平视显示器字符亮度及线宽测量系统*

谢建英,吕 骏,王晓龙,王灵刚

(1.中航工业洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471009;2.中航工业成都飞机设计研究所,成都 610041)



平视显示器字符亮度及线宽测量系统*

谢建英1*,吕 骏2,王晓龙1,王灵刚1

(1.中航工业洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471009;2.中航工业成都飞机设计研究所,成都 610041)

传统平视显示器字符亮度及线宽测量方法采用人工点对点式测量,费时,工作量大,测量结果易受主观因素影响。为实现标准化自动快速测量,本文提出了基于CCD式亮度计的字符亮度及线宽的测量系统。通过对平视显示器字符显示特性分析,确定了测量系统中的亮度测量的关键参数和线宽测量的高斯拟合半亮度线宽算法,并结合六自由度电控旋转平移台搭建了相应的测量系统,最后通过亮度测试和线宽测试实验验证了本系统的可靠性与准确性。

亮度测量;线宽测量;CCD式亮度计;平视显示器(HUD);高斯算法

平视显示器HUD(Head Up Display)是飞机座舱内的主显示器[1-2],也是现代飞机重要的显示人机界面。HUD通过准直光学系统,可以将飞行和作战信息经过光学系统准直成像在驾驶员前方无穷远处,并与座舱外景或目标重叠在一起,使驾驶员能同时观看各种机内状态信息和真实外景及目标信息。

平视显示器中显示字符的亮度特性[3-6](亮度及线宽)是决定平视显示器显示性能优劣的关键因素之一,良好的字符亮度特性可以保证平视显示器在高强度外界光干扰下的字符可视性以及观察舒适性,如何快速准确的测量平视显示器字符的亮度特性是平视显示器产品研发以及性能验证的关键技术。传统的平视显示器字符亮度测量方法采用的是PR-1980B Pritchard Spectra-Radiometer Systems光谱光度计[1],采用点对点的测量方式[4-5],其测试操作过程十分烦琐,不仅测量效率低而且测试结果易受测试人员自身水平的限制;传统的线宽测试采用经纬仪目视估测法,由测试人员以自然视觉来主观判断半亮度点,难以得到精确线宽测试值;而基于CCD式亮度计的字符亮度及线宽测量技术,在对CCD经过亮度校准后即可用于显示屏字符的测量,该方法不仅测量方便而且不受测试人员主观判断能力的影响,保证了测量结果的准确性[7-8]。本文在此基础之上,提出了一种利用CCD式亮度计对成像于无穷远处的显示字符进行亮度及线宽测量的方法并实现了整套测量系统,解决了平视显示器线宽无法精确测量问题,实现对平视显示器字符亮度特性的快速准确测量,为平视显示器性能测试提供了技术和设备保障。

1 系统设计

本文设计的基于CCD式亮度计的字符亮度及线宽测量系统由CCD式亮度计、五维运动台(含前后、左右手动控制位移台,以及俯仰、横滚和方位3个方向电控转台)、电控垂直位移台及工作板、电移台控制箱、控制计算机、测量软件及光学平台组成,如图1所示。亮度计放置在俯仰转台上。测量前,先对被测字符进行定位,利用五维+垂直运动台中水平、垂直和左右3个方向上的移动以及方位、俯仰和横滚的转动调节亮度计的对准方向,使亮度计对准被测产品上的显示字符。系统可以测量方位和俯仰两个旋转方向的线宽。测量时,利用方位和俯仰转台带动亮度计转动,在转动的过程中亮度计实时对被测产品显示字符的横向或纵向字符亮度进行采集和记录,并与方位和俯仰转台的转动角度相对应,形成角度和亮度值之间相对应的测量数据。系统软件采用多线程控制实现数据的实时同步采集,对测量的数据进行分析,利用文中所提的高斯拟合半亮度线宽算法得出所测显示字符的线宽和亮度值。在测量过程中需要根据测量任务,设定测量路径,实现对被测产品的自动测量。

