通信、亮度數(shù)據(jù)計(jì)算等功能要求，亮度調(diào)節(jié)單元中采用了CPU結(jié)構(gòu)，并配置相應(yīng)的濾波電路、數(shù)據(jù)存儲模塊及通信接口電路等。光照傳感器信號濾波電路原理圖如圖6所示，R27、R28、R40、U2B、C5、C6構(gòu)成輸入二階濾波網(wǎng)絡(luò)，主要起到電壓跟隨隔離、二階濾波的功能，其中R27=R28=1K，C5=C6=100nF;R30、C7構(gòu)成一階濾波網(wǎng)絡(luò)，選取R30=10K、C7=10nF，使之有與二階濾波網(wǎng)絡(luò)相同的時(shí)間常數(shù);U2C構(gòu)成電壓跟隨器;R12、D3構(gòu)成穩(wěn)壓電路，限制輸出電壓不會超出5.1V。ARINC-429總線是單向傳輸總線，總線上的發(fā)送端口與接收端口分離，本文中，亮度調(diào)節(jié)控制單元上為發(fā)送端口，顯示器上為接收端口，總線上有多個(gè)接受端口，ARINC-429總線接口電路如圖7所示。

圖6 光照傳感器信號濾波電路Fig.6 The filter circuit diagram of light sensor signals

圖7 ARINC-429總線接口電路Fig.7 The diagram of ARINC-429 bus interface circuit

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

顯示器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的軟件為亮度調(diào)節(jié)控制單元軟件，亮度調(diào)節(jié)控制單元軟件裝載于亮度控制組件中。

亮度調(diào)節(jié)控制單元軟件主要包括:

(1)光照傳感器數(shù)據(jù)采集模塊。主要負(fù)責(zé)采集光照傳感器的模擬量信號;

(2)數(shù)據(jù)處理模塊。主要是分析、處理采集的數(shù)據(jù)和總線接收數(shù)據(jù);

(3)總線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。主要完成亮度數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送;

(4)地面維護(hù)接口。主要完成亮度控制模型數(shù)據(jù)的下載和地面維護(hù)。

(5)BIT診斷模塊。進(jìn)行BIT診斷并獲取結(jié)果數(shù)據(jù)。

顯示器亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)亮度調(diào)節(jié)的總體流程框圖如圖8所示，軟件開發(fā)環(huán)境為Code Composer Studio v3.3集成開發(fā)環(huán)境，編程語言為C語言。主要步驟為:

(1)程序初始化。初始化時(shí)間變量T、TN，T為環(huán)境光變化的持續(xù)時(shí)間，TN為上一次亮度變化的時(shí)間，T、TN設(shè)置為當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間;

(2)采集光照傳感器信號。讀取顯示器上傳感器值，判定當(dāng)前環(huán)境光照度，根據(jù)顯示器亮度控制模型，確定顯示器當(dāng)前亮度，同時(shí)改變顯示器亮度。顯示器亮度控制模型定義了環(huán)境光照度和顯示器亮度之間的對應(yīng)關(guān)系;

(3)更新環(huán)境光照度。讀取顯示器上傳感器值，更新當(dāng)前環(huán)境光照度值;

(4)更新目標(biāo)亮度。由當(dāng)前環(huán)境光照度值，根據(jù)顯示器亮度控制模型，得到顯示器目標(biāo)亮度;

(5)判定目標(biāo)亮度和當(dāng)前亮度的等同性。若目標(biāo)亮度和當(dāng)前亮度相等，則更新時(shí)間變量T、TN，顯示器亮度不變，返回步驟 (3);否則轉(zhuǎn)到步驟 (6);

(6)比較目標(biāo)亮度和當(dāng)前亮度的大小。若目標(biāo)亮度大于當(dāng)前亮度，則增加當(dāng)前亮度，并返回步驟(3)，若目標(biāo)亮度小于當(dāng)前亮度，則減少當(dāng)前亮度，并返回步驟 (3)。

其中步驟 (6)中，若目標(biāo)亮度大于當(dāng)前亮度，計(jì)算目標(biāo)亮度和當(dāng)前亮度的差值，由亮度差值計(jì)算出當(dāng)前亮度變換到目標(biāo)亮度所需的時(shí)間TU;更新時(shí)間變量TN，并計(jì)算時(shí)間變量T和時(shí)間變量TN的差值ΔT。若ΔT＞TU，按照人眼亮適應(yīng)曲線表增加當(dāng)前亮度，并按照當(dāng)前亮度改變顯示器亮度，同時(shí)更新時(shí)間變量T，TN，返回步驟 (3);若ΔT＜TU，更新時(shí)間變量TN，顯示器亮度不變，返回步驟 (3);

若目標(biāo)亮度小于當(dāng)前亮度，計(jì)算當(dāng)前亮度和目標(biāo)亮度的差值，由亮度差值計(jì)算出當(dāng)前亮度變換到目標(biāo)亮度所需的時(shí)間TU;更新時(shí)間變量TN，并計(jì)算時(shí)間變量T和時(shí)間變量TN的差值ΔT。若ΔT＞TU，按照人眼暗適應(yīng)曲線表減小當(dāng)前亮度，并按照當(dāng)前亮度改變顯示器亮度，同時(shí)更新時(shí)間變量T、TN，返回步驟 (3);若 ΔT＜TU，更新時(shí)間變量TN，顯示器亮度不變，返回步驟 (3)。

圖8 顯示器亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的總體流程框圖Fig.8 The flow block diagram of the auto-dimming system of cockpit displays

3 結(jié)束語

本文針對強(qiáng)光快速變化條件下，顯示器亮度劇烈變化給人眼造成強(qiáng)烈不適的問題，設(shè)計(jì)了一種機(jī)載顯示器照明亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于顯示器亮度調(diào)節(jié)時(shí)完全依照人眼亮暗適應(yīng)曲線，保證了顯示器亮度變化的柔和、均勻。該亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)已在飛機(jī)上實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)用中表現(xiàn)出了亮度舒適、調(diào)光過程光色一致性好等優(yōu)點(diǎn)。

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