打破汽车内的既有模式:曲面显示器

日期:  
2019年 10月 27日
作者: 
Shaina Warner  | 
主题: 

几周前,我在一篇博客文章中深入探讨了自由形态车载显示器世界,并讨论了这些新颖的显示器形状如何使汽车和面板制造商能够自由地将显示器设计到汽车内的任何集成空间中。

是的,几乎任何空间。自由形态显示器打破了传统的矩形模式,以适应任何平面框架或平面形状,车辆内部因此呈现出各种曲线和轮廓。随着显示器占据更多的汽车内部空间,设计人员正在转向新兴的柔性显示器技术,以将显示器模制到汽车内部的任何表面上,并进一步提高集成度以节省空间。

全新的柔性和可折叠显示器世界

如今,柔性显示器已成为消费类电子产品新闻的主题之一。智能手机、平板电脑、电视等产品的领先制造商正在利用发光(无需背光)显示器技术(比如OLED、microLED等)的柔性来实现超越刚性平板面板的创新。

本月,三星发布了一款全新的Samsung Galaxy Fold智能手机,邀请消费者“重塑自己的未来”。该手机采用可折叠的AMOLED显示屏,向外打开可以看到平板电脑大小的显示屏,向内可折叠成口袋大小。



三星最新发布的Galaxy Fold智能手机。(来源:Samsung.com

其他柔性和可折叠显示器概念也很流行,从今年1月的CES展会到5月的显示周活动,再到8月的Touch Taiwan展会,全球所有的消费类电子产品和显示器展销会展台上纷纷展示了这些概念。应用范围包括柔性智能手机和平板显示器(最热门的趋势)和更富有想象力的概念,比如花瓶上的曲面显示器、3D包装上的定制显示器和纺织品上的柔性显示器。



观看Visionox展台在今年于美国加州圣何塞(San Jose)举办的2019年显示周上展示的曲面显示器概念系列。(视频来源:Dave Haynes,sixteen-nine.net

汽车行业采用柔性显示器设计

汽车人机界面(HMI)创新趋向于反映消费类电子产品市场的技术进步和期望,排除了大部分疯狂的概念。汽车空间的魅力在于,显示器具有如此众多的实际应用,可以立即实现收益。举例来说,显示器可能是替代车辆内大量模拟组件(包括按钮、旋钮、量规等)的最佳HMI。然而,传统的矩形甚至自由形态平板显示器限制了显示器可以集成到车辆设计中的程度。由于汽车制造商并不打算重新设计车辆以容纳显示器,因此他们需要显示器以最大限度地增强驾驶员的可操作性和舒适度的方式适应车辆的内部形状。

如今,由于柔性显示器技术可确保与车辆内部尺寸相匹配,我们可能会迎来车载显示器新一轮的蓬勃发展。显示器制造商已经提出了一些诱人的概念,比如下面显示的由Flexenable提供的这些未来显示器。



柔性显示器概念,其与A柱(左)和门框(右)的尺寸相匹配,可实现无缝且节省空间的集成,从而增强可见性和可操作性。(来源:Flexenable



在CES 2018活动上,三星最新成立的子公司HARMAN International展示了数字座舱概念及中控台曲面显示器和完全基于显示器的仪表盘。(来源:Samsung

驾驶员可以直接看到早期曲面显示器集成的可能目标。车辆速度计区域或中控台上安装的显示器数量正在增加(用于向驾驶员提供关键信息以检测车辆性能、测量速度和距离以及进行导航)。相比模拟显示器,这些显示器极大地改进了实时和全面数据的可访问性,并提供亮度、色度和对比度提升的额外优势,可在所有照明条件下提供更佳的可视性。

曲面显示器已经进入生产应用,以集成到汽车仪表盘中。我强烈建议您观看下面来自Continental Automotive Group的视频,了解驾驶舱从模拟到数字的演变以及他们如何使用塑料材料优化曲面显示器的3D显示器成型工艺。



