Brevet FR2782566A1 — publié le 20000225

SYSTEME DE VISUALISATION A ECRAN MATRICIEL, ADAPTE AUX FAIBLES ECLAIREMENTS AMBIANTS L'invention concerne les systèmes de visualisation à écrans matriciels, tels que les écrans à cristaux liquides, écrans à plasma, etc. De tels écrans d'affichage matriciels doivent parfois être observés dans une large gamme d'éclairements ambiants. C'est très souvent le cas par exemple pour des écrans utilisés dans l'avionique (écrans de tableaux de bord des pilotes): ils doivent être lisibles confortablement aussi bien en environnement de plein soleil qu'en environnement nocturne. Cela peut être le cas aussi pour d'autres applications. La gamme d'éclairements peut aller par exemple d'environ 1 lux à 100 000 lux. On décrira plus spécialement l'invention à propos d'écrans à cristaux liquides destinés à l'avionique, car c'est là que les problèmes sont les plus délicats à résoudre, mais on comprendra que l'invention n'est pas limitée à ce type d'écran ou d'application. On s'intéresse à la présentation d'informations sous forme de symboles intelligibles pour l'observateur (par opposition à une information sous forme d'une image de la réalité extérieure qui serait fournie par une simple caméra vidéo). Ces symboles sont de divers types, tels que par exemple des indications alphanumériques, des symboles spéciaux ayant pour l'utilisateur une signification particulière (jauge de carburant, symbole d'attitude d'avion, etc.), des segments de droite, de courbes, des graduations, des curseurs, des tracés représentant des aiguilles sur un cadran, des grilles de visée, etc. Ces symboles sont inscrits sur l'écran à l'aide d'un contrôleur d'écran matriciel. Ce contrôleur d'écran, généralement constitué en deux parties, qu'on appelle respectivement générateur graphique de symboles et générateur de tracé, trace successivement point par point un ou plusieurs traits lumineux dont la combinaison constitue un symbole. Le contrôleur d'écran peut afficher sur l'écran plusieurs symboles: il trace successivement les traits correspondant à chaque symbole. En général, le tracé n'est pas directement effectué sur l'écran de visualisation proprement dit, il est effectué dans une mémoire d'écran associée à l'écran et ayant la même structure que l'écran; I'écran matriciel proprement dit se contente alors de recopier régulièrement le contenu de sa mémoire d'écran. L'affichage de symboles se fait donc selon le principe d'un tracé de traits, par opposition à un affichage d'image vidéo (TV), dans lequel il n'y a pas de notion de "tracé de traits" mais un simple balayage systématique de toute la surface de l'écran avec une modulation point par point en fonction de l'image à afficher. De jour, et surtout lorsque le soleil éclaire directement l'écran, les tracés doivent rester visibles. De nuit, I'image affichée ne doit pas avoir une luminosité telle qu'elle éblouisse l'observateur, en particulier lorsqu'il doit alternativement regarder l'écran puis le paysage extérieur dans l'obscurité. C'est pourquoi il est relativement classique de prévoir un réglage de luminosité sur les écrans. En pratique, les écrans à cristaux liquides fonctionnent souvent par transmission et comportent alors une source d'éclairement arrière, d'intensité réglable pour permettre une observation tant de jour (réglage de la source au maximum de son intensité) que de nuit (réglage de la source au minimum). Des moyens de réglage d'intensité pourraient aussi être prévus pour une source lumineuse en face avant si l'écran fonctionnait par réflexion plutôt que par transmission. On peut même prévoir, pour automatiser la modification d'intensité en fonction de la luminosité ambiante, que l'intensité est réglable en fonction d'une mesure photoélectrique de l'éclairement ambiant: une cellule photoélectrique sensible à l'éclairement ambiant peut commander l'écran à cristaux liquides de telle manière que les traits soient plus brillants en ambiance très lumineuse et moins brillants en ambiance sombre. Typiquement, on estime qu'il faut une luminance d'écran d'au moins 400 cd/m2 (candelas par mètre carré) pour un écran en plein soleil (éclairement ambiant d'environ 105 lux), et une luminance d'écran de l'ordre de 0,2 candela/m2 pour une ambiance nocturne sombre (éclairement ambiant d'environ 1 lux). Le réglage de luminosité par la source arrière donne satisfaction en ce qui concerne