打破汽车内的既有模式:自由形态显示器

日期:  
2019年 9月 28日
作者: 
Shaina Warner  | 
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如今,我们在各种地方都能找到数字显示器。有证据表明,方形显示器可能并不那么时髦。一些打破了标准矩形平板设计模式的显示器可确保将显示器功能高度无缝集成到不同的形状和尺寸中,从而更好地适应它们的用途和环境。非矩形显示器也被称为自由形态显示器(英文为“free form”或“free-form”,您可以选择自己喜欢的表达),这指示了它们的定制形状,并暗示了它们可向设备制造商提供的设计自由度。

随着圆形显示器的推出,自由形态显示器首次获得了市场的关注。一些首次推出的值得注意的产品包括可穿戴设备(比如2014年首次推出的Android-Wear Moto 360 和2018年首次推出的三星 Galaxy手表)以及智能家居设备(比如2011年首次推出的谷歌Nest恒温器,它们的功能远远多于相应的模拟产品。圆形设计是表盘、按钮和旋钮的卓越数字替代品,凭借改进的视觉性能、触摸控制以及给经典物品增添奢华感的新一代设计更新了传统的用户体验。



Android-Wear Moto 360智能手表(左;图片来源:Amazon.com),三星Galaxy手表(中;来源:Samsung.com),以及谷歌Nest恒温器(右;图片来源:Google.com)。

汽车行业是一个迅速抓住自由形态显示器可为显示器的无缝集成所带来好处的市场。新鲜的汽车设计概念不断进入展厅,然而客运车辆的一般外观(从框架到内部组件的布局)或多或少已经事先设定。这是由于道路安全标准和消费者对变速杆、方向盘和速度计位置的预期。因此,一些可以呈现为任何形状以适应更严格布局的显示器为基于显示器的新型车载系统创造了机会。

车载显示器传统上安装在中控台,为导航、信息娱乐和现在必须安装的后视摄像头系统传输数字信息。这些矩形显示器被限制在汽车内部可用的空间内,以避免使其他必要的组件过度拥挤。



传统的中控台显示器,用于导航、信息娱乐以及后视摄像头(确保后方可视性)系统。

在车辆的其他区域,矩形特别麻烦,比如空间和形状非常受限的速度计区域。这一挑战促进了车辆该区域内模拟组件使用寿命的延长,许多新车辆仍然采用模拟仪表板设计。



背光模拟速度计区域(左)和基于矩形显示器的速度计(右)。




基于自由形态显示器的速度计提供几乎无限的设计自由度和新的空间节省方法。至少,自由形态显示器可以复制传统速度计面板的形状。

一些寻求将汽车内部的模拟部件更换为数字版本的汽车制造商正在密切关注显示器如何能够无缝地安装在传统的汽车内饰空间内。新型自由形态显示器使设计人员能够将传统车辆设计内的显示器空间(位于矩形平板显示器集成装置上方)最大化,同时提供改进的功能和用户体验。

显示器制造商夏普公司(Sharp)是最早在CES 2015上展示多项突破性车载自由形态显示器概念的公司之一,包括完全圆形、圆顶形和定制化显示器。这些早期的设计采用了新颖的LCD-TFT(IGZO)技术,激励了许多其他显示器制造商想象显示器的形状如何能够塑造汽车内饰的未来。

夏普在CES 2015活动上展示的自由形态显示器。(来源:CNET.com


夏普在CES 2015活动上所展示产品的其他图片可以访问Engadget.com查看。

帮助实现自由形态显示器的技术

车载自由形态显示器主要是通过LCD(液晶显示器)技术实现的。如果您熟悉LCD技术,这可能看起来与直觉是相反的,因为LCD显示器面板由如此多的层组成(包括偏振滤膜、玻璃基板、液晶层、TFT背板、背光灯或反射器)。每一层都需要按照相同的自由形态模式进行切割或塑形,以生产出单台LCD显示器。



LCD显示器中的各层示意图。

然而,LCD组件的低成本和LCD在车载显示器集成方面由来已久的优势(耐久性、使用寿命和性能)使得自由形态LCD成为许多汽车制造商的可行性选择,即便需要更精细的切割和组装过程。并且,由于最新的自由形态显示器对当今消费者具有高度的吸引力,采用这种类型显示面板的车辆有可能使制造商能够收回较高的显示器生产成本。

