船载显示器质量考虑因素

2020年 9月 21日

话题:

作者:

Anne Corning

在海上航行时，船长需要立即获取清晰且准确的信息，以进行导航和维持船舶的运行和安全。在早期的跨洋航行中，指南针、望远镜、六分仪、沙漏等仪器是水手们拥有的为数不多的工具，用于帮助他们完成航行。如今，全套电子仪器、传感系统和显示屏为海员们提供了广泛的实时信息和先进的通信能力。

Kelvin Hughes company在1917年制造的六分仪；该公司至今仍在生产现代化电子类导航系统。

如今的船舶可能载有以下全部或部分电子系统：雷达（s波段和x波段）、自动导航系统、ARPA（自动雷达绘图辅助工具）、速度和距离追踪记录表、回声测深仪、电子海图显示信息系统（ECDIS）及详细的海洋和水道地图和图表、GPS系统、自动识别系统（AIS）应答器（使用超高频无线电进行船间通信）、转向速率指示器和方向舵角指示器。有些船舶还拥有远程识别和追踪系统（LRIT）及航行数据记录器（VDR），类似于飞机上的“黑匣子”，可以记录船舶在整个航行过程中的数据和状态信息。

船载显示器的独特需求

许多船载电子系统都使用电子显示屏来向船员显示和更新信息，但并非所有的屏幕都适用于船舶。船载显示器必须能够经受恶劣的条件，并且在各种天气条件下（无论是白天还是夜间）都可以读取屏幕上的信息。船载显示器是工业显示器（ID）市场的一个细分市场，被称为“坚固型显示器”。坚固型工业显示器包括具有类似高可靠性和耐久性要求的显示器，比如用于制造环境、工业设备、汽车、航空航天、军事、发电站和户外数字标牌应用的显示器。

安装到船舶上后，显示器可能会经常受到以下因素的影响：

阳光直射
极端温度
淡水和海水引起的潮湿，包括潜在的暂时浸入
灰尘和其他污染物
运动和振动
撞击

为了使显示屏更适用于船舶应用，制造商们可能会利用一些元素（比如：防反光膜）来提高日光下的可见度，在行业术语中称之为“日光可读型”显示器。防碎玻璃及重型边框和外壳可用于提高耐久性。显示器通常安装在船舶的驾驶舱或领航室中或者船桥上，还可以安装在船舱内供乘客娱乐用，或者安装在大型船舶（比如：游轮）上的各个位置作为信息显示标牌。

在2016年，船载显示器仅占工业显示器市场的最小份额；然而，据预计，该细分市场将以超过6%的复合年增长率（CAGR）持续增长至2025年¹。这种增长“归因于[船载显示器]的广泛应用，包括船舶实时声纳系统、用于战舰和坦克平衡系统的以太网综合作战系统、用于海港变电站的无人监控系统以及船舶发动机监控系统”。²

Sikuliaq研究船舶（停靠在阿拉斯加Ketchikan港）的船桥上安装的多个显示屏、仪器和系统视图。（图片来源：NorthbySouthBaranof，许可CC BY-SA 4.0）

船载显示器技术及应用

新型显示器技术在船舶行业的普及途径与消费类显示器行业类似。船载显示器类型现在包括LCD、LED、OLED和ePaper技术。LCD显示器目前占船载显示器市场40%以上的份额3，但是，由于OLED屏幕的对比度优于LCD和LED屏幕，OLED屏幕在未来几年内有望实现更多市场份额。

然而，相比所采用的显示器技术，船载显示器的最终用户更关心的是显示器系统的功能和能力，并且，最重要的是船载显示器如何与许多其他船载电子系统进行交互。能够提供HDMI、DVI、DP、VGA、Composite等类型输入信息的船载显示器更受最终用户的欢迎。