(来源:Continental Automotive Global

下面显示的另一项生产应用被誉为“全球首款在路上的仪表盘曲面显示器”。博世对这种小型曲面显示器进行了创新,以无缝内置到大众2019年发布的途锐(Touareg)新车型全新数字驾驶舱的速度计区域。



下面显示的另一项生产应用被誉为“全球首款在路上的仪表盘曲面显示器”。博世对这种小型曲面显示器进行了创新,以无缝内置到大众2019年发布的途锐(Touareg)新车型全新数字驾驶舱的速度计区域。Bosch

博世显示面板的对角线尺寸规格为12.3英寸,曲率半径为1500毫米(在曲面显示器领域也称为1500R)。这种水平曲面设计的优点在于既能匹配仪表盘的形状,又能提升车辆的奢华感,同时还为驾驶员提供独特的可视化好处。

显示器曲率对可视化的好处

关于曲面显示器与平面显示器的可视化比较研究表明,曲面显示器可以减轻视觉疲劳,并提高观看者的舒适度。Haeng Jin Lee和Seong Joon Kim在他们的论文“与曲面显示器的使用产生的视觉疲劳相关的因素:健康受试者前瞻性研究”中概述了显示器曲率(4000R、3000R、2000R和1000R)对20名使用每台显示器执行各种视觉任务的成人的影响。在研究过程中,他们对眼球运动和参与者的主观症状进行了测量。他们的最终发现是,相比采用1000R曲率的显示器,用户观看平板显示器后的“眼痛感”(视觉疲劳)要大得多1



示意图:人类观看者在特定的距离下观看时的显示器曲率。(来源:Viewsonic

这项研究支持面板制造商普遍所持的观点,即曲面显示器有助于提升可视化效果,因为人的周边视觉半径与1000R的曲率高度匹配2。1000R的水平曲率可以减少眼球运动和显示器边缘元素的失真。它还可以改进视觉沉浸感,所有这些对于驾驶员在驾驶车辆期间在非常有限的时间内收集来自显示器的信息非常重要。



示意图:相比采用1000R水平曲率的显示器,人类的标准视野和周边扩展视野。



示意图:从单个点(即观看者的位置)观看时,曲面显示器如何减少显示器边缘的视觉失真。(来源:Viewsonic

如果美观度和设计自由度提升还不够,这些优点则为汽车制造商提供了继续追求曲面显示器的可靠案例。剩下的问题是,既然显示器正在以新的形状出现,如何维持显示器视觉性能的客观质量标准。就车辆功能和用户期望而言,制造商需要进行定量测量,以确保曲面显示器的质量满足与传统显示器相同的视觉性能要求。然而,正如许多制造商所了解的,对于任何车载显示器或表面而言,要使沿曲线进行的测量过程实现自动化一直是一项挑战。

曲面显示器测量挑战

多年来,平板显示器(FPD)为显示器测试方法的开发奠定了基础。亮度测量型成像系统等显示器测量设备经过专门设计,能够通过单个图像在平坦的二维平面上采集亮度、对比度、均匀性和其他数据,与传统FPD的尺寸相匹配。制造商可从单个垂直角度对这些显示器进行有效测量,以限制焦距变化或视角效应,比如亮度、色度或对比度的变化,当通过各个显示层以一定的角度接收光线时,这些变化可能会掩盖缺陷。

然而,测量曲面显示器时需要采用一种新方法来解决沿曲线的变化。单个垂直测量角度、单个测量图像和传统分析方法可能不足以确保用于曲面显示器评估的数据准确性。

举例来说,图像中的形状、大小和对比度缺陷可能看上去有变化,这取决于成像系统偏离垂直位置(相对于显示器表面的“正常”位置)的距离。当成像系统与曲面显示器上的中心点对位时,显示器边缘上的缺陷可能会失真或失焦。