图1 字符亮度及线宽测量系统结构图

为了保证方位和俯仰角度的精度,在俯仰和方位转动方向上实现转台的闭环控制。在转台的控制过程中使用精密步进电机和涡轮蜗杆轴系,同时在转台的旋转台面下方安装光栅尺,通过读取光栅尺读数来确定转台转动的实际角度。利用高精度的光栅尺实现转台转动的闭环测量,保证了转台转动的精度,结合可靠的高斯拟合算法可以得到精确的亮度和线宽测量值。

1.1 测量原理

文献[1]规定可采用扫描狭缝法进行线宽测试,用张角宽度为线宽10%的缝隙缓慢扫过待测平视显示器字符线横截面,在缝隙后安装探测器对显示字符亮度进行测量,得到待测平视显示器字符线上亮度分布函数,确定两个半亮度点、计算出该两点间张角即为平视显示器线宽。

(1)

图2 测量原理示意图

CCD式亮度计放置除垂直升降台外的五维运动台上,以CCD像面上设定好的一个像素点为亮度采样数据来源,用转台驱动CCD式亮度计进行方位和俯仰方向的转动,其中方位旋转测量字符横向线宽,俯仰旋转测量字符纵向线宽。通过电控转台精确定位旋转使CCD上预设测量点沿待测平视显示器字符线横截面逐个角度扫过,转一个角度进行一次亮度测量,直至逐点测得采样点θs1,θs2,θs3,…,θsi,…,θsn处的亮度值Ls1,Ls2,Ls3,…,Lsi,…,Lsn,完成亮度数据采集后进行数据处理,最后得到平视显示器字符线亮度和线宽值。

1.2 CCD式亮度计参数设定

为保证线宽测试精度,单个CCD像素对应的测试张角应小于10%线宽[1],即:

单像素测试张角=镜头视角/对应像素数≤1 mrad×10%=0.1 mrad。

Nikkor 105 mm F2.8D的微距镜头对应36 mm×24 mm像面时的对角视角为23°20′,用于本测量系统8.7 mm×6.9 mm的CCD像面时,其对应的单像素测量张角计算如下,满足单像素测试张角不大于0.1 mrad的要求:

文献[1]规定进行亮度测量时,光度计的入射孔径应减小到大约6 mm,该值与镜头有效口径D相对应,D的相关计算公式如下:

F=f/D

(2)

式中F为镜头相对孔径(光圈),f为镜头焦距,D为镜头有效口径。

镜头光圈F=105/6=17.5

接近17.5的镜头光圈F值有F16和F22,可取F22,此时镜头光圈直径=105/22=4.8 mm。

平视显示器字符线发光为周期性光脉冲,重复周期T为20 ms,余辉时间约在10 ms到19 ms之间。根据人眼的视觉特性和塔尔博特-普拉窦定律(Talbot-Plateau Law):对于重复频率在临界闪烁频率以上的光脉冲,人眼不再感觉到闪烁,此时人眼主观亮度感觉[12-14]为:

(3)

式中L为人眼主观亮度感觉,L(t)为光脉冲亮度的时间函数,T为重复周期。

即人眼对平视显示器字符线发光的主观亮度感觉应为重复周期20 ms内的亮度均值,因此CCD式亮度计的曝光时间应设定为至少20 ms。

1.3 亮度角度高斯曲线拟合

根据亮度与角度对应曲线判断亮度最高点和50%最高亮度点的过程中,为保证最高亮度值和50%最高亮度点角度值的读取准确,通过高斯函数拟合的方法,得到最高亮度对应的角度值,并求取最大亮度Lmax。之后将50%Lmax亮度值结合拟合得到的高斯函数,通过求解指数方程得到对应的角度值DL(θ1)和DR(θ2),实现线宽LineWidth的求解。

亮度Lum随测量角度θ的变化分布为[15]:

(4)

式中μ,σ分别为高斯分布的期望值及方差。

根据测量方案提出了高斯拟合算法,为采用最小二乘法实现高斯曲线的拟合,对测量角度值对应的亮度值数据取对数后转换为:

