机载高分辨率大型触控显示器需求与发展分析

2023-10-25张中方武晓军钟海林张景景

电光与控制 2023年10期

王悦, 张中方, 武晓军, 钟海林, 张景景

(1.中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所,沈阳 110000; 2.中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所,河南洛阳 471000; 3.苏州长风航空电子有限公司,江苏苏州 215000;4.空军装备部驻苏州地区军事代表室,江苏苏州 215000)

0 引言

飞机座舱显控系统的发展与飞机仪表的发展有着密切的联系,以MiG-17和F-86为代表的一代机和以MiG-25为代表的二代机座舱完全是机械仪表显示[1],只能依靠飞行员熟练地综合各个仪表指示才能正确驾驶飞机,信息容量小、灵活性差,功能受到限制,且空间固定,只能采用空分制显示信息,不常用的仪表始终占据固定位置,利用率不高,还会分散飞行员注意力。以F-15,F-16和MiG-29为主要代表的三代机座舱出现了利用阴极射线管作为电子显示器件的电子飞行仪表,电子显示仪表具有很大的灵活性,采用时分制显示,在不同时间显示不同的信息,工作状态可以自动或手动切换,能一表多用,按需显示,特别是能显示计算机加工过的指引信息,减少人为差错[2]。以F-35为代表的四代机座舱则采用一块整体大屏幕显示器取代多个小尺寸多功能显示器,显示器尺寸可达20 in×8 in[3](1 in=2.54 cm),大部分系统的控制均由传统机械按键操作改为通过触控大屏幕显示器的形式完成,以便于飞行员以最快速度获取相关信息,减少低头时间。

未来有人战斗机将成为有人无人协同作战乃至跨域作战的重要指控节点,人机之间的信息交流量呈爆炸式增长,给飞行员的态势感知、信息获取、飞行操控及作战指控均带来极大的挑战[4]。由发展趋势可见,采用大屏幕显示器能够有效增强飞行员的态势感知和控制操作能力。更加清晰、更大型的显示器必定是未来发展的方向,甚至可能出现超级全景座舱,形成一个被屏幕包围的环境。随着大尺寸显示器的发展,高精度、多点触控、快速响应的大尺寸触控交互需求应运而生,本文对未来机载高分辨率大型触控显示器的设计需求和发展情况进行了分析。

1 显示视场与分辨率需求分析

对机载显示器主要性能指标的约束来源于飞行员视场和观察分辨率的需求。更大的视场和更高的分辨率是显示器的发展趋势,但是技术发展应存在合理的极限指标。以下对视场和分辨率需求做出分析。

1.1 视场需求分析

人眼视觉特征分析如图1所示。正常人两眼的视野为水平200°左右,其中双眼重合视野角度约为120°;垂直120°左右,其中,水平视线以上约为50°,水平视线以下约为70°。人眼对于汉字、字母、颜色的辨别范围各不相同,其中:颜色的辨别范围为30°～60°;字母的辨别范围为5°～30°;汉字的辨别范围为10°～20°[5]。

图1 人眼视觉特性分析

现阶段根据战斗机普遍的座舱布局,显示器的安装位置通常应为眼位水平高度靠下的方向,显示的关键信息位于最佳视区内即垂直方向-15°～-45°、水平方向±15°。未来战斗机座舱的大型显示器,其俯仰方向向下扩展空间有限,有可能向上扩展取代座舱内其他显示器件,可扩展的角度为水平视线以下15°到水平视线乃至水平视线以上。水平视场扩展情况取决于显示器是平面显示器还是曲面显示器。曲面显示器屏幕弯曲形成的视觉景深下,画面层次更真实丰富,提升视觉代入感,模糊虚拟和现实之间的严格边界,减少屏幕两侧边缘画面到人眼的距离偏差,获得更加均衡的图像,若采用曲面显示器,在曲率满足的座舱可达性与座舱空间的情况下,水平视场可向侧面尽可能延伸,画面尽量覆盖人的视野,水平视场可以扩大到120°乃至以上。若采用平面显示器,则水平视场扩展范围有限,依赖于座舱宽度限制。

追求沉浸式显示效果可以采用VR和AR等虚拟显示技术实现环抱效果,根据人眼视觉特性,瞬时视场最好达到水平视场角大于120°,垂直视场角大于70°,可使人感受到身临其境的沉浸式效果[6];同时,整个视场不受物理空间限制,可以扩展到4π空间。