下面显示的这些像素缺陷(从与曲面显示器的中心对位的成像亮度计采集的测量图像裁剪而来)在形状和显示器中心到边缘的对比度方面有很大的差异。如果您正在检测诸如此类的微小缺陷以评估曲面显示器的质量,您可能会针对像素缺陷的预期对比度或偏心率(缺陷形状偏离“圆形”的距离)设置阈值。然而,您设置的检测阈值可能无法采集边缘上的像素缺陷,因为它与像素缺陷的预期特征不相匹配。鉴于传统测量方法的局限性,这可能会导致您在对显示器进行视觉测试的过程中遗漏部分缺陷。



曲面显示器测量图像中的像素缺陷比较,由垂直于显示器中心放置的成像系统采集。从这个角度来看,显示器中心的像素缺陷(左)比边缘上的缺陷(右)具有更高的对比度和圆度。

显示器形式正在发生变化,测量方法必须跟上这些变化。有鉴于此,Radiant的工程师们进行了一系列基于实验室的研究来测试测量方法和成像系统规格的有效性,以评估曲面显示器的质量。好消息是,有一些方法可以减少我们看到的各种效应,比如上面显示的像素缺陷差异。将高分辨率成像、基于镜头光圈设置的大景深(DOF)以及成像系统位置和分析方法的创新组合结合在一起,可以使我们更接近于获取一种非常有效且高效的曲面显示器测量解决方案,该解决方案只需对传统的显示器测试方法进行最少量的调整即可。

分辨率的影响

要提高基于图像的测量系统的分辨率,将需要在测量过程中增加光敏元件(传感器像素),这使系统能够在显示器的较小空间区域内采集更精确的细节(更精确的光线变化)。



测量图像,其显示随着成像系统分辨率的增加,显示器像素中的细节将如何增加(在这种情况下为发光像素)(左侧为较低分辨率图像,右侧为较高分辨率图像)。

在显示器像素层面,提高分辨率会增加用于检测缺陷的传感器像素的数量。当使用更多的传感器像素采集缺陷时,将可以使用于检测缺陷的公差范围变得更精确,从而消除了检测到虚假缺陷(比如显示器上看起来类似于像素缺陷的颗粒)的可能性,并使系统能够采集确切大小的所有缺陷。

景深(DOF)的影响

增加景深(通过限制成像系统镜头的光圈或F制光圈)可以增加在清晰对焦条件下采集元素图像的距离范围。



增加景深(通过限制成像系统镜头的光圈或F制光圈)可以增加在清晰对焦条件下采集元素图像的距离范围。PhotographyLife

景深是进行曲面显示器测量时需要考虑的一个非常重要的成像系统设置,因为显示器的曲线不可避免地会改变显示器表面与置于固定位置的成像系统之间的距离。举例来说,当曲面显示器边缘上的缺陷落在成像系统的焦点之外时(限制缺陷对比度),增加景深可使这些缺陷落在焦点之内,并与曲面显示器中心位置的缺陷对比度保持一致。

成像系统位置的影响

如上所述,采集曲面显示器上的曲线非常具有挑战性,因为缺陷可能会落在从单个位置所采集图像的焦点之外。这是因为成像系统无法通过单个图像在“正常”(垂直)角度下采集显示器的所有区域。一种可能的解决方案是沿着显示器的曲线采集多个图像以进行分析,这不仅可增加在显示器的所有区域采集的视觉性能数据量,而且可减少视角效应和焦点变化,避免降低位于曲面上缺陷的清晰度和对比度。这种多图像方法可以大大提高缺陷检测的准确性和曲面显示器测量的可重复性。



示意图:多图像测量方法,其将成像系统围绕显示器曲线上的多个点旋转,以便在更“正常“的角度下采集每个区域中的缺陷。

引用文献::

  1. )。与曲面显示器的使用产生的视觉疲劳相关的因素:健康受试者前瞻性研究。PLOS ONE, 11(10). doi:10.1371/journal.pone.0164022
  2. 2. Finch, G. (2018年8月16日)。显示器曲率:您需要的有关曲面显示器的所有信息![博客文章]。检索自:https://www.viewsonic.com/library/entertainment/monitor-curvature-explained
Application: 
Industry: