平視顯示器字符亮度及線寬測(cè)量系統(tǒng)*

謝建英,呂 駿,王曉龍,王靈剛

(1.中航工業(yè)洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所,河南 洛陽(yáng) 471009;2.中航工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,成都 610041)

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平視顯示器字符亮度及線寬測(cè)量系統(tǒng)*

謝建英1*,呂 駿2,王曉龍1,王靈剛1

(1.中航工業(yè)洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所,河南 洛陽(yáng) 471009;2.中航工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,成都 610041)

傳統(tǒng)平視顯示器字符亮度及線寬測(cè)量方法采用人工點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式測(cè)量,費(fèi)時(shí),工作量大,測(cè)量結(jié)果易受主觀因素影響。為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化自動(dòng)快速測(cè)量,本文提出了基于CCD式亮度計(jì)的字符亮度及線寬的測(cè)量系統(tǒng)。通過對(duì)平視顯示器字符顯示特性分析,確定了測(cè)量系統(tǒng)中的亮度測(cè)量的關(guān)鍵參數(shù)和線寬測(cè)量的高斯擬合半亮度線寬算法,并結(jié)合六自由度電控旋轉(zhuǎn)平移臺(tái)搭建了相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng),最后通過亮度測(cè)試和線寬測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性。

亮度測(cè)量;線寬測(cè)量;CCD式亮度計(jì);平視顯示器(HUD);高斯算法

平視顯示器HUD(Head Up Display)是飛機(jī)座艙內(nèi)的主顯示器[1-2],也是現(xiàn)代飛機(jī)重要的顯示人機(jī)界面。HUD通過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng),可以將飛行和作戰(zhàn)信息經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直成像在駕駛員前方無(wú)窮遠(yuǎn)處,并與座艙外景或目標(biāo)重疊在一起,使駕駛員能同時(shí)觀看各種機(jī)內(nèi)狀態(tài)信息和真實(shí)外景及目標(biāo)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(yōu)劣的關(guān)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(qiáng)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(zhǔn)確的測(cè)量平視顯示器字符的亮度特性是平視顯示器產(chǎn)品研發(fā)以及性能驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的平視顯示器字符亮度測(cè)量方法采用的是PR-1980B Pritchard Spectra-Radiometer Systems光譜光度計(jì)[1],采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)量方式[4-5],其測(cè)試操作過程十分煩瑣,不僅測(cè)量效率低而且測(cè)試結(jié)果易受測(cè)試人員自身水平的限制;傳統(tǒng)的線寬測(cè)試采用經(jīng)緯儀目視估測(cè)法,由測(cè)試人員以自然視覺來主觀判斷半亮度點(diǎn),難以得到精確線寬測(cè)試值;而基于CCD式亮度計(jì)的字符亮度及線寬測(cè)量技術(shù),在對(duì)CCD經(jīng)過亮度校準(zhǔn)后即可用于顯示屏字符的測(cè)量,該方法不僅測(cè)量方便而且不受測(cè)試人員主觀判斷能力的影響,保證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[7-8]。本文在此基礎(chǔ)之上,提出了一種利用CCD式亮度計(jì)對(duì)成像于無(wú)窮遠(yuǎn)處的顯示字符進(jìn)行亮度及線寬測(cè)量的方法并實(shí)現(xiàn)了整套測(cè)量系統(tǒng),解決了平視顯示器線寬無(wú)法精確測(cè)量問題,實(shí)現(xiàn)對(duì)平視顯示器字符亮度特性的快速準(zhǔn)確測(cè)量,為平視顯示器性能測(cè)試提供了技術(shù)和設(shè)備保障。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于CCD式亮度計(jì)的字符亮度及線寬測(cè)量系統(tǒng)由CCD式亮度計(jì)、五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)(含前后、左右手動(dòng)控制位移臺(tái),以及俯仰、橫滾和方位3個(gè)方向電控轉(zhuǎn)臺(tái))、電控垂直位移臺(tái)及工作板、電移臺(tái)控制箱、控制計(jì)算機(jī)、測(cè)量軟件及光學(xué)平臺(tái)組成,如圖1所示。亮度計(jì)放置在俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)上。測(cè)量前,先對(duì)被測(cè)字符進(jìn)行定位,利用五維+垂直運(yùn)動(dòng)臺(tái)中水平、垂直和左右3個(gè)方向上的移動(dòng)以及方位、俯仰和橫滾的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)亮度計(jì)的對(duì)準(zhǔn)方向,使亮度計(jì)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)產(chǎn)品上的顯示字符。系統(tǒng)可以測(cè)量方位和俯仰兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的線寬。測(cè)量時(shí),利用方位和俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)亮度計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng),在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中亮度計(jì)實(shí)時(shí)對(duì)被測(cè)產(chǎn)品顯示字符的橫向或縱向字符亮度進(jìn)行采集和記錄,并與方位和俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度相對(duì)應(yīng),形成角度和亮度值之間相對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件采用多線程控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步采集,對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)顯示字符的線寬和亮度值。在測(cè)量過程中需要根據(jù)測(cè)量任務(wù),設(shè)定測(cè)量路徑,實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)產(chǎn)品的自動(dòng)測(cè)量。

圖1 字符亮度及線寬測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了保證方位和俯仰角度的精度,在俯仰和方位轉(zhuǎn)動(dòng)方向上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的閉環(huán)控制。在轉(zhuǎn)臺(tái)的控制過程中使用精密步進(jìn)電機(jī)和渦輪蝸桿軸系,同時(shí)在轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)面下方安裝光柵尺,通過讀取光柵尺讀數(shù)來確定轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際角度。利用高精度的光柵尺實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的閉環(huán)測(cè)量,保證了轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的精度,結(jié)合可靠的高斯擬合算法可以得到精確的亮度和線寬測(cè)量值。

1.1 測(cè)量原理

文獻(xiàn)[1]規(guī)定可采用掃描狹縫法進(jìn)行線寬測(cè)試,用張角寬度為線寬10%的縫隙緩慢掃過待測(cè)平視顯示器字符線橫截面,在縫隙后安裝探測(cè)器對(duì)顯示字符亮度進(jìn)行測(cè)量,得到待測(cè)平視顯示器字符線上亮度分布函數(shù),確定兩個(gè)半亮度點(diǎn)、計(jì)算出該兩點(diǎn)間張角即為平視顯示器線寬。

(1)

圖2 測(cè)量原理示意圖

CCD式亮度計(jì)放置除垂直升降臺(tái)外的五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)上,以CCD像面上設(shè)定好的一個(gè)像素點(diǎn)為亮度采樣數(shù)據(jù)來源,用轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)CCD式亮度計(jì)進(jìn)行方位和俯仰方向的轉(zhuǎn)動(dòng),其中方位旋轉(zhuǎn)測(cè)量字符橫向線寬,俯仰旋轉(zhuǎn)測(cè)量字符縱向線寬。通過電控轉(zhuǎn)臺(tái)精確定位旋轉(zhuǎn)使CCD上預(yù)設(shè)測(cè)量點(diǎn)沿待測(cè)平視顯示器字符線橫截面逐個(gè)角度掃過,轉(zhuǎn)一個(gè)角度進(jìn)行一次亮度測(cè)量,直至逐點(diǎn)測(cè)得采樣點(diǎn)θs1,θs2,θs3,…,θsi,…,θsn處的亮度值Ls1,Ls2,Ls3,…,Lsi,…,Lsn,完成亮度數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jì)參數(shù)設(shè)定

為保證線寬測(cè)試精度,單個(gè)CCD像素對(duì)應(yīng)的測(cè)試張角應(yīng)小于10%線寬[1],即:

單像素測(cè)試張角=鏡頭視角/對(duì)應(yīng)像素?cái)?shù)≤1 mrad×10%=0.1 mrad。

Nikkor 105 mm F2.8D的微距鏡頭對(duì)應(yīng)36 mm×24 mm像面時(shí)的對(duì)角視角為23°20′,用于本測(cè)量系統(tǒng)8.7 mm×6.9 mm的CCD像面時(shí),其對(duì)應(yīng)的單像素測(cè)量張角計(jì)算如下,滿足單像素測(cè)試張角不大于0.1 mrad的要求:

文獻(xiàn)[1]規(guī)定進(jìn)行亮度測(cè)量時(shí),光度計(jì)的入射孔徑應(yīng)減小到大約6 mm,該值與鏡頭有效口徑D相對(duì)應(yīng),D的相關(guān)計(jì)算公式如下:

F=f/D

(2)

式中F為鏡頭相對(duì)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(shí)鏡頭光圈直徑=105/22=4.8 mm。

平視顯示器字符線發(fā)光為周期性光脈沖,重復(fù)周期T為20 ms,余輝時(shí)間約在10 ms到19 ms之間。根據(jù)人眼的視覺特性和塔爾博特-普拉竇定律(Talbot-Plateau Law):對(duì)于重復(fù)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(shí)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(shí)間函數(shù),T為重復(fù)周期。

即人眼對(duì)平視顯示器字符線發(fā)光的主觀亮度感覺應(yīng)為重復(fù)周期20 ms內(nèi)的亮度均值,因此CCD式亮度計(jì)的曝光時(shí)間應(yīng)設(shè)定為至少20 ms。

1.3 亮度角度高斯曲線擬合

根據(jù)亮度與角度對(duì)應(yīng)曲線判斷亮度最高點(diǎn)和50%最高亮度點(diǎn)的過程中,為保證最高亮度值和50%最高亮度點(diǎn)角度值的讀取準(zhǔn)確,通過高斯函數(shù)擬合的方法,得到最高亮度對(duì)應(yīng)的角度值,并求取最大亮度Lmax。之后將50%Lmax亮度值結(jié)合擬合得到的高斯函數(shù),通過求解指數(shù)方程得到對(duì)應(yīng)的角度值DL(θ1)和DR(θ2),實(shí)現(xiàn)線寬LineWidth的求解。

