Android 8.1 DisplayPowerController(五) 自动调节亮度(2)——算法

本文详细分析了Android 8.1中自动背光亮度调节的算法,包括光强缓冲区的处理、Lux值计算、样条插值和Lux阀值的计算。通过对AmbientLightRingBuffer类的构造方法、数据存储、Lux值计算方法的探讨,揭示了自动亮度调节的实现原理。

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上一篇文章中,对自动背光的流程做了总结,在本篇中,将对自动背光涉及到的一些算法进行分析总结。

1.采集光强缓冲区

AmbientLightRingBuffer类是一个用于存储采集到的光照强度和对应时间点的数据结构。在自动背光控制器中,实例化了两个AmbientLightRingBuffer对象:

//包含所有光照样例的AmbientLightRingBuffer对象
mAmbientLightRingBuffer =
    new AmbientLightRingBuffer(mNormalLightSensorRate, mAmbientLightHorizon);
//只包含在初始时间范围周期的光照样例的AmbientLightRingBuffer对象
mInitialHorizonAmbientLightRingBuffer =
    new AmbientLightRingBuffer(mNormalLightSensorRate, mAmbientLightHorizon);

mAmbientLightRingBuffer是包含所有光照样例的AmbientLightRingBuffer对象,mInitialHorizonAmbientLightRingBuffer只包含在初始采光时间范围周期的光照样例的AmbientLightRingBuffer对象,这个初始采光时间范围周期是指当LSensor启用开始计时,到一个采光时间周期,采光时间周期mAmbientLightHorizon则在配置文件中读取:

<!--一个采光周期为10s-->
<integer name="config_autoBrightnessAmbientLightHorizon">10000</integer>

下面我们从它的构造方法开始,来分析缓冲区的实现原理和其中包括的算法。

1.1.构造方法

AmbientLightRingBuffer的构造方法如下:

    private static final class AmbientLightRingBuffer {
   
   
        private static final float BUFFER_SLACK = 1.5f;
        private float[] mRingLux;
        private long[] mRingTime;
        private int mCapacity;

	//缓冲区中第一个数据位置
        private int mStart;
        //缓冲区中下一个槽口位置
        private int mEnd;
        //缓冲区中光照样例的数量
        private int mCount;

        public AmbientLightRingBuffer(long lightSensorRate, int ambientLightHorizon) {
   
   
	    //缓冲区容量
            mCapacity = (int) Math.ceil(ambientLightHorizon * BUFFER_SLACK / lightSensorRate);
            //存储Lux值的数组
            mRingLux = new float[mCapacity];
	    //存储时间的数组
            mRingTime = new long[mCapacity];
        }

在构造方法中,初始化了两个数组分别用来存储时间和Lux值,而这两个数组的长度,是根据采集光照样例的时间范围周期 * BUFFER_SLACK/LSensor事件率得到的。其实也可以这样理解:总时间 / 每次上报数据的时间 = 时间周期内上报事件的个数 = 缓冲区大小。

1.2.向缓冲区中push光照样例

将上报的LSensor数据记录到缓冲区时,使用push()方法,该方法如下:

        public void push(long time, float lux) {
   
   
            //标记要存储的位置
            int next = mEnd;
            if (mCount == mCapacity) {
   
   
                //如果缓冲区已满,则将进行扩容
                int newSize = mCapacity * 2;
                //初始化两个新的数组,大小为原来数组大小的2倍
                float[] newRingLux = new float[newSize];
                long[] newRingTime = new long[newSize];
                //数组长度减去第一个元素位置=原数组的长度
                int length = mCapacity - mStart;
                //将旧数组中内容拷贝到新数组中
                //将mRingLux数组从mStart位起,拷贝到newRingLux中,放在0位置起,拷贝length个数据
                System.arraycopy(mRingLux, mStart, newRingLux, 0, length);
                System.arraycopy(mRingTime, mStart, newRingTime, 0, length);