使用LCD的另一个挑战在于LCD电子设备的传统放置(即LCD的“栅极驱动器”,它是驱动电流以激活显示器中像素的集成电路)。在2014年6月18日发布的一篇关于其新颖的自由形态显示概念的新闻稿中,夏普解决了这个问题(如上面的视频所示):

“传统显示器是矩形的,因为它们需要确保最小的边框宽度,以便在屏幕显示区域的周边周围容纳称为栅极驱动器的驱动电路。使用自由形态显示器时,栅极驱动器的功能将分散在显示区域的整个像素中。这样可以使边框显著缩小,并且可以提供LCD设计自由度,以匹配屏幕显示区域所需的任何形状。”1

换句话说,新技术使得LCD的栅极驱动器电子器件能够从边框(这提供了光驱动电源的行/列分布,其将沿着该列或行驱动至每个像素)移动至像素后面的有效显示区域,从而更直接、更动态地将电源驱动至每个像素。这些电子器件根据预期的显示器形状以各种配置与显示器的薄膜晶体管(TFT)层集成。



传统显示器需要矩形形状和最小化的边框宽度,以容纳显示器边缘上的栅极驱动器。(图片来源:Sharpsma.com



通过将电路移出边框并移入显示器的有效显示区域,边框将不受设计限制,并且显示器可以切割成几乎任何形状。(图片来源:Sharpsma.com

这意味着什么?通过在显示器上的任何位置将电源驱动至显示器,显示器制造商可以将显示层切割成任何形状而不切断显示器的电源。因此,LCD仍然是自由形态显示器设计的有力竞争技术。设计人员摆脱了传统矩形形状的束缚,并且可以继续依赖LCD显示器在汽车集成方面的优势:经过广泛验证的工艺和材料可确保显示器的耐久性、性能和使用寿命。

OLED技术如何?

由于围绕OLED柔性进行的广泛宣传,您可能会认为(并且您是对的)OLED技术可以轻松实现自由形态显示器的自定义形状。此外,柔性OLED上市的时间跟自由形态显示器一样长(参见早期的柔性OLED设备,比如Samsung Galaxy RoundLG G Flex,两者均于2013年发布)。

虽然OLED提供了最大的设备柔性(因为不同于LCD,它们不需要背光),自由形态显示器的标志实际上是它的形状,而不是它的曲率(至少目前,曲面显示器和柔性显示器仍然属于不同的类型)。由于这个原因,OLED提供的柔性并不是自由形态显示器设计所严格要求的, 在某些情况下,它甚至不是首选。



LG演示其18英尺OLED显示面板的柔性。(来源:LG Display

OLED在显示性能方面具有一系列优点,这使其成为新型汽车设计中令人垂涎的技术。与LCD相比,这些优点包括更高的对比度(从而可在环境光线条件下提供更佳的可视性)、更高的动态范围、更高的亮度一致性、更佳的响应时间和更少的显示层(这减少了因分层而导致的一些缺陷,比如显示器边缘漏光、整个显示器上的Mura等)。

然而,尽管具有非常诱人的优点,但OLED可能无法满足许多车载显示器的性能要求。这是因为对车辆操作最关键的显示器【比如:速度计显示器或中控台控制面板(任何基于主显示器的人机界面,简称“HMI”)】在车辆运行期间始终处于活动状态。每当车辆启动或断电时,这些显示器都会经历无数次的供断电循环,并且必须在车辆的整个使用寿命期间持续使用的情况下维持性能。这些装置中的汽车级显示器必须具备耐久性、环境稳定性和较长的使用寿命,然而,这是OLED技术目前无法提供的。

汽车零部件行业标准(IATF 16949AEC-Q100 & AEC-Q2002旨在确保汽车的电子设备通过测试,并且包括根据各种情况下的故障率测试部件的耐久性和使用寿命。举例来说,受监管的环境耐久性测试可能使组件在-40°C至125°C的极端温度下进行温度循环测试。并且,由于汽车的使用寿命比消费类电子产品长得多,因此制造商通常需要确保组件供应和至少5年的使用寿命,并且可根据车辆保修延长至10年。

阻碍OLED广泛应用于车载显示器的问题仍然包括蓝光OLED较短的使用寿命(大约14,000小时3,LCD的典型使用寿命在25-40,000小时之间4)、屏幕老化问题、材料和生产成本以及因温度、水分以及车辆必须承受的其他环境因素而导致损坏的可能性。在用于乘用车的主显示器HMI中,如果性能损失影响车辆操作,这些则是难以承受的风险。在显示器并非一直使用或者并非具有关键用途的其他集成中,OLED的缺点可能不会阻碍它们的使用。



一个值得注意的例外情形:奥迪将推出e-tron 2019版本,可选配三星的自由形态OLED显示器5。该显示器将取代传统的侧视镜(在法规许可的国家)。三星是否破解了车载OLED的密码?(图片来源:GreenCarReports.com

举例来说,OLED无疑为下一波车辆装饰照明的开发提供了动力。由于OLED的柔性,它可以制造成各种形状和尺寸(比如:尾灯中的一排排小型OLED面板,以创造最先进的设计;沿着车辆内饰的OLED灯条,以获得更明亮的环境色彩和色彩控制;等等)。并且,由于它们主要是装饰性的,因此OLED的性能问题不会妨碍照明设计。事实上,OLED在这类应用中的优点远远超过其在成本方面的缺点,可提供轻质、节能并且可以动态控制的系统,以产生极其独特的装饰照明设计。



BMW为M4设计的OLED概念照明。(来源:BMW

在显示器方面,虽然OLED概念确实很流行,但我们尚未看到许多汽车OEM制造商将OLED技术集成到生产车辆,当然也尚未作为主要的显示器HMI。这项技术还(尚......?)不够十分成熟,无法实现适合道路上使用的OLED系统。汽车制造商更有可能继续关注新颖的LCD技术和microLED(随着它们的普及)显示器,以继续推动他们实现关于自由形态显示器的雄心壮志。

确保自由形态显示器的视觉质量和性能

所有显示器在生产和安装过程中都会承受一定的制造和机械应力。由于LCD显示器的各层是在生产过程中组合的,空气、颗粒物和其他元素可能会进入各层之间,导致粘合不均匀和视觉质量问题,这些问题将会表现为显示器的不均匀区域,称为Mura。其他应力包括在制造期间或者集成到组件中时在显示面板上进行的弯曲或挤压或者施加的压力,这可能导致类似的缺陷以及显示器边缘周围漏光、可见的不均匀性或死像素和线缺陷。


随着制造商采用要求更严苛的方法进行自由形态显示器的制造(比如:将材料切割成非标准形状,并将这些显示模块插入非标准集成空间),这些问题将变得更加复杂,正如我们前面所讨论的,视觉性能是决定显示器在汽车应用中可行性的因素之一。当显示器由于缺陷而性能不佳,或者由于均匀性、对比度和色度问题而能见度较低时,车辆中基于关键显示器的HMI的可操作性可能会受到影响。

挑战在于,用于测量显示器视觉质量的传统显示器测试方法是针对经典矩形显示器的特性而设计的。特别是在分析对比度、均匀性和Mura(整个显示器上的随机亮区或暗区)等空间相关质量时,必须考虑显示器的形状以确保测量显示器的所有区域。使用亮度测量成像系统进行视觉显示测试时,成像系统CCD传感器的矩形形状与显示器的矩形形状之间始终存在高度的匹配性。处理这种显示器的图像以确保有效显示区域上的精确测量是相对简单的,通常是基于显示器的四个角进行裁剪和旋转,其与矩形CCD中像素的行/列布局保持一致。



Radiant Vision Systems的TrueTest™ 软件包含RADA(配准有效显示区域)功能,该功能可自动定位矩形显示的四个角,并旋转和 裁剪图像,以将显示器的有效显示区域隔离出来,确保实现准确的测量。

然而,当涉及自由形态显示器时,隔离显示器的有效区域则有点棘手。自由形态显示器上并非总存在有助于定义其形状的角落(或者可能拥有超过四个角!)。为了解决这个问题,Radiant的TrueTest软件还提供RADA等图像处理功能,此功能不只是适用于矩形。它使软件能够忽略有效显示区域外可见的任何图像区域。此功能旨在裁剪自由形态显示器形状周围的无效区域以及非矩形边框外可见的显示器的黑暗(无效)区域。

