顯控臺(tái)個(gè)性化調(diào)光系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

楊丹青，單興華，呂妙芳，朱美美

（1.河北漢光重工有限責(zé)任公司，河北邯鄲 056017；2.河北省雙介質(zhì)動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北邯鄲 056017）

顯控臺(tái)集顯示終端和操控設(shè)備于一體，是重要的艦艇作戰(zhàn)設(shè)備之一[1-2]。為保證光線較弱環(huán)境下的使用，顯控臺(tái)各個(gè)交互模塊上通常會(huì)設(shè)有指示燈，而燈光亮度能否有效隨環(huán)境變化而變化，是影響使用者能否順利操作顯控臺(tái)的關(guān)鍵因素[3-5]。傳統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)方式存在操作頻繁不便捷的困擾；基于傳感器的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式，因不同使用者對(duì)同一亮度值的感覺略有不同，而存在固定化和共性化問題[6-7]。為此該研究提出一種顯控臺(tái)個(gè)性化調(diào)光系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了個(gè)性化調(diào)光模型，在實(shí)現(xiàn)對(duì)顯控臺(tái)各模塊自動(dòng)調(diào)光的同時(shí)，還能滿足不同使用者的個(gè)性化需求。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該文采用分層架構(gòu)[8]設(shè)計(jì)了一種用于顯控臺(tái)的個(gè)性化調(diào)光系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。系統(tǒng)通過一系列傳感器采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過顯控臺(tái)上的調(diào)光旋鈕以及系統(tǒng)軟件接口采集用戶個(gè)性化需求，進(jìn)而利用ARM 架構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)光控制模塊，通過CAN 通信和PWM 脈沖實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光功能，提高調(diào)光效率，減少操作頻率；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建個(gè)性化調(diào)光模型，以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化調(diào)光功能，提高用戶操作顯控臺(tái)的舒適感和體驗(yàn)感；此外系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了用戶管理模塊，對(duì)于登錄和使用系統(tǒng)的用戶，系統(tǒng)會(huì)構(gòu)建并存儲(chǔ)其對(duì)應(yīng)的個(gè)性化調(diào)光模型，這樣當(dāng)用戶再次登錄時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用個(gè)性化調(diào)光模型通過調(diào)光控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)顯控臺(tái)的自動(dòng)和個(gè)性化調(diào)光。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

2.1 顯控臺(tái)組成

該文設(shè)計(jì)顯控臺(tái)包含電子機(jī)箱單元、顯示單元、操控單元和數(shù)據(jù)采集單元，臺(tái)體各模塊及接線關(guān)系如圖2 所示。具體包含人機(jī)接口計(jì)算機(jī)、顯示器、背光鍵盤、鼠標(biāo)、指示燈、調(diào)光控制模塊、USB 接口擴(kuò)展模塊、調(diào)光旋鈕、溫度傳感器、照度傳感器、濕度傳感器、色溫傳感器。

圖2 顯控臺(tái)各模塊及接線關(guān)系圖

2.2 個(gè)性化調(diào)光模型

隨著深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸模型在解決預(yù)測(cè)回歸問題方面得到廣泛應(yīng)用且取得了較好的效果[9-10]，該文選取應(yīng)用最廣泛的BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建個(gè)性化調(diào)光模型。

2.2.1 樣本選取

基于照度疊加理論[11]結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)，該文選取了八個(gè)影響亮度值的因素，分別為月、日、時(shí)、分、溫度、照度、濕度和色溫，由此構(gòu)成個(gè)性化調(diào)光模型的輸入變量X={MONTH,DAY,HOUR,MINUTE,S1,S2,S3,S4}。其中每個(gè)元素均為集合，每位使用者共采集1 152 條數(shù)據(jù)（一年12 個(gè)月，每個(gè)月采集8 天，每天每隔兩小時(shí)采集一次，共12×8×12 條數(shù)據(jù)），因此輸入變量X是一個(gè)1 152×8 的矩陣。個(gè)性化調(diào)光模型的輸出變量為顯控臺(tái)各調(diào)光模塊的亮度值Y={Q}，是一個(gè)1 152×1 的矩陣。輸入變量X和輸出變量Y共同構(gòu)成了模型的樣本數(shù)據(jù)集D={X,Y}，該文按照8∶1∶1的比例將樣本數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集。

2.2.2 樣本數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

數(shù)據(jù)集中的MONTH、DAY、HOUR、MINUTE 由人機(jī)接口計(jì)算機(jī)通過操作系統(tǒng)時(shí)間獲得，S1、S2、S3、S4數(shù)據(jù)分別由溫度傳感器、照度傳感器、濕度傳感器以及色溫傳感器通過I2C 通信傳輸?shù)饺藱C(jī)接口計(jì)算機(jī)而獲得，其采樣周期不大于500 ms，數(shù)據(jù)格式均為Float 型。

