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自恢复的电子纸屏幕显示管理策略研究

2011-01-19 03:35:52 《现代显示》 2011年1期

李庆诚,宫晓利,马 捷,李幼萌

摘 要:电子纸电子书阅读器的技术不断进步,但是电子纸屏幕始终存在刷新速度慢、屏幕残影和清除残影刷新闪烁的问题,增加了电子纸屏幕控制软件的设计复杂度。文章提出了屏幕衰老和屏幕恢复的概念,基于此概念对电子纸屏幕刷新过程的用户阅读舒适度建立数学模型描述,针对该模型提出了自恢复的屏幕管理算法,并通过实验验证了算法的有效性。

关键词: 电子纸;屏幕老化;屏幕恢复;自恢复

中图分类号:TN873 文献标识码:B

Research on Self-Healthing E-Paper Screen Management Policy

LI Qing-cheng, GONG Xiao-li, MA Jie, LI You-meng

(College of Information and Technology, College of Software, Nankai University,

Tianjin 300071, China)

Abstract: The e-paper based ebook readers are becoming ubiquitous. However, there are critical drawbacks of the e-paper screens: slow refresh, ghost images, and blinking when clearing, which make the screen control more complex. In this paper, the concept of screen aging and screen healthing are presented. Based on modeling of e-paper screen refresh and reading comfort, self-healthing screen control algorithms are proposed and verified in the experiments.

Keywords: e-paper; screen aging; screen healthing; self-healthing

引 言

随着电子媒介读物的增多,电子书阅读器需求的不断扩大,越来越多的电子阅读器产品出现在市场中。据美国消费电子协会公布的数据显示,电子阅读器市场去年营收增长265%,是发展速度最快的产品之一。最新报告显示,从2008年到2013年,全球电子阅读器市场将保持124%的年复合增长率,并将在2013年底突破百亿美元规模。其中,类纸型电子书阅读器以屏幕无需背光、阅读不耗电等特性,成为电子阅读器中一个主要的分支,并且随着类纸型电子书阅读器的不断普及,类纸型电子书已经逐渐成为电子书的代名词。但是,类纸屏幕由于其材料特性,存在刷新速度慢、刷新屏幕闪烁、屏幕残影等问题,给电子书阅读器带来了不好的用户体验。因此,如何合理地利用类纸显示屏幕的优点,同时避其短处,达到最佳的阅读效果,是电子书阅读器设计过程中需要解决的一个重要问题。

1电子纸技术概述

电子纸屏幕可以分为电泳显示、电子粉流体、胆甾相液晶、向列相液晶等,目前最为成熟的当属电泳电子纸屏幕[1]。该技术于1969年被提出,其模型如图1所示,有色带电粒子在电极的作用下穿过电泳液到达屏幕上层并显现稳定的颜色。目前市场上广泛使用的E-Ink屏幕,以及国内的相关研究都是采用该技术[3,4]。通常,基于该技术的屏幕有两种主要的刷屏模式:灰度刷新模式(grayscale update)和清除刷新(clear update)。灰度刷新模式时,电子纸屏幕通过电极加电将颜色粒子送到相应的位置,除显示速度稍慢外,刷新效果与普通的TFT或CRT显示屏基本相同。但是由于工艺精度、生产成本等多种原因,电泳操作并不能达到理想的状态,有些粒子会停止在中间态或是错误状态,随着控制过程中累计误差的叠加,电子纸屏幕会出现残影,影响阅读效果。清除刷新模式时,首先会让颜色粒子进行一次完全电泳,确保粒子正确到达稳定的状态,然后再进行灰度刷新。从屏幕显示的现象上,刷新的区域首先会全部变为黑色,然后全部成为白色,最后再稳定成为所需显示的图像。这一过程有优化显示效果,去除残影的作用,但是黑白反色闪烁会对用户产生强烈的视觉刺激,严重影响用户的使用舒适度。

为了提升用户体验,通常大量使用灰度刷新模式,随着刷新次数的增多,屏幕上留下的残影程度逐渐加重,显示质量逐渐变差,这一过程称为电子纸屏幕老化。清除刷新可以达到清除残影的效果,因此,屏幕上存在一定程度的残影后,需要进行清除刷新以达到恢复显示效果的目的,这一过程称为电子纸屏幕恢复。

为了达到用户阅读效果的最佳状态,在类纸电子阅读器软件开发过程中,除了要定制阅读相关的功能外,还要定制每次屏幕刷新的模式,这增加了软件设计的复杂度,而且使得阅读器软件的通用性和可移植性下降。因此,需要向系统中添加屏幕刷新管理的中间层,该层对GUI等应用程序提供通用的屏幕刷新接口,同时控制屏幕的老化程度,并通过合理的屏幕恢复操作,达到最佳的使用效果。

2系统建模

用二维矩阵S描述电子纸屏幕,矩阵中的每一个单元对应屏幕上的一个显示单元,该单元是屏幕衰老度控制的最小单位,矩阵的维度即屏幕用该单元描述时的分辨率。该单元的值表示对应显示单元的衰老程度,对于初始化状态S0,所有元素均为0。每一个刷屏操作f由一个与屏幕等维度的矩阵表示,与屏幕上的显示单元相对应,如果该显示单元需要刷新,则该矩阵元素值为1,否则为0。对于每一个刷屏操作,为其设置刷新模式选择函数m(f)。当刷新模式为灰度刷新时,刷新区域中屏幕的衰老度叠加,而清除刷新模式时,刷新区域中屏幕的衰老度首先会恢复到初始状态,然后再刷新到该次请求区域的衰老度。屏幕刷新过程的模型表达如式(2)所示。

mfi=0,if Grayscale Update1,if Clear Update(1)