(5)

可将高斯拟合转化为多项式拟合:

(6)

采用最小二乘法建立目标函数:

(7)

令:

整理各项,并把A,B,C分离出来,得到;

(8)

方程组为对称正定矩阵,用Cholesky分解法(平方根法)[16]求出方程解[A,B,C]并通过式:

(9)

可求出亮度曲线高斯拟合的参数σ,μ。且根据,

(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)

由于亮度计测量误差及电机定位振动及环境光干扰,使得被测的亮度值存在一定误差。拟合过程通过取对数后线性拟合可能出现较大的拟合误差。为此,在上述线性拟合测量结果的前提下,构建非线性优化目标函数:

(12)

用最小二乘拟合的结果作为初值[μ0,σ0,Lummax0],采用Levenberg-Marguardt优化算法,求解使得式(13)取得最优的解[μ,σ,Lummax],可以提高数据拟合精度。

由式(11)知,在θ=μ=-B/2A处为测量的亮度最大值Lummax,因而可以通过解非线性方程:

(13)

获取50%最高亮度点处对应的角度DL和DR。可用对分法[16]求解该线性方程得到方程的两个根DL=θL,DR=θR,从而获得被测字符线宽LineWidth=DR-DL。

2 测量结果与分析

2.1 字符显示特性测量

利用图1所示的平视显示器字符亮度及线宽测量系统,对某产品的平视显示器字符进行了测试。文献[17-18]规定线宽应在3 400 cd/m2亮度下测量,测试时需先将平视显示器字符亮度调节到该值附近,表1为某台平视显示器在设计眼位处测得的线宽、字符亮度(按式(1)计算)测试数据,为对该产品亮度均匀性进行评估,选取视场内多个点进行了测试。

表1 平视显示器亮度、线宽测试结果

图3为某次线宽测试原始数据与高斯拟合后数据示意图。

图3 亮度角度曲线测试图

测试时很难将待测字符亮度正好调节到3 400 cd/m2,从多次测试经验来看,可将字符亮度控制在(3 400±170)cd/m2内,对线宽测试结果基本无影响。表1中的测试数据剔除掉超出上述范围的数据,可得到2组有效字符线宽测试数据。

从最终判为有效的2组测试数据可看出,该平视显示器字符线宽在0.90 mrad～0.91 mrad之间,测量精度<0.1 mrad,符合相应指标要求。

2.2 与1980B光度计测量数据一致性对比

为了验证本文所设计系统测量的准确性,以传统专业平视显示器亮度测量仪器PR-1980B光度计的测量结果为标尺,与本系统测量数据进行对比。表2为本系统与1980B的测试数据对比。

表2 与1980B光度计测试结果对比

从上述测试数据可看出,线宽测量系统所测数据与1980B光度计测量数据接近,而由于1980B采用手轮转动方式扫描,难以精确定位至字符线最大亮度处,故被测字符线1980B所测字符线亮度值略低于本测量系统。

3 结语

本文提出了一种基于CCD式亮度计的平视显示器字符亮度及线宽测量系统,研究了测量系统参数和测量算法。本系统可以快速、自动、准确地获取平视显示器的亮度和线宽数据,可用于以CRT为像源的各型平视显示器字符亮度、线宽测试,解决了平视显示器线宽无法精确测试问题,且大大提高了亮度测量的便捷性和准确度。

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谢建英(1971-),女,洛阳电光设备研究所高级工程师,主要研究方向为机载座舱瞄准显示系统架构设计与测试,Jyxie613@163.com;

吕骏(1969-)男,成都飞机设计研究所高级工程师,长期从事航空电子系统控制与测试技术领域的设计与研究;

王晓龙(1985-),男,洛阳电光设备研究所瞄准显示系统研发部工程师,主要研究方向为嵌入式系统开发、视频压缩编码及视频编码传输等。

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

项目来源:国防科工委XX飞机技术改造项目(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