显示区域虽然有较大的扩充空间,但触屏控制应避免在30°的视角外布置,原因如下:1) 30°以外人眼已经无法辨别汉字与字母,需要飞行员较大幅度调整视线去确认操作内容;2) 非曲面、球面屏的情况下,显示器边缘与飞行员距离逐渐变远,可达性较差,需要飞行员较大的动作幅度才能完成操控[7]。

1.2 分辨率需求分析

影响人眼分辨力的因素包括内因即眼睛的构造,外因即目标亮度、形状、对比度和运动状态等[8]。这里主要从内因的角度分析人眼对显示器极限分辨率的需求。通常衡量人眼分辨能力的指标有视角、视力、视敏度等。

空军飞行员视力要求C型视力表双眼裸眼远视力均在1.0以上(轰、运、直机型学员0.8以上)合格[9]。眼睛能分辨被看物体最近两点的视角,称为临界视角。视力以临界视角的倒数来表示。所以飞行员能够分辨的最小物体的视角α,理论上应该是

(1)

视敏度如图2所示。视敏度一般分为最小可见敏度、游标敏度和最小间隔敏度。在最佳观察条件下,人眼能够察觉的最小物体为0.477 6′宽的一条细线(图2(a))。在最佳观察条件下,成人可以分辨的游标敏度最小偏移为1.91′(图2(b))。在最佳观察条件下,成人的最小间隔敏度为每度45～60周,相当于0.5′～0.67′宽的栅条(图2(c))[10]。

图2 视敏度

显示分辨率也称为屏幕分辨率,指计算机显示器本身的物理分辨率,对阴极射线显像管(CRT)显示器而言,是指屏幕上荧光粉点;对液晶显示器(LCD)来说,是指显示屏上的像素。屏幕分辨率(显示分辨率)是屏幕图像的精密度,是指显示器所能显示的像素有多少。屏幕分辨率必须小于或等于显示器分辨率。人眼观测的效果与屏幕分辨率相关,因此针对屏幕分辨率进行论证。

图3为人眼分辨率示意图。图中:L为人眼与所观察像素的距离;θ为人眼观察像素的视角;H为像素高度。PPI含义为每英寸像素,是描述液晶屏幕像素密度的度量单位,PPI越高,单位英寸的像素点越多,屏幕显示效果越精细。

图3 人眼分辨率示意图

由以上分析可知,适合人眼的显示PPI数值与显示器与人眼的距离L,以及人眼的视敏度相关。人眼的视敏度,除了生理上的个性化差异外,还受到视网膜所受刺激的部位(所观察的对象在视网膜的成像是否在中央凹处)、观察对象的亮度、背景的亮度以及两者之间的亮度对比度等条件影响。这里假设外因处于最佳条件下的PPI需求,人眼能够察觉的最小物体是角度为θ的一条细线,细线高度为H,可知,当θ小于人眼观察的最优分辨率时,将无法观察到该像素点。根据三角函数可得

(2)

结合式(2),又因为

(3)

式中,IPPI为像素密度。进一步可得

(4)

典型场景下PPI指标如表1所示。

表1 典型场景下PPI指标

战斗机设计眼位与主仪表板视野中心的距离通常为635～720 mm,但最大不超过760 mm[11]。以显示器屏幕为例,按照表1中参数计算,当人眼距离屏幕最近距离635 mm观看时,对显示分辨率要求最高,显示器像素点间隔如果小于0.0882 mm,人眼将无法察觉,此时,显示器的PPI约为288。因此可以推断,机载显示器显示分辨率发展的极限指标大概为PPI不大于300。

2 显示器发展分析

2.1 显示介质分析

2.1.1 液晶显示器(LCD)

LCD,特别是薄膜晶体管液晶显示器TFT(Thin Film Transistor)-LCD,是目前应用最主流的显示技术,具有色彩逼真、画质清晰、轻薄节能等优点[12],在许多领域都有着广泛的应用,现在发展已趋于成熟。该技术诞生于20世纪60年代的TFT-LCD技术,经过近30年的不断发展和改良,于1991年由日本企业率先正式应用于商业化笔记本电脑[13],逐步取代传统的阴极射线管(CRT)显示产品,开创了平板显示的新时代。LCD模块的结构如图4所示。

