Магистерская диссертация на тему: «Повышение эффективности системы раннего предупреждения столкновения самолета с поверхностью земли» (стр. 7 )

Оценить угловой размер изображения б, создаваемый на сетчатке однимпикселем индикатора можно по формуле

(5.2)

где S – линейный размер пикселя, D – расстояние от глаз пилота до экрана.

Исходя из (5.2), при типичном для кабины экипажа расстоянии доприборной доски D=750 мм размер пикселя, эквивалентный разрешающейспособности глаза 1′, равен 0,21 мм, отсюда плотность пикселей должна бытьне менее 47 на 1 см. Это означает, что, например, индикатор размером 6″x8″должен иметь разрешающую способность не хуже 768x1024, а индикатор9″x12″ - не хуже 1050x1400.

У первых промышленных ЖК индикаторов в 1988 г. плотность была науровне 30 пиксель/см, сейчас стандартной считается 47 пиксель/см.

В авиационных ЖК индикаторах плотность сейчас составляет 30-50 пиксель/см.

Проведенные исследования показывают, что для достижения оптимальной разрешающей способности в бортовых индикаторах потребуется плотность 63-67 пиксель/см (для индикатора 9″x12″ это соответствует разрешающей способности 1500x2000).

В перспективных индикаторах, показывающих подвижные и сложные изображения, например, «туннель в небе»  потребуется плотность порядка 80 пиксель/см.

В трехмерных ауто стереоскопических дисплеях, появление которых на борту ожидается вболее отдаленной перспективе, для того, чтобы сохранить разрешающуюспособность, горизонтальную плотность пикселей нужно будет увеличитьвдвое.

Разрешающая способность определяет не только возможное качество изображения, она является мерой информационной емкости экрана: при равной площади экрана индикатор с большей разрешающей способностью можетразместить на экране больше информации. По существу пиксель является аналогом информационного бита и чем больше таких единиц изображения включает экран, тем больше его информационная емкость.

Поэтому информационную емкость I можно определить как общее количество пикселей  экрана: I = H ⋅V,

где H и V – разрешающая способность, соответственно, по горизонтали ивертикали. Информационная емкость выражается в миллионах пикселей –мегапикселях.

В компьютерной промышленности ЖК дисплеи в течение 13 лет существования непрерывно наращивали свою информационную емкость: от0,03 Мпикселя (VGA) до 1,3 Мпикселя (SXGA). Телевидение высокой четкости требует разрешающей способности 1920x1080 (2 Мпикселя). Сейчасдоступны мониторы с разрешающей способностью 2000x2000 (4 Мпикселя), а22″ цветной ЖК монитор фирмы IBM имеет информационную емкость 9,2Мпикселя. Авиационные индикаторы повторяют путь промышленных дисплеев. Сейчас их информационная емкость составляет от 0,3-0,4 Мпикселя (серийно выпускаемые индикаторы разработки 5-7-летней давности) до 1,3-1,4 Мпикселя (новые индикаторы с большим экраном).

По прогнозам информационная емкость основных индикаторов в будущем составит около 5М пикселей, другие индикаторы на приборной доске будут иметь информационную емкость 1-2 Мпикселя.

Индикаторы, о которых шла речь выше, представляют информацию ввиде двумерных изображений. Человеческое зрительное восприятие является трехмерным и с учетом третьего измерения зрительная система человека имеет информационную емкость 1000 Мпикселей (1 гигапиксель). Индикаторы, представляющие трехмерные изображения, уже появляются, но для авиационного применения они пока не пригодны.

Структура пикселя. В монохромных индикаторах пиксель является мельчайшей структурной единицей изображения и собственной структурой необладает. У цветных индикаторов различают цветной пиксель и субпиксель.

Цветной пиксель состоит как минимум из 3 субпикселей красного, синего и зеленого цветов, которые вместе создают нужный цвет. В бортовых индикаторах в состав цветного пикселя иногда добавляют четвертый субпиксель зеленого цвета, что позволяет показывать монохромное зеленое изображение от сенсоров (оптико-локационной станции, радиолокатора) свдвое большей разрешающей способностью, так как количество управляемых зеленых точек на экране оказывается вдвое большим.

Cубпиксели могут располагаться в виде вертикальной или горизонтальной полоски (stripe), треугольника (deltatriad) или квадрата (quad).Исследования фирмы Honeywell показали, что форма треугольника является оптимальной для индикаторов, предназначенных для пассажирских  магистральных самолетов. Для военных ЛА, у которых требуется индикацияизображений от сенсоров, предпочтительней структура quadRGBG (RGGB),т. е. квадрат с одним красным, одним синим и двумя зелеными субпикселями.

Структура пикселя имеет значение при ограниченной разрешающей способности. По мере ее увеличения важность расположения субпикселей уменьшается. [9]

  §2.6  Яркость.