la lisibilité en ambiance très lumineuse et en ce qui concerne l'absence d'éblouissement en ambiance nocturne; mais il ne donne pas entièrement satisfaction en ce qui concerne la lisibilité de l'écran en ambiance nocturne: la diminution de luminosité de l'écran jusqu'à suppression du risque d'éblouissement aboutit aussi à une diminution de la lisibilité des symboles. En effet, la capacité visuelle de l'être humain (capacité de discrimination de traits, capacité de discrimination de couleurs, etc.) diminue fortement avec la luminosité. En avionique notamment, le problème de l'affichage en ambiance nocturne est particulièrement critique, car il faut concilier deux impératifs difficiles: - le pilote doit voir l'espace nocturne extérieur qui peut être très sombre, et par conséquent le niveau global de luminosité de ses écrans de bord doit être extrêmement faible pour qu'il ne soit pas ébloui lorsque son regard revient de l'extérieur sombre vers les écrans d'affichage, - mais les symboles affichés peuvent être très importants et il faut donc qu'il puisse encore les lire malgré l'atténuation de leur luminosité. L'invention propose un moyen pour essayer de concilier ce type d'impératifs contradictoires. Mais, plus généralement, I'invention propose une solution nouvelle pour assurer un bon confort de vision et une bonne lisibilité aussi bien en éclairement ambiant fort qu'en éclairement ambiant faible. Pour cela, on propose selon l'invention de modifier la largeur de tracé des traits de l'image affichée en fonction de l'éclairement ambiant. On agira donc par l'intermédiaire du contrôleur d'écran (générateur de symboles et générateur de tracé), en faisant intervenir sa capacité à déterminer une largeur de traits, pour modifier l'affichage. Dans l'art antérieur, on se contentait d'agir sur l'intensité de la source d'éclairement (interne le plus souvent) de l'écran. Ici, on agira sur la largeur des traits, et, dans l'utilisation la plus intéressante de l'invention, on agira en parallèle sur l'intensité de la source d'éclairement et sur la largeur de traits. De préférence, si on agit à la fois sur l'intensité de la source et sur la largeur des traits, on augmentera la largeur des traits pour les éclairements ambiants très faibles (on expliquera plus loin pourquoi), en même temps qu'on diminuera l'intensité de la source; cela donne une grande sécurité de lisibilité en même temps que d'antiéblouissement. Par conséquent, on propose la définition suivante de l'objet de l'invention: un système de visualisation à écran matriciel comprenant un contrôleur d'écran apte à engendrer le tracé de traits sur l'écran pour constituer des symboles correspondant à des informations à afficher, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour modifier une largeur de traits en fonction d'un signal de commande de largeur de trait lié (directement ou indirectement) à l'intensité de l'éclairement ambiant. Le signal de commande peut être fourni par des moyens de détection photoélectrique mesurant l'intensité de l'éclairement ambiant. Dans ce cas, les moyens de modification de largeur de trait peuvent être tels que la largeur des traits diminue avec l'éclairement ambiant (cas le moins intéressant o l'intensité de la source d'éclairement de l'écran ne varie pas avec l'éclairement ambiant). Mais les moyens de modification de largeur de trait peuvent aussi être tels que la largeur des traits augmente lorsque l0 I'éclairement ambiant diminue, notamment lorsque l'intensité de la source d'éclairement de l'écran diminue elle- même avec l'éclairement ambiant, et c'est là que l'invention s'avère la plus intéressante. Le signal de commande de largeur de traits pourrait être fourni par un simple bouton de réglage manuel, c'est-à-dire un bouton de réglage du comportement de l'écran en fonction de la luminosité ambiante, qui réglerait à la fois l'intensité de la source d'éclairement (pour la diminuer lorsque l'éclairement ambiant diminue) et la largeur des traits (pour augmenter cette largeur si l'éclairement diminue). Les traits dont la largeur est modifiée peuvent être soit tous les traits tracés sur l'écran soit certains traits seulement (par exemple ceux qui représentent les informations les plus importantes pour l'utilisateur). On peut aussi, et pour les mêmes raisons choisir de modifier la largeur des traits différemment selon les couleurs affichées, par exemple