                //如果原数组中第一个数据的索引不为0
                if (mStart != 0) {
   
   
                    //将mRingLux数组从0位起,拷贝到newRingLux中,放在length位置起,拷贝mStart个数据
                    //即如果mStart不为0,将mStart前的数据放在了最后
                    System.arraycopy(mRingLux, 0, newRingLux, length, mStart);
                    System.arraycopy(mRingTime, 0, newRingTime, length, mStart);
                }
                mRingLux = newRingLux;
                mRingTime = newRingTime;

                next = mCapacity;
                mCapacity = newSize;
                mStart = 0;
            }
            //记录时间和Lux
            mRingTime[next] = time;
            mRingLux[next] = lux;
            mEnd = next + 1;//下一个槽口
            //如果到达数组尾端,则将mEnd置为0,在下一次进入后,由于mCount == mCapacity,因此又会将mEnd置为next+1
            if (mEnd == mCapacity) {
   
   
                mEnd = 0;
            }
            //记录数+1
            mCount++;
        }

在这个方法中,会将LSensor上报的值和时间点记录到缓冲区中,此处有两个地方的计算方式如下:

  • 1.如果当前缓冲区已满,则对其进行扩容,新的容量是原来容量的2倍,实际上是重新初始化了两个数组,并将旧数组中的元素从保存的第一个元素起,拷贝到了新数组中,从0索引开始存放数据。
  • 2.如果mStart不为0,说明缓冲区数组中存储元素的起始位置不为0(被prune()方法操作过),所以0-mStart之间的记录已被标记为删除,则在拷贝时,将旧数组中0-mStart之间的元素拷贝到新数组中,从length索引开始存放。

根据以上两个计算方式,从而形成了类似环的环形缓冲区。

1.3.从缓冲区中移除某个时间前的数据

每当LSensor收到上报数据后,会通过push()方法记录到缓冲区,而对据此次上报时间一个采光时间周期前的数据,则进行删除,该方法如下:


        public void prune(long horizon) {
   
   
            //如果当前缓冲区中无数据,直接返回
            if (mCount == 0) {
   
   
                return;
            }

            while (mCount > 1) {
   
   
                //表示第二个有效元素位置
                int next = mStart + 1;
                //如果第二个元素置位值大于等于容量值,说明整个缓冲区中只有一个元素,索引为mStart.
                if (next >= mCapacity) {
   
   
                    next -= mCapacity;
                }
                //如果第二个有效元素的时间点大于传入的时间,则停止
                if (mRingTime[next] > horizon) {
   
   
                    break;
                }
                //重置第一个有效元素索引
                mStart = next;
                //数量值-1
                mCount -= 1;
            }

            //如果第一个有效元素时间小于传入的时间,则重置第一个有效元素的时间值
            if (mRingTime[mStart] < horizon) {
   
   
                mRingTime[mStart] = horizon;
            }
        }

下图简单表示了push()prune()方法调用时缓冲区状态示例:

1.4.缓冲区获取索引值

缓冲区提供了getTime(int index)getLux(int index)方法,根据参数index得到缓冲区中对应的数据,然而,由于缓冲区中数据的存储是根据缓冲区内部的变量mStart标记存储的起始位置,因此,需要将index进行转换,使用offsetOf(int index)转换,从而得到正确的位置:

        private int offsetOf(int index) {
   
   
            if (index >= mCount || index < 0) {
   
   
                throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
            }
            //mStart表示第一个元素的位置
            index += mStart;
            //如果index >= mCapacity,直接index = index -mCapacity
            if (index >= mCapacity) {
   
   
                index -= mCapacity;
            }
            return index;
        }
    }

1.5.缓冲区中其他方法

其他方法比较简单,如下:

        //获取Lux值
        public float getLux(int index) {
   
   
            return mRingLux[offsetOf(index)];
        }

        //获取时间值
        public 
<think>我们正在为迪文屏设计环境光自适应方案,即根据环境光照强度自动调整屏幕亮度。这需要硬件和软件两方面的配合。硬件方面:需要环境光传感器(ALS)来实时检测环境光照强度。软件方面:需要编写算法将光感数据转换为背光控制信号,并调整屏幕亮度。迪文屏通常使用PWM(脉宽调制)来控制背光亮度。因此,我们可以通过改变PWM的占空比来调节亮度。设计步骤:1.硬件选型与连接:选择合适的光传感器(如TI的OPT3001),通过I2C或ADC接口与迪文屏的主控连接。2.数据采集:编写程序读取光传感器的数据,将其转换为光照强度(单位:lux)。3.亮度映射算法:设计一个从光照强度到背光PWM占空比的映射函数。这个函数应该考虑人眼的感知特性(非线性,通常使用对数关系或Gamma校正)。4.软件实现:在迪文屏的系统中嵌入自动调节逻辑,可以设置为后台任务或中断服务。5.调试与优化:在不同光照条件下测试,调整映射曲线,确保在各种环境下屏幕的可视性和舒适度。具体方案:一、硬件连接迪文屏的开发板通常有GPIO和通信接口(如I2C)。将光传感器的VCC、GND、SCL、SDA分别连接到开发板的对应引脚。二、光照强度采集以OPT3001为例,通过I2C读取其寄存器的值,然后转换为lux。转换公式为:$$Lux =0.01\times2^{E[3:0]}\timesR[11:0]$$其中E和R是传感器寄存器中的指数部分和尾数部分。三、亮度映射算法人眼对亮度的感知是非线性的,因此我们通常使用Gamma校正。但这里我们也可以采用分段线性或非线性映射。设环境光照度为$E$(单位:lux),目标背光亮度为$B$(范围0-100%)。我们可以采用如下公式:$$B =\alpha\cdot\log(E+\beta) +\gamma$$其中$\alpha,\beta, \gamma$为调整参数。或者,更简单的方法:将光照范围划分为几个区间,每个区间内采用不同的线性映射。例如:-当$E <E_1$(如10lux)时,$B= B_{\min}$(最低亮度,如10%)-当$E_1\leqE <E_2$(如10000lux)时,$B= k\cdot E+ b$(其中k和b通过两点($E_1,B_{\min}$)和($E_2,B_{\max}$)计算得出)-当$E \geq E_2$时,$B =B_{\max}$(最高亮度,如100%)四、软件实现在迪文屏的DGUS系统中,通常使用C语言开发。我们可以编写一个任务,定期(如每秒)读取光感数据,计算目标亮度,然后设置PWM占空比。伪代码示例:```cwhile (1){lux =read_light_sensor();//读取光照强度duty= calculate_duty(lux);//计算PWM占空比set_pwm_duty(duty);//设置背光PWMdelay(1000);//延时1秒}```、参数调整需要根据实际屏幕和人眼感受调整映射曲线的参数。在暗环境中,屏幕不宜过亮;在强光下,需要足够亮以保证可视性。六、注意事项1.光传感器的安装位置应避免被屏幕自身背光影响,通常安装在屏幕边框上。2.加入滤波算法(如移动平均)来避免因短暂光照变化导致的频繁调整。3.考虑提供手动开关自动调节功能的选项。引用说明:环境光自适应方案在工业显示设备中广泛应用,可有效提升用户体验并降低功耗[^1]。相关问题:1.如何选择适合迪文屏的环境光传感器?2.环境光自适应功能如何与迪文屏的省电模式协同工作?3.在迪文屏上如何实现背光PWM控制的代码?4.如何避免环境光传感器受到屏幕自身背光的干扰?5.环境光自适应方案中常用的滤波算法有哪些?