Яркость является основной характеристикой света. Величиной яркости определяется величина нервных импульсов, возникающих в сетчатке глаза. Источник света или освещенный предмет будет тем лучше виден, чем большую силу света излучает каждый элемент поверхности в направлении глаза. Яркость элемента индикации определяется как отношение силы света, испускаемой в направлении оператора к площади светящегося знака

где J – сила света, т. е. световой поток, излучаемый на единицу телесного угла;

S – площадь светящейся поверхности; в – угол между плоскостью экрана и направлением на наблюдателя. Яркость измеряется в канделах на квадратный метр.

В общем случае яркость предмета определяется двумя составляющими  яркостью излучения и яркостью за счет внешней засветки (яркостью отражения):

Яркость излучения определяется мощностью источника света и егосветоотдачей. Яркость отражения определяется уровнем освещенности данной поверхности и ее отражающими свойствами:

где Е – освещенность поверхности;

с – коэффициент отражения поверхности, р - константа (3,14).

Индикатор должен обеспечивать яркость, позволяющую надежно считывать с его экрана информацию во всех условиях применения. Требуемая яркость изображения определяется, в основном, уровнем освещенности  экрана: с увеличением освещенности изображение становится хуже различимым,«расплывается». Для мониторов компьютеров, которые эксплуатируются принизкой освещенности (на земле, затененное помещение) норма яркостисоставляет 25-65 кд/м2, для различения мелких деталей требуется не менее 100кд/м2, для опознания подвижных изображений - не менее 300 кд/м2. К авиационным индикаторам предъявляются значительно более высокие требования по яркости, так как освещенность увеличивается с увеличением высоты над поверхностью земли. Для пассажирских самолетов освещенность вплоскости приборной доски в зоне прямого попадания солнечных лучей может достигать величины 70000-78000 лк, однако такой уровень освещенности в процессе длительного полета достаточно редкое явление и составляет 2-5% отобщего времени полета. В то же время освещенность в плоскости приборной доски в пределах 30000-50000 лк при полетах самолета на высотах до 15000 м встречается довольно часто. На военных самолетах, имеющих прозрачный фонарь и летающих на больших высотах, освещенность в кабине может достигать 100000 лк. Так как индицируемая информация жизненно важна, индикатор должен быть рассчитан на предельный для данного класса ЛА уровень освещенности.

Для индикаторов с большим экраном, в которых в основном используются коммерческие ЖК панели, достижение указанного уровняяркости проблематично. Максимальная яркость коммерческих панелей – около300 кд/м2.

Яркостные характеристики бортового индикатора должны учитывать не только возможный уровень освещенности в плоскости приборной доски, нотакже и то обстоятельство, что пилот постоянно переводит взгляд изза кабинного пространства на индикатор и обратно. Если солнце бьет ему вглаза, то для различения информации на экране после перевода взгляда вкабину требуется аккомодация глаз. Чтобы сократить время аккомодации индикатор должен обеспечивать очень высокую яркость. Исследования наземле в помещении с естественным освещением показали, что при переводевзгляда, сфокусированного в бесконечность, на экран индикатора зависимость времени пере аккомодации от яркости изображения имеет явно выраженнуюступеньку: при яркостях больше 750 кд/м2 заметного сокращения времени аккомодации не наблюдается. Таким образом, если бы работа оператора требовала постоянного перевода взгляда за окно и обратно на индикатор, то наземле такой яркости было бы достаточно. Для условий авиационного применения подобные исследования также проводятся, известны предварительные результаты, согласно которым минимальное время аккомодации наблюдается при яркости индикатора порядка 1200-1370 кд/м2.

Ночью уровень яркости индикатора должен быть совсем другим, обычно требуется 0,35 кд/м2, если не используются очки ночного видения и 1 кд/м2,если используются. Желательно минимальный предел яркости иметь на уровне0,1 кд/м2.

Так как в поле зрения оператора могут попадать предметы с различной яркостью, то в инженерной психологии вводится понятие адаптирующей яркости. Под ней понимают ту яркость, на которую адаптирован (настроен) вданный момент времени зрительный анализатор. Приближенно можно считать, что для изображений с прямым контрастом адаптирующая яркость равна яркости фона, а для изображения с обратным контрастом — яркости предмета.

Наилучшие условия для работы будут при уровнях адаптирующей яркости, лежащей в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен кд/м2. Сигналы с большей яркостью могут вызвать нежелательное состояние глаз ослепленность. Слепящая яркость изображений определяется размером светящейся поверхности наблюдаемого объекта, яркостью сигнала и уровнем адаптации глаза [5]:

где в - телесный угол наблюдения светящейся поверхности (в стерадианах); Bа - адаптирующая  яркость.

Для создания оптимальных условий зрительного восприятия необходимо не только обеспечить требуемую яркость и контраст сигналов, но также и равномерность распределения яркостей в поле зрения, чтобы восприятие информации не требовало постоянной переадаптации глаз. Равномерность яркости определяется как отношение минимальной яркости светящихся элементов к максимальной, по всему полю индикатора она должна быть неменее 1:3. Если изменение яркости по площади экрана на 50-100% вполне приемлемо, то резкие перепады яркости уже в 5% различимы глазом и недолжны иметь места. Поэтому иногда задают равномерность яркости отдельнона большой и на малой площади.