en augmentant la largeur pour la couleur rouge mais pas pour la couleur bleue. Les moyens pour modifier la largeur des traits en fonction de la luminosité ambiante peuvent comprendre des moyens pour sélectionner une police de caractères parmi plusieurs polices possibles (par exemple une police de caractères normaux et une police de caractères gras de mêmes dimensions), dans le cas de symboles alphanumériques ou d'autres symboles stockés sous forme de polices de caractères sélectionnables par le contrôleur d'écran. On peut également prévoir, dans le cas o le générateur de tracé du contrôleur d'écran comporte des moyens de traitement par matrices de pondération (appelées aussi microplages), que les moyens pour modifier la largeur des traits comportent des moyens pour modifier les matrices utilisées par le générateur. Le traitement par microplages, utilisé en général pour lisser les tracés et éviter les effets d'escalier, consiste à remplacer un point d'un tracé par une matrice de points entourant le point du tracé, les points de cette matrice ayant des luminances et/ou chrominances définies par les coefficients d'une matrice de pondération dite "microplage". Tous les points d'un tracé sont traités en principe à partir d'une même matrice de pondération, et on peut prévoir selon l'invention que certaines matrices de pondération se distinguent d'autres matrices en ce qu'elles définissent des largeurs de traits différentes, soit du fait des valeurs de coefficients de la matrice, soit du fait du nombre de pixels de la matrice. Le choix d'une matrice parmi plusieurs possibles correspond alors au choix d'une largeur de traits parmi plusieurs possibles. En pratique, on peut envisager que la largeur des traits est variée de manière discrète en fonction de l'éclairement ambiant, les traits pouvant prendre une largeur parmi n largeurs possibles correspondant par exemple chacune à une sous-gamme d'éclairement déterminée parmi n sous- gammes définies à l'intérieur d'une gamme globale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure représente un schéma général du système de visualisation selon l'invention - la figure 2 représente un diagramme expérimental montrant la variation relative de luminosité perçue en fonction de la largeur de trait; - la figure 3 représente un diagramme montrant un exemple de variation de largeur de trait en fonction de l'éclairement ambiant, dans le cas d'une source d'éclairement interne variant également en fonction de l'éclairement ambiant. On décrira l'invention principalement dans son application la plus intéressante, qui est le cas d'un système de visualisation à écran à cristaux liquides à éclairage par l'arrière (écran fonctionnant par transmission) pour l'affichage dans le cockpit d'un aéronef. Sur la figure 1, l'écran à cristaux liquides 10 possède sa source d'éclairement interne arrière 20, d'intensité réglable, et il est contrôlé par un contrôleur d'écran 30, constitué en général d'un générateur graphique de symboles 30A et d'un générateur de tracé 30B. Le contrôleur d'écran reçoit lui-même des instructions sur les symboles à tracer, par exemple à partir d'un calculateur 40 embarqué dans l'aéronef. Le calculateur reçoit des indications depuis des capteurs embarqués (altimètres, gyroscopes, niveau de carburant, etc.); il en déduit, à partir de ses programmes propres, des symboles à afficher; et il fournit des ordres d'affichage correspondants au l0 contrôleur d'écran 30. Le générateur graphique 30A détermine, en fonction des ordres reçus du calculateur, quelles sont les successions de coordonnées de points théoriques qu'il faut éclairer (dans telle ou telle couleur) pour constituer un symbole déterminé. Le générateur de tracé 30B reçoit du générateur graphique 30A des instructions correspondant à ce tracé théorique; à partir de ces instructions, il détermine les luminances et chrominances nécessaires pour tous les points du trait réel qui sera affiché à partir du tracé théorique; et il envoie des commandes correspondantes, à l'écran matriciel pour réaliser l'affichage d'un trait. Les commandes sont envoyées en pratique, point par point du tracé, à une mémoire d'écran associée à l'écran matriciel, de même structure matricielle que l'écran de visualisation proprement dit; le contenu de la mémoire d'écran est recopié systématiquement sur l'écran. Le contrôleur d'écran effectue ce travail pour les