Si=Si-1+fi,mfi=0Si-1-Si-1 | fi+fi,mfi=1(2)

在电子纸阅读器的使用过程中,屏幕给用户的不适感可以简化为两部分:残影引起的不适H和清除刷新时的闪烁刺激M。其中,H是由当前屏幕的衰老程度决定的,可以将其如下建模:

而对于清除刷新,通过实验观察发现,无论刷新区域大小,用户都会感受到黑白的剧烈变化,这种对视觉的刺激和对阅读注意力的影响受区域面积和位置的影响不大。因此,对其进行如下建模:

Mfi=F×mfi(5)

基于此建模方式,在屏幕刷新过程中,一旦选择了清除刷新,将刷新区域扩展到整个屏幕区域,以达到最佳的去残影效果。因此,刷屏操作的模型可简化为式(6):

Si=1-mfigSi-1+mfigSo+fi(6)

同时,可以将屏幕刷新反感度化简为:

Di=HSi×1-mfi+Hfi+F×mfi(7)

屏幕达到一定的衰老度G会无法阅读,因此,此问题变成在约束条件Max(S(i,j))

这一问题可以化规为01背包问题,是已知的NP完全问题。对于屏幕刷新这类需要即时响应用户操作的任务来说,显然无法承受这样的运算复杂度,必须通过高效的方式获取近似最优解。

3近似最优解

如果仅计算每一次的刷新操作,一次操作对使用反感度的贡献值如式(7)所示。为了达到最佳的用户体验,使用贪心算法,取得每次刷新时的最优值,得出算法1:

mfi=1,ifHSi≥Hfi+F0,ifHSi<Hfi+F(算法1)

在实际刷屏控制和用户使用的过程中,由于用户长期以来对纸质印刷品的使用过程中也存在一定程度的残影,因此用户对小范围和浅程度残影的接受程度是远大于屏幕反色的刺激程度的,即Age(Si)

因为屏幕的衰老度仅因灰度刷新而增长,因此,算法2中仅计算灰度刷新区域的衰老度。首先假设刷新操作使用灰度刷新,预测屏幕的衰老度变化,并且预测此次变化的用户反感度R:

如果用户的反感度已经开始引起用户不悦,则使用清除刷新,否则使用灰度刷新。因此,定义用户不悦的反感度P,算法2描述为:

mfi=1,ifRi≥P0,ifRi<P(算法2)

4实验验证

首先,在600×800的屏幕区域范围内,随机生成5,000个矩形区域的刷屏请求。如果不进行任何清除刷新操作,所有请求刷新完毕后,屏幕的衰老程度如图2所示。

通过对用户的体验进行调查,将用户对于残影的反感度如下建模:

Weighti=i,ifi≤1010+i-10×2,if10<i≤3050+i-30×5,if30<i≤40∞

作为比对,设定一个简单的处理策略算法3:每隔40次刷新插入一次清除刷新。三种算法在此次实验过程中的反感度累计曲线如图3所示,从图中可以看到,相对于算法3,在用户的反感度方面,算法1和算法2都得到了有效的控制,并且算法2达到了更好的效果。

实验得出两种算法的清除刷新次数如表1所示。

实验过程中,屏幕平均衰老程度的分布如图4所示。从图中可以看到,两种算法都可以将屏幕的平均衰老程度控制在初始化数据的10%左右,同时,算法2因为考虑了刷新区域中的衰老程度,其平均衰老度较算法1略低。

按照模型中的描述,衰老度大于20的屏幕区域会引起用户不悦。实验过程中,引起用户不悦的区域面积累计曲线如图5所示。

通过实验数据可以看到,通过算法的设计,可以有效地控制屏幕的衰老程度,降低了阅读的反感度。同时,由于合理地使用调配策略,清除刷新的次数得到了有效控制,减少了对用户阅读时的视觉刺激。与算法1相比,算法2虽然使用的清除刷新操作略多,但是用户不悦的显示区域得到了良好的控制,并且复杂度较低,更利于实际产品中使用。

5结论

网络信息化的迅猛发展必将推动电子书阅读器产业的繁荣,而电子纸屏幕作为电子书屏幕的主要分支,通过合理控制,发挥其特性,扬长避短,将会收到更好的市场效果。

本文讨论了电子纸的屏幕老化和屏幕恢复现象,并对其进行了模型描述。根据模型,设计并优化了屏幕刷新管理的算法。实验证明,该算法可以有效控制屏幕的衰老度,保障用户阅读的舒适性。同时,该算法计算复杂度低,易于实现,不依赖于GUI平台,为电子纸阅读器的软件设计提供了便利。

参考文献

[1] 马 捷,朱 克,李庆诚. 有源矩阵电泳电子纸显示控制研究[J]. 现代显示,2010,4:44-48.

[2] 李庆诚,马捷,刘全礼. 电子书阅读器装置与技术[J]. 天津科技,2010,2:14-15.

[3] 李路海,何君勇,张淑芬等. 微胶囊制作技术及其在电子纸中的应用[N]. 仪器仪表学报,2004,35(4):407-409.

[4] 段晓霞,徐 征,滕 枫等. 基于电脉技术的电子纸研究进展[J]. 液晶与显示,2004,19(5):380-385.

[5] 刘 璟. 计算机算法引论:设计与分析技术[M]. 科学出版社,2005.

[6] Debanjan Ghosh, Raj Sharman, H. Raghav Rao, Shambhu Upadhyaya. Self-healing systems-survey and synthesis[J]. Decision Support Systems, 2007, 4(42), 2164-2185.

作者简介:李庆诚(1964-),男,天津人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为嵌入式系统、数据格式与交换、信息安全、数字版权保护。宫晓利(1983-),男,博士研究生,研究方向为嵌入式系统可靠性,E-mail:[email protected]