图4 液晶模块结构图

目前在LCD大尺寸显示行业内50 in以下可以达到4k分辨率,50 in以上开始出现8k分辨率产品,典型显示器指标如表2所示。

表2 典型显示器指标

从表2可以看出,在常规尺寸中,55 in的PPI值最高,同时像素大小最小。从工业化的角度来看,单个像素的大小受限于TFT矩阵线路的加工能力,其实我国加工能力早已远超这个尺寸限制,但过高的PPI会影响液晶屏的透过率。液晶屏透过率可表示为

T液晶屏=T下POL×T下玻璃×T开口率×T液晶×T彩色滤光片×T上玻璃×T上POL。

(5)

在所使用的材料和设备、工艺能力均一致的前提下,液晶屏的开口率是唯一会影响液晶屏透过率的因素,液晶屏开口率可表示为

(6)

由于每个像素中都需要设计TFT走线、存储电容、黑色矩阵(BM)区等固定因子,可以认为开口率与PPI值成反比关系,即PPI值越高,开口率越低,导致液晶屏透过率越低,目前由于没有可以参照的数据,所以无法评估其关系式。

虽然当前LCD显示技术最为成熟,LCD显示在成本、寿命方面明显优于其他平板显示。但是,LCD显示技术的机载应用方面还存在以下几个问题:

1) 由于液晶本身不发光,需要引入背光源,导致液晶在显示黑色画面时也会存在背光的亮度,使得LCD的对比度不高;

2) 由于低温特性不佳,LCD在低温下会结晶,导致显示效果大大降低,需要额外增加加热装置来解决该问题,由此带来了额外功耗和设计复杂度;

3) LCD显示器件结构复杂,这导致其在厚度、功耗等方面不能做到很低,面向未来柔性化显示也比较困难。

2.1.2 OLED显示器

有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)显示器采用自发光技术,结构简单,有机发光二极管显示技术是在电场驱动下通过电子、空穴注入和复合而发光并实现显示的一种自发光型显示技术,当前主流应用为AMOLED(Active-Matrix OLED)。OLED技术的研究起源于1979年,邓青云教授在伊士曼柯达公司Rochester实验室发现了OLED[14]。1997年,日本先锋公司在全球率先推出了OLED车载显示器,使OLED显示屏首次进入商业化领域[15]。近年来,OLED显示技术逐渐发展成熟,正处于快速发展阶段,在手机等中小尺寸和电视等大尺寸应用领域已经开始量产,显示了强大的技术优势和市场潜力。

在机载应用方面,OLED优势众多,包括高分辨率、真正黑态显示、更低功耗、更高的动态分辨率,还可实现柔性、透明显示等。在分辨率方面,中小尺寸OLED(15.6 in以下)可以做到89 μm乃至更低,但大尺寸OLED受工艺影响,目前国际上大尺寸OLED面板最为成熟的LG,量产的55 in面板PPI只有80,像素大小约为315 μm,目前还在发展的喷墨打印工艺可以做到高PPI(160以上),但是技术不成熟,无法量化生产。在手机使用中(近距观测),PPI达到300足够满足人眼识别,已看不出来锯齿。人眼看到字符的清晰度取决于对比度,国军标要求强光下观测对比度大于5[16]。LCD黑色显示会存在导光板漏光现象,故需要较高的最大亮度才能实现较好的对比度,在黑态显示方面,OLED显示黑色时可以完全无光达到纯黑显示效果,对比度好,是LCD的3～5倍,强光显示效果好。经测试,暗场环境下OLED达到350 cd/m2时与LCD的1000 cd/m2相当(见表3),若亮度再高,OLED寿命衰减严重。同时,OLED响应速度是LCD的上千倍,厚度是LCD的1/3,色彩范围超过LCD技术40%。LCD与OLED对比度测试结果如表3所示。

表3 LCD与OLED对比度测试

OLED显示技术在军用领域主要需解决以下4方面突出问题。

1) 环境适应性问题。OLED为有机发光材料,容易与环境中的水氧发生反应而使器件失效,OLED的密封性是关键,在霉菌、盐雾、湿热等环境适应性军用考核要求下,其使用寿命可能比较低。