標(biāo)簽數(shù)據(jù)集Q由使用者通過調(diào)光旋鈕根據(jù)環(huán)境條件手動(dòng)調(diào)節(jié)而獲得。調(diào)光旋鈕是一種帶支架的旋轉(zhuǎn)式編碼器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 調(diào)光旋鈕結(jié)構(gòu)示意圖

該編碼器有兩個(gè)輸出信號(hào)A 和B，其原理圖如圖4 所示，當(dāng)觸點(diǎn)與黃色金屬片接觸時(shí)信號(hào)會(huì)發(fā)生跳變沿，可能是上升沿或下降沿，由A、B 引腳和金屬片默認(rèn)電平狀態(tài)決定。當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)一定角度后，A、B 信號(hào)會(huì)交替出現(xiàn)脈沖，如圖4 所示，觸點(diǎn)B 在金屬片上，因此B 為高電平，觸點(diǎn)A 不在金屬片上，所以A 為低電平。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)，觸點(diǎn)A 比觸點(diǎn)B 先接觸到金屬片，所以A 的高電平超前B 的高電平，而順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)觸點(diǎn)B 比觸點(diǎn)A 先接觸到金屬片，所以B 先出現(xiàn)高電平，基于該特點(diǎn)，該文從A、B出現(xiàn)脈沖的先后判斷旋鈕旋轉(zhuǎn)方向，從脈沖個(gè)數(shù)判斷出旋轉(zhuǎn)角度，再將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)亮度值，從而構(gòu)成標(biāo)簽數(shù)據(jù)集Y。

圖4 調(diào)光旋鈕原理圖

文中MONTH 數(shù)值范圍為1～12，S1、S2、S3、S4數(shù)值范圍為1～10 000，其范圍差異較大。為了使模型加速收斂，選取Min-Max Normalization[12]的方法對(duì)輸入數(shù)據(jù)集X的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，如式（1）所示。

其中，xmin為樣本數(shù)據(jù)的最小值，xmax為樣本數(shù)據(jù)的最大值。

根據(jù)隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式（式（2）），該文設(shè)計(jì)了8×5×3×1 的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖5 所示。

圖5 個(gè)性化調(diào)光模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

其中，Hnum為隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)，Xnum為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)，Ynum為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，α為[1,10]范圍內(nèi)的整數(shù)。

模型輸入樣本數(shù)據(jù)集X=(xi,j)922×8和標(biāo)簽樣本數(shù) 據(jù)集Y=(yi,j)922×1，并設(shè)置模型參數(shù)：epoch=1 000，batch_size=50，lr=0.001；輸出預(yù)測(cè)的亮度值以及模型損失值，具體訓(xùn)練過程如下：1）對(duì)輸入樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化；2）隨機(jī)初始化隱藏層參數(shù)W={w1,w2,w3}和B={b1,b2,b3}；3）采用ReLu 激活函數(shù)計(jì)算各隱藏層輸出值，采用均方差MSE 計(jì)算模型損失函數(shù)；4）采用Adam 算法[13]進(jìn)行梯度下降，該算法可計(jì)算每個(gè)參數(shù)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)率，對(duì)于稀疏數(shù)據(jù)集有較好的訓(xùn)練效果。模型訓(xùn)練過程損失值隨迭代次數(shù)的變化如圖6所示。

圖6 模型訓(xùn)練過程Cost函數(shù)變化圖

2.3 調(diào)光控制模塊

該模塊接收個(gè)性化調(diào)光模型輸出的亮度值，經(jīng)主控芯片STM32F107VCT6 處理后實(shí)現(xiàn)對(duì)顯控臺(tái)各模塊的個(gè)性化調(diào)光功能。STM32F107VCT6[14]是一款高性能的互聯(lián)型產(chǎn)品，集成了各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，可滿足個(gè)性化調(diào)光的需求，且具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。

該模塊與顯控臺(tái)其他待調(diào)光模塊的通信關(guān)系如圖7 所示，文中各模塊調(diào)光主要通過CAN 通信實(shí)現(xiàn)，對(duì)指示燈的調(diào)光則通過PWM 脈沖直接調(diào)節(jié)。

圖7 自動(dòng)調(diào)光各模塊間通信關(guān)系圖

CAN 通信是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，具有高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力，調(diào)光控制模塊通過心跳報(bào)文間接檢測(cè)與各模塊的通信狀態(tài)，當(dāng)該模塊通過RS232 通信接收到個(gè)性化調(diào)光模型輸出的預(yù)測(cè)亮度值后，則通過調(diào)光報(bào)文將亮度值傳輸給各待調(diào)光模塊，進(jìn)而待調(diào)光模塊完成自身的亮度調(diào)節(jié)，其中CAN 通信報(bào)文格式如表1 所示。