亮度Lum隨測(cè)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(jù)測(cè)量方案提出了高斯擬合算法,為采用最小二乘法實(shí)現(xiàn)高斯曲線的擬合,對(duì)測(cè)量角度值對(duì)應(yīng)的亮度值數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)后轉(zhuǎn)換為:

(5)

可將高斯擬合轉(zhuǎn)化為多項(xiàng)式擬合:

(6)

采用最小二乘法建立目標(biāo)函數(shù):

(7)

令:

整理各項(xiàng),并把A,B,C分離出來,得到;

(8)

方程組為對(duì)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(shù)σ,μ。且根據(jù),

(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(jì)測(cè)量誤差及電機(jī)定位振動(dòng)及環(huán)境光干擾,使得被測(cè)的亮度值存在一定誤差。擬合過程通過取對(duì)數(shù)后線性擬合可能出現(xiàn)較大的擬合誤差。為此,在上述線性擬合測(cè)量結(jié)果的前提下,構(gòu)建非線性優(yōu)化目標(biāo)函數(shù):

(12)

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

由式(11)知,在θ=μ=-B/2A處為測(cè)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(diǎn)處對(duì)應(yīng)的角度DL和DR?？捎脤?duì)分法[16]求解該線性方程得到方程的兩個(gè)根DL=θL,DR=θR,從而獲得被測(cè)字符線寬LineWidth=DR-DL。

2 測(cè)量結(jié)果與分析

2.1 字符顯示特性測(cè)量

利用圖1所示的平視顯示器字符亮度及線寬測(cè)量系統(tǒng),對(duì)某產(chǎn)品的平視顯示器字符進(jìn)行了測(cè)試。文獻(xiàn)[17-18]規(guī)定線寬應(yīng)在3 400 cd/m2亮度下測(cè)量,測(cè)試時(shí)需先將平視顯示器字符亮度調(diào)節(jié)到該值附近,表1為某臺(tái)平視顯示器在設(shè)計(jì)眼位處測(cè)得的線寬、字符亮度(按式(1)計(jì)算)測(cè)試數(shù)據(jù),為對(duì)該產(chǎn)品亮度均勻性進(jìn)行評(píng)估,選取視場(chǎng)內(nèi)多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試。

表1 平視顯示器亮度、線寬測(cè)試結(jié)果

圖3為某次線寬測(cè)試原始數(shù)據(jù)與高斯擬合后數(shù)據(jù)示意圖。

圖3 亮度角度曲線測(cè)試圖

測(cè)試時(shí)很難將待測(cè)字符亮度正好調(diào)節(jié)到3 400 cd/m2,從多次測(cè)試經(jīng)驗(yàn)來看,可將字符亮度控制在(3 400±170)cd/m2內(nèi),對(duì)線寬測(cè)試結(jié)果基本無(wú)影響。表1中的測(cè)試數(shù)據(jù)剔除掉超出上述范圍的數(shù)據(jù),可得到2組有效字符線寬測(cè)試數(shù)據(jù)。

從最終判為有效的2組測(cè)試數(shù)據(jù)可看出,該平視顯示器字符線寬在0.90 mrad～0.91 mrad之間,測(cè)量精度<0.1 mrad,符合相應(yīng)指標(biāo)要求。

2.2 與1980B光度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)一致性對(duì)比

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性,以傳統(tǒng)專業(yè)平視顯示器亮度測(cè)量?jī)x器PR-1980B光度計(jì)的測(cè)量結(jié)果為標(biāo)尺,與本系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。表2為本系統(tǒng)與1980B的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比。

表2 與1980B光度計(jì)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從上述測(cè)試數(shù)據(jù)可看出,線寬測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)與1980B光度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)接近,而由于1980B采用手輪轉(zhuǎn)動(dòng)方式掃描,難以精確定位至字符線最大亮度處,故被測(cè)字符線1980B所測(cè)字符線亮度值略低于本測(cè)量系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于CCD式亮度計(jì)的平視顯示器字符亮度及線寬測(cè)量系統(tǒng),研究了測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)和測(cè)量算法。本系統(tǒng)可以快速、自動(dòng)、準(zhǔn)確地獲取平視顯示器的亮度和線寬數(shù)據(jù),可用于以CRT為像源的各型平視顯示器字符亮度、線寬測(cè)試,解決了平視顯示器線寬無(wú)法精確測(cè)試問題,且大大提高了亮度測(cè)量的便捷性和準(zhǔn)確度。

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謝建英(1971-),女,洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)闄C(jī)載座艙瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與測(cè)試,Jyxie613@163.com;

呂駿(1969-)男,成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所高級(jí)工程師,長(zhǎng)期從事航空電子系統(tǒng)控制與測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)與研究;

王曉龍(1985-),男,洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)研發(fā)部工程師,主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)、視頻壓縮編碼及視頻編碼傳輸?shù)取?/p>

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(xiàng)目來源:國(guó)防科工委XX飛機(jī)技術(shù)改造項(xiàng)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