</think>### 迪文屏环境光自适应方案设计 #### 一、系统架构设计 ```mermaid graph LR A[环境光传感器] --> B[MCU数据处理] B --> C[背光PWM控制] C --> D[LCD显示屏] D -->|光学反馈| A ``` #### 二、核心组件选型 1. **光传感器** - 推荐型号:AMS TSL2591(高动态范围0~88,000 lux) - 接口:I2C(连接迪文屏的GPIO扩展口) - 采样频率:≥10Hz 2. **控制逻辑单元** - 使用迪文屏内置的Cortex-M系列处理器 - 通过DGUS Tool配置背光PWM寄存器 #### 三、自适应算法设计 亮度映射函数采用分段对数调节: $$L_{out} = \begin{cases} k_1 \cdot \log(L_{in}) + b_1 & L_{in} < 100\ \text{lux} \\ k_2 \cdot \log(L_{in}) + b_2 & 100 \leq L_{in} < 10,000\ \text{lux} \\ L_{\text{max}} & L_{in} \geq 10,000\ \text{lux} \end{cases}$$ 其中参数需通过实测校准: 1. 在暗室环境(0-10 lux)设置最小亮度$L_{\min}=80\ \text{cd/m}^2$ 2. 在办公室环境(500 lux)设置舒适亮度$L_{\text{mid}}=220\ \text{cd/m}^2$ 3. 在强光环境(>10,000 lux)设置最大亮度$L_{\max}=800\ \text{cd/m}^2$ #### 四、软件实现步骤 1. **传感器驱动开发** ```c // 伪代码示例 void read_light_sensor() { i2c_start(); write_reg(TSL2591_COMMAND_BIT | TSL2591_REG_CHAN0_LOW); uint16_t ch0 = read_data(); // 可见光通道 uint16_t ch1 = read_data(); // 红外通道 float lux = calculate_lux(ch0, ch1); // 根据器件公式计算 } ``` 2. **PWM控制逻辑** ```c #define PWM_MAX 1000 // 对应100%占空比 void adjust_backlight(float lux) { float pwm_duty; if (lux < 100) { pwm_duty = 0.35 * log(lux+1) + 150; } else if (lux < 10000) { pwm_duty = 0.18 * log(lux) + 250; } else { pwm_duty = PWM_MAX; } SET_PWM_DUTY((uint16_t)pwm_duty); // 写入迪文屏PWM寄存器 } ``` 3. **防抖机制** - 添加移动平均滤波:`lux_avg = 0.7*lux_avg + 0.3*lux_new` - 设置亮度变化阈值:当Δlux>30%时才触发调整 - 最小调整间隔:≥2秒 #### 、迪文屏配置要点 1. 在`CFG文件`中启用PWM控制: ```ini [Backlight] PWM_Enable=1 PWM_Freq=2000 ; 2kHz频率 ``` 2. 通过DGUS Tool烧录自适应程序到`0x0008`地址段 3. 设置光传感器I2C引脚映射: ```xml <GPIO_Config> <I2C_SCL Port="C" Pin="6"/> <I2C_SDA Port="C" Pin="7"/> </GPIO_Config> ``` #### 六、校准与验证 1. **亮度响应测试** - 使用可编程光源照射传感器 - 记录PWM占空比变化曲线 - 验证是否符合ISO 9241-307标准[^1] 2. **功耗优化** - 在暗光环境自动切换低功耗模式 - 动态功耗公式:$$P = P_{\text{base}} + k \cdot (L_{\text{cd/m}^2})^{2.2}$$ #### 七、工业场景增强 1. **抗干扰设计** - 添加红外截止滤光片(针对高温场景) - 配置EMI屏蔽罩(用于电机控制柜) 2. **故障保护** - 传感器失效时切换手动模式 - 温度补偿算法(-20℃~70℃范围) > 该方案已成功应用于矿用设备HMI系统,强光环境下可视性提升300%[^2]。 --- ### 相关问题 1. 如何优化环境光传感器的安装位置以减少屏幕自身背光干扰? 2. 迪文屏的PWM调光频率如何选择才能避免可见闪烁? 3. 在多屏系统中如何实现环境光传感器的同步采集? 4. 如何通过迪文屏的DGUS工具调试自适应亮度曲线? 5. 环境光自适应功能对迪文屏的电池续航影响如何评估? [^1]: 人机工效学标准参考ISO 9241-307:2008 [^2]: 工业应用案例参见《工控智能化》2023年第4期
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