表1 CAN通信調(diào)光報(bào)文

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及評(píng)估

3.1 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

個(gè)性化調(diào)光模型的構(gòu)建是在Jupyter 平臺(tái)[15]上采用Python 語言基于Pytorch 庫實(shí)現(xiàn)的，其運(yùn)行并存儲(chǔ)在顯控臺(tái)的人機(jī)接口計(jì)算機(jī)上；自動(dòng)調(diào)光功能是在Keil 開發(fā)平臺(tái)上采用C 語言基于STM32 庫設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行在調(diào)光控制模塊中；系統(tǒng)其余部分采用Python 語言實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行在人機(jī)接口計(jì)算機(jī)中。系統(tǒng)流程圖如圖8 所示，其中新用戶登錄時(shí)需要構(gòu)建個(gè)性化調(diào)光模型后才能進(jìn)行個(gè)性化調(diào)光。

圖8 系統(tǒng)流程圖

3.2 實(shí)驗(yàn)及評(píng)估

由于個(gè)性化調(diào)光結(jié)果受使用者主觀因素影響較大且目前沒有統(tǒng)一的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，因此該文采用心理學(xué)測(cè)量方法，以調(diào)查問卷的方式[16]，對(duì)使用者操作顯控臺(tái)過程中關(guān)于調(diào)光的體驗(yàn)和感受進(jìn)行分析，以被試者的自我報(bào)告為依據(jù)，間接獲得系統(tǒng)的評(píng)估結(jié)果。

為全面評(píng)估個(gè)性化調(diào)光系統(tǒng)的性能，實(shí)驗(yàn)共招募了43 位使用者，年齡分布在20～55 歲之間，其中，男士23 位，女士20 位，熟練操作顯控臺(tái)的使用者31位，從未接觸過顯控臺(tái)的使用者6 位。針對(duì)手動(dòng)、自動(dòng)和個(gè)性化三種調(diào)光方式，實(shí)驗(yàn)從操作繁瑣度、調(diào)光舒適度和延遲度三方面設(shè)置測(cè)評(píng)問題，問題設(shè)定及統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。使用者通過五個(gè)等級(jí)的李克特量表[17-19]（評(píng)分等級(jí)從“完全反對(duì)”到“完全同意”，對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)從1 到5）進(jìn)行評(píng)分，為方便后續(xù)分析，該文采用一致性原則設(shè)置測(cè)評(píng)問題，即每個(gè)問題的評(píng)分越高，說明個(gè)性化調(diào)光系統(tǒng)的性能越好。

表2 測(cè)評(píng)問卷問題及統(tǒng)計(jì)結(jié)果

評(píng)估實(shí)驗(yàn)過程如下：

1）特定環(huán)境和條件下，參試者采用手動(dòng)調(diào)節(jié)的方式操作顯控臺(tái)三個(gè)小時(shí)，回答問卷第一個(gè)問題；

2）特定環(huán)境和條件下，參試者通過自動(dòng)調(diào)節(jié)的方式操作顯控臺(tái)三個(gè)小時(shí)，回答問卷第二、三個(gè)問題；

3）特定環(huán)境和條件下，參試者通過個(gè)性化調(diào)節(jié)的方式操作顯控臺(tái)三個(gè)小時(shí)，回答問卷第四、五個(gè)問題。

注：1）評(píng)估實(shí)驗(yàn)前，系統(tǒng)已構(gòu)建了所有參試者的個(gè)性化調(diào)光模型；2）三種方式的調(diào)光使用的都是同一型號(hào)顯控臺(tái)，其中手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)禁用了個(gè)性化調(diào)光模型和調(diào)光控制模塊，只開放旋鈕調(diào)光；自動(dòng)調(diào)光時(shí)，系統(tǒng)禁用了個(gè)性化調(diào)光模型。

從表2 的結(jié)果可以看出，個(gè)性化調(diào)光系統(tǒng)可有效減輕使用者的操作頻繁度，使得使用者能更好地使用顯控臺(tái)的其他功能，且相比自動(dòng)調(diào)光，個(gè)性化調(diào)節(jié)的亮度值讓使用者感到更為舒適，可見系統(tǒng)極大提高了使用者操作顯控臺(tái)的滿意度和舒適度。

4 結(jié)論

該文提供了一種應(yīng)用于顯控臺(tái)的個(gè)性化調(diào)光設(shè)計(jì)方案，選用高性能的STM32 芯片，通過CAN 通信和PWM 脈沖，設(shè)計(jì)調(diào)光控制模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光功能；基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建個(gè)性化調(diào)光模型，實(shí)現(xiàn)滿足用戶個(gè)性化需求的個(gè)性化調(diào)光功能。心理學(xué)測(cè)量評(píng)估實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能有效降低手動(dòng)調(diào)光操作的頻繁度，解決自動(dòng)調(diào)光存在的調(diào)光值固定化和共性化的問題，且極大提高使用者操作顯控臺(tái)的滿意度和舒適度，對(duì)保證不同環(huán)境下使用者順利操作顯控臺(tái)具有重要意義。