这种专有功能称为RIDA(显示区域内部配准),其使用测试图像定位矩形显示区域的可能角落。然后,该软件会将无效区域清零,仅考虑有效显示区域以进行测量。在应用此图像处理之后,软件分析可以确定显示器空间相关质量极其准确的值,比如均匀性、对比度和Mura,需要进行评估,一直到显示器的边缘,无论边缘是直的还是圆的。



Radiant的TrueTest软件对自由形态显示器执行RIDA(显示区域内部配准)功能,忽略非矩形形状,确保仅对有效显示区域进行测试。

2019年5月,Radiant在信息显示学会(SID)举办的2019年显示周活动上演示了TrueTest软件ProMetric® I成像色度计。在我们的展位上,Radiant展示了一台体育场形状的显示器(也称为“迪斯科矩形”——您可以在下次社交聚会上分享这一趣事),我们利用RIDA功能在软件中对其进行图像配准,并利用自动化文本序列分析了多种缺陷。



Radiant在Display Week 2019活动上进行的自由形态显示器测量演示,包含TrueTest软件ProMetric I161600万像素)成像色度计和体育场形状的显示器。



在体育场形状的显示器进行图像配准之前,TrueTest软件中显示的测量图像。

在自由形态显示器进行图像配准之后(仅隔离有效显示区域的中心形状),我们可以在TrueTest软件中以绝对精度执行分析。在此示例中,我们利用自动化测试序列(ANSI亮度、线缺陷、边缘Mura、ANSI色度均匀性(RGB)、棋盘格对比度、点缺陷和Black Mura梯度变化)连续执行多项测试。



对体育场形状显示器的配准图像进行Black Mura梯度变化分析。

TT-AutomotiveDisplay™是Radiant TrueTest软件推出的一个新模块,可提供自由形态显示器测量功能(比如:RIDA)以及其他重要的车载显示器分析测试(比如均匀性、对比度和Black Mura梯度变化分析)。该模块提供TrueTest软件的所有优点,可通过特定的测试高效地执行亮度、色度和Mura测量,以评估车辆内所集成显示器的独特质量。阅读产品规格表,了解更多有关TT-AutomotiveDisplay模块的信息:


 

下一阶段的车载显示器

当自由形态显示器进入下一阶段时,将会发生什么情况?新颖的形状与曲面组件相结合,可在所有3D空间中生产出几乎任何形状的显示器。柔性显示器和曲面显示器使汽车制造商能够全面更新汽车内部的3D架构,并重新考虑显示器的作用,使其适应车辆内的任何表面。



Byton的概念车在CES 2019上首次亮相,其采用49英寸自由形态显示屏,横跨挡风玻璃的整个宽度。该设计还在方向盘上采用曲面触摸显示屏,在中控台采用自由形状显示器。(来源:The Verge

虽然曲面显示器的形态也非常自由,但它们是一种独特的显示器类型,跟柔性显示器和可折叠显示器非常相似。作为一种独特的类型,它们也值得拥有自己的博客,因此我在这里暂时不提及有关曲面显示器的想法,留待日后专门与大家探讨。

引用文献:

  1. 1. 夏普(Sharp)。(2014年6月18日)。Sharp Develops Free-Form Display, Enables Vastly Greater Design Freedom for Displays [新闻稿]。检索自:http://www.sharp-world.com/corporate/news/140618.html
  2. Beasley, H。(2018年1月18日)。 Automotive Quality Standards 101: What Qualification Really Gets You [博客]。检索自:https://www.qorvo.com/design-hub/blog/automotive-quality-standards-101-what-qualification-really-gets-you
  3. Dhoble, S. J., Swart, H., 和 Kalyani, N. T(2017年)。Principles and Applications of Organic Light Emitting Diodes (OLEDs). Cambridge: Elsevier Science & Technology.
  4. 4. OLED.(未注明出版日期)。来自Wikipedia。2019年8月20日检索自:https://en.m.wikipedia.org/wiki/OLED
  5. 5. 三星显示器。(2018年10月2日)。Samsung’s 7-inch OLED Display Selected for the Audi e-tron ― Audi’s First All-electric Vehicle [新闻稿]。检索自:https://www.businesswire.com/news/home/20181002006155/en/Samsung%E2%80%99s-7-inch-OLED-Display-Selected-Audi-e-tron