2) 夜视兼容问题。在机载显示领域,由于OLED自发光的特性,需要研制替代新材料解决中大尺寸OLED屏夜视兼容问题。

3) 寿命问题。OLED作为有机材料,发光像素持续发光,因此材料易老化,其固有缺陷即寿命和稳定性无法解决。

4) 残像问题。根源也是寿命问题,对于机载显示,实时工作状态需要长时间显示相同或相似的画面, OLED材料寿命不足,容易老化,残像问题就会暴露出来。

2.1.3 微米LED

微米LED(Micro LED)是一种新型的显示技术,其原理是将LED结构进行薄膜化、微小化、阵列化,其尺寸约为1～10 μm,具有较轻的质量、高像素密度、高亮度、高发光效率、低功耗等特点。2000年,美国堪萨斯州立大学江红星等[17]首次制备了基于Ⅲ族氮化物的Micro LED,并在2001年报道了用于显示的芯片尺寸为12 μm,10×10阵列的蓝光Micro LED。到2008年左右,白光LED背光模组呈现爆发性的成长,几年间即全面取代传统的冷阴管背光模组[7]。由于白光LED饱和度不如三原色LED,因此,直接利用三原色LED作为自发光显示像素的Micro LED应运而生。2012年索尼首次推出了55 in的Micro LED显示屏[18]。友达光电公司的研究人员在Touch Taiwan 2018展会上展示了全彩色30.73 cm(12.1 in)Micro LED显示样机,利用尺寸小于30 μm的Micro LED,实现160像素密度和1920×720分辨率[19]。Micro LED作为一种新型的显示技术,凭其显示效果和发光效率等优势受到业界的广泛青睐。Micro LED将逐步从微型显示向主显示器应用发展。2022年7月8日,雷曼公司发布分辨率为7680×4320(单位为像素),163 in的超高清Micro LED显示器[20]。

Micro LED最大的优势来自于其微米等级间距的特点,每一点像素都能定址控制及单点驱动发光。面向机载应用,分辨率方面,Micro LED的PPI可达1500,相当于Apple Watch[21]采用OLED面板PPI达到300的5倍之多。发光效率上,目前Micro LED最高,其功率消耗量约为LCD的10%,OLED的50%;寿命方面,由于Micro LED使用无机材料,且结构简易,几乎无光耗,它的使用寿命非常长,这一点是OLED无法与之相比的。目前,在响应时间、宽温工作和贮存上Micro LED独具优势,满足机载主显示器对实时性和可靠性的要求。同时,Micro LED还具备实现柔性和透明显示的优势。

微米级的制作工艺和巨量转移技术限制了性能优异的Micro LED的广泛应用,现阶段良率和转移效率还无法达到量产Micro LED的水平。

2.2 触控方式分析

目前,我国军用领域显示器主要配备了电阻、红外、电容等类型触控屏。电阻触控不受灰尘、水汽和油污的影响,环境适应性好,多应用于机电控制显示、无人机地面站显示和车载显示领域。红外触控方式较多应用于机载装机显示器,其具有光学效果好、稳定性强等优势,可用手指、笔或任何可阻挡光线的形式实现触控,不受电流、电压和静电等干扰,不需要在显示器前面增加任何额外的透光表层,对显示器的光学效果没有任何影响;但红外触控存在强光敏感,难以小型化,触控精度难以进一步提高,正逐步被电容触控替代。电容触控是目前主流触控交互方式,细分为交互电容和自我电容两种技术,广泛应用于消费、车载及军用领域。相较于红外触控,电容触控在机载显示器上的应用具有多点触控、夜视兼容、抗强光干扰及抗积水、灰尘等方面的优势。电阻、红外、电容触控方式对比如表4所示。

表4 电阻、红外、电容触控方式对比

综合对比可见,电容触控将成为未来机载显示器触控交互的主要媒介。同时,基于电容触控可集成触觉反馈、触控手势识别等人工智能处理技术,满足飞行员高效便捷操作需求,降低飞行员的操作复杂度,减轻飞行员的工作负荷,进而提升显示交互效能。

3 结论

综上,通过对人眼典型距离下显示分辨率的分析可以得出,机载显示器水平视场扩展到120°,俯仰视场向上扩展至接近0°或者0°以上,可以充分利用座舱内空间,且能达到良好的视觉观测效果。PPI为300可以达到战斗机机载显示器分辨率的极限要求,PPI达到一定量值后,越靠近人眼分辨的极限视敏度,继续提升PPI对提高观众画面质量的感受作用就会越来越不明显。要想提高显示质量,还必须从色彩、对比度、帧率、视场角等多个维度进行改进。

在显示材质的发展上,LCD,OLED和Micro LED的对比如表5所示,综合对比下,Micro LED具有更好的应用前景。触控方式上电容触控将获得广泛应用。