autres traits du symbole et pour les autres symboles à afficher. Il recommence périodiquement le tracé lorsqu'il a terminé, en modifiant bien sûr l'affichage si le calculateur a modifié entre-temps les ordres d'affichage. Typiquement, pour des écrans à cristaux liquides, et plus généralement pour tout écran de type matriciel, les tracés se font à partir de microplages de lissage contenues dans des mémoires de microplages à l'intérieur du générateur de tracé 30B. Le rôle du générateur de tracé est alors de remplacer chaque point d'un tracé théorique par une matrice de points élémentaires (pixels individuels), dont les chrominances et luminances sont pondérées par les coefficients d'une matrice mathématique correspondante, pour aboutir à un tracé plus agréable à l'oeil que le tracé théorique. Le tracé lissé évite les phénomènes de "marches d'escalier" d'un tracé simple dans lequel on n'allumerait qu'un pixel pour chaque point du tracé théorique. Les matrices de pondération ou microplages, sont le plus souvent définies dans des mémoires mortes du générateur de tracé, ces mémoires mortes pouvant être adressées par des instructions logicielles issues du générateur graphique de symboles. Le système selon l'invention possède un organe 50 de contrôle de largeur de trait qui agit sur le contrôleur d'écran pour modifier la largeur des traits en fonction de l'éclairement ambiant. L'action sur la largeur des traits peut s'effectuer soit par l'intermédiaire du générateur de symboles, soit de préférence par l'intermédiaire du générateur de tracé, soit même par les deux à la fois. L'action par l'intermédiaire du générateur de symboles consisterait par exemple à augmenter la largeur d'un trait en établissant deux ou trois tracés théoriques juxtaposés au lieu d'un seul tracé théorique. Elle pourra se faire aussi, pour des symboles qui seraient enregistrés sous forme de polices de caractères dans le contrôleur d'écran, par le choix d'une police de caractères gras pour faire des tracés plus épais. L'action par l'intermédiaire du générateur de tracé se fera essentiellement en jouant sur les microplages stockées dans le générateur de tracé. Certaines microplages correspondront à des tracés plus larges et d'autres à des tracés plus fins, en fonction de la répartition des coefficients de pondération de luminance dans les matrices. Dans ce cas, la notion de largeur d'un trait lissé par des microplages doit être interprétée en considérant l'impression de largeur que retire l'observateur en regardant le tracé lissé. Le tracé présente en effet une certaine distribution de luminance dans un sens transversal au tracé, et c'est cette distribution qui donne une largeur apparente au tracé. En pratique, on peut définir la largeur d'un trait par la largeur à l'intérieur de laquelle la luminance est supérieure à 50% de la luminance maximale dans la distribution de luminance du trait; la luminance maximale est en général au centre ou au voisinage du centre de la distribution de luminance dans le trait. On comprendra cependant que ce pourcentage de 50% représente seulement une définition commode de la largeur, mais que d'autres définitions de largeur de trait peuvent être données, notamment en utilisant d'autres pourcentages. L'organe 50 de contrôle de largeur de trait peut comprendre par exemple une table de valeurs enregistrées, I'adresse dans la table étant sélectionnée à partir d'un 'signal de commande appliqué à l'entrée de cet organe. A chaque valeur enregistrée peut correspondre une micro- plage déterminée ou un groupe de microplages déterminé que le générateur de tracé 30B utilisera. La sélection d'une valeur enregistrée se fait soit de manière manuelle l0 par l'utilisateur, par exemple par un bouton de commande manuelle 60, l'utilisateur agissant sur ce bouton en fonction de l'éclairement ambiant, soit automatiquement par une détection d'éclairement ambiant à l'aide d'une cellule photoélectrique 70. On a représenté les deux possibilités simultanément sur la figure 1, avec un commutateur pour passer de l'une des possibilités à l'autre. Le bouton de réglage manuel et la cellule fournissent à l'organe de contrôle de largeur de trait 50 un signal de commande qui détermine la transmission d'instructions au contrôleur d'écran. Dans la réalisation préférée selon l'invention, on agit simultanément sur la largeur des traits et sur l'intensité d'éclairement de la source lumineuse 20 d'éclairement de l'écran. Par conséquent, les signaux de commande issus du bouton manuel ou de la cellule photoélectrique sont utilisés non seulement par l'organe de contrôle de largeur 50 mais aussi par un circuit 80 de réglage d'intensité de la source lumineuse 20. En éclairement ambiant de plein jour, I'intensité de la source est réglée à une valeur haute (luminance de points éclairés pouvant aller jusqu'à 400 cd/m2) et les tracés sur l'écran sont des tracés de largeur standard faible: par exemple des lignes de largeur environ 0,5 mm. En ambiance nocturne sombre, I'intensité de la source est réglée à une valeur faible pouvant descendre jusqu'à environ 0,2 candela/m2. Et les tracés sur l'écran sont alors de préférence deux fois, puis trois fois ou même quatre fois plus larges au fur et à mesure que l'intensité de la source baisse : par exemple les lignes prennent une largeur de 1 mm puis 1,5 millimètres, voire même 2 mm. Cette augmentation de largeur des traits de faible luminosité renforce considérablement la lisibilité des symboles affichés, sans pour autant aboutir à un éblouissement de l'observateur lorsqu'il passe brutalement de l'observation extérieure très sombre à l'observation de l'écran. En effet, on a mis en évidence le fait que, au moins pour les faibles luminosités, la luminosité apparente pour l'utilisateur (donc en pratique la lisibilité) dépend de la largeur du tracé, pour les faibles largeurs, de sorte qu'on peut baisser la luminosité réelle (pour éviter l'éblouissement) en augmentant la largeur des lignes (pour donner l'impression d'une luminosité supérieure, c'està- l0 dire une lisibilité supérieure). La figure 2 représente une courbe expérimentale donnant, pour de faibles luminosités (de l'ordre de quelques cd/m2 à quelques dizaines de cd/m2) la luminosité apparente, pour une même luminosité réelle, en fonction de la largeur du trait. La courbe est donnée en relatif, sous forme du rapport entre luminosité apparente et luminosité réelle, la référence étant prise pour une largeur de trait de 0,6 milliradian (trait de 0,5 millimètre vu à environ 80 cm de distance). Il en ressort par exemple que l'on peut garder la même lisibilité (même luminosité apparente) en diminuant la luminosité réelle dans un facteur 1/1,2 et en augmentant la largeur de trait de 0,6 à 0,8 milliradian, ou en diminuant la luminosité dans un facteur de 1/1,4 et en augmentant la largeur de trait de 0,6 à 1,1 milliradian. Comme on le voit sur la courbe de la figure 2, ce phénomène est particulièrement sensible pour des traits fins: en triplant la largeur d'un trait de 0,2 ou 0,3 milliradian, on double la luminosité apparente. On pourrait conclure de ce type de courbe qu'on ne doit pas utiliser une largeur de traits au dessous de 1 milliradian car la lisibilité diminue alors. On propose plutôt, selon l'invention, de modifier la largeur des traits en fonction de la luminosité de la source d'éclairement, et donc indirectement en fonction de l'éclairement ambiant. On pourra donc conserver des tracés très fins, bien au dessous de 1 mm (donc dans la zone de variation de luminosité apparente) lorsque l'éclairement ambiant et l'intensité de la source seront suffisants et augmenter la largeur de traits pour les faibles luminosités. On utilisera des résultats expérimentaux du genre de celui de la figure 2 pour déterminer les paramètres préférés de contrôle de largeur de traits en fonction de l'intensité de la source d'éclairement de l'écran matriciel. En pratique, on pourra conserver une largeur de trait indépendante de l'intensité de la source sur une large plage d'intensités élevées, c'est-à- dire que de jour on n'agira pas sur la largeur des traits on utilisera donc des traits fins partout o on le souhaitera, aboutissant à un très bon piqué d'image. Mais, pour les faibles intensités de la source, c'est-à-dire dans des conditions d'éclairement extérieur faible et surtout de nuit, on établira une lo correspondance entre des plages d'intensité de source et des largeurs de traits en augmentant la largeur des traits au fur et à mesure que l'éclairement extérieur baissera. La figure 3 représente un diagramme donnant en parallèle, à titre d'exemple: - l'intensité de la source d'éclairement en fonction de la luminosité ambiante (courbe supposée continue et linéaire jusqu'à son maximum, mais qui pourrait ne pas être linéaire et même être en paliers, réglée manuellement par le bouton 60 ou automatiquement par la cellule ), - et la largeur des traits qu'il faut faire tracer alors par le contrôleur d'écran, ici quatre largeurs possibles qui peuvent être des multiples d'une largeur de base L0. Ces courbes ne sont données qu'à titre d'exemple, avec quatre largeurs de traits arbitraires, variant discrètement. L0 peut être égal à 0,5 mm environ ou même moins et L1, L2, L3 respectivement 2, 3 et 4 fois la largeur L0. On comprendra que cette relation entre l'intensité de la source et les modifications de largeur de traits peut être établie d'une manière plus ou moins complexe par l'intermédiaire de l'organe de contrôle de largeur 50 et des générateurs de symboles 30A et de tracé 30B. Par exemple, on peut envisager que les largeurs de traits ne soient pas modifiées de la même manière selon la couleur du tracé: - soit pour des raisons physiologiques: la courbe de la figure 2 est tracée pour une lumière blanche, mais ne serait pas nécessairement la même pour différentes couleurs, - soit pour des raisons opérationnelles: le rouge est souvent utilisé pour des informations importantes et on peut donc souhaiter agir sur le rouge seulement ou sur le rouge à un degré plus important que sur les autres couleurs. La loi de variation de largeur peut encore prendre en compte la couleur du fond sur lequel le symbole est tracé, la lisibilité pour une luminosité réelle dépendant à la fois de la couleur du tracé et de la couleur du fond. On peut envisager que certains symboles soient affectés par ce l0 changement de largeur de trait d'une manière différente d'autres symboles, et dans ce cas on comprend que les générateurs de symboles et de tracés doivent être programmés pour en tenir compte afin que l'organe de contrôle ne modifie pas uniformément toutes les largeurs. REVENDICATIONS 1. Système de visualisation à écran matriciel comprenant un contrôleur d'écran apte à engendrer le tracé de traits sur l'écran pour constituer des symboles correspondant à des informations à afficher, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (30, 50, 60, 70) pour modifier la largeur de traits en fonction d'un signal de commande de largeur de trait lié à l'intensité de l'éclairement ambiant. 2. Système de visualisation à écran matriciel selon la revendication 1, caractérisé en que le signal de commande est fourni par i0 des moyens de détection photoélectrique (70) mesurant l'intensité de l'éclairement ambiant. 3. Système de visualisation selon l'une des revendications 1 et 2, comprenant une source d'éclairement à intensité variable (20) et des moyens de commande de cette intensité (60, 70), caractérisé en ce que ledit signal de commande sert simultanément à contrôler les moyens de modification de largeur de trait et les moyens de commande d'intensité de la source. 4. Système de visualisation selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un bouton de commande manuel pour produire le signal de commande. 5. Système de visualisation selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les moyens de modification de largeur de trait sont agencés pour que la largeur des traits augmente lorsque l'intensité de la source d'éclairement diminue. 6. Système de visualisation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de modification de la largeur des traits comportent, dans le cas de symboles constituant des caractères enregistrés dans le contrôleur d'écran sous forme de polices de caractères, des moyens pour sélectionner une police de caractères parmi plusieurs possibles. 7. Système de visualisation selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le contrôleur d'écran comporte des moyens de traitement par microplages ou matrices de pondération, dans lesquels chaque point d'un tracé est remplacé par une matrice de points avec une matrice correspondante de coefficients de pondération de luminance et chrominance pour chaque point de la matrice, caractérisé en ce que les moyens de modification de la largeur des traits comportent des moyens pour modifier les matrices utilisées par le contrôleur d'écran pour le tracé d'un trait. 8. Système de visualisation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la largeur des traits est modifiée pour les très faibles éclairements ambiants (ambiance nocturne) et reste constante pour les forts éclairements ambiants (ambiance diurne).