船载导航是船载显示器最关键的应用，通常内置到导航系统中。多个世纪以来，水手们一直使用纸质海图；如今，船舶需要安装电子海图显示和信息系统（ECDIS）。这些系统受联邦法规（其中规定了视觉显示要求）监管，美国海岸警卫队负责强制执行这些规定（在国际水域，则适用《国际海上人命安全公约》（SOLAS））。

电子海图示例：本质上是一张详细的地图，其中包含水深、浮标导航标志的位置、锚碇、海岸线特征等方面的信息。ECDIS系统将海图数据与船舶位置、方向和速度的实时追踪信息整合在了一起（图片：来源）。

船载显示器的重要功能包括日光可读性和防水性。制造商们在制造过程中通常会采用特殊的薄膜、材料层或涂层。举例来说，船载显示器制造商Vartech 解释了他们的“高亮度日光可读型显示器如何采用工业级增强型LED背光灯在不增加热量的情况下提高亮度。专有的增强型光线传输技术（ELTT）使他们生产的屏幕具有卓越的清晰度、宽阔的视角和最大的光线反射率。光学粘合技术可以在TFT LCD显示屏与显示器或触摸显示屏的正面之间提供牢固的透明粘合性，从而减少了光线反射，并增加了坚固耐用性”⁴

在防水性和防尘性方面，船载显示器应当遵循国际电工技术委员会（International Electrotechnical Commission，“IEC”）在60529 标准文件中列出的规范要求，其中规定了一种关于对电气设备进行密封以防潮气和异物侵入的国际分类系统，称为“入口保护（IP）”。

船载显示器的外壳也必须坚固耐用，以帮助保护玻璃屏幕和内部电子组件。有些显示器是作为售后或定制设备安装在船上的，而其他显示器则是船舶仪表盘的嵌入式组件。

制造商可能提供的其他显示器功能还包括：

多点触控- 触摸屏在如今的船载显示器中很常见，而多点触控显示器则使屏幕表面（触控板或触摸屏）能够同时识别和响应多个触点，因此用户可以获取“按压缩放”及其他需要多个触点的功能。
调光 – 允许用户在宽泛的亮度范围内轻松调节亮度，以适应极端的环境光线条件。
抗冲击性 – 此功能是可能出于作战条件下的军舰的标准配置。
夜视 – 军舰可能还需要内置在夜视镜中的显示器系统。

来自 Winmate 的LCD船载显示屏示例，其提供现代化船舶所需的许多特性和功能，包括ECDIS海图、多点触控屏、防水性/防尘性以及用于美国国家航海电子协会（National Marine Electronics Association，“NMEA”）0183合规仪器和系统的连接端口。（图片：来源）

船载显示器行业的最新趋势是多功能显示器的发展。如今，安装在船舶上使用的电子系统种类非常繁多，如果能够通过单台显示器将不同的系统功能全部整合到一套综合系统中，将为船员们带来更大的便利。同时，这也意味着，在船舶上的可用空间通常有限的情况下，将可以减少整合多种仪表和系统显示器所需的空间。制造商们如今在多功能显示器中提供的功能包括ECDIS系统、声纳系统、相机、雷达等。

来自Garmin的多功能船载显示器示例（上图），其将导航和海图绘制与声纳能力结合在了一起；屏幕经过专门处理，以确保日光可读性，该紧凑型显示器可以连接到多个其他操作电子系统，比如：雷达、相机等。来自Furuno的多点触控多功能显示器（下图），配备彩色TFT有源矩阵LCD和LED背光灯，专为内置到船舶的仪表盘系统而设计。（上图 © Garmin，来源；下图 © Furuno，来源）

船载显示器设备的质量标准

跟任何其他显示器产品一样，工业显示器设备和坚固型显示器设备也需要精心的设计和严格的测试，以确保其功能和性能满足监管法规要求、操作需求和客户期望。

电子海图显示信息系统（ECDIS）认证

船载电子海图系统包含以下两个要素：海图本身称为“电子导航图（ENC）”；海图必须不断更新以反映变化，就跟汽车的GPS系统依赖于谷歌地图（Google Maps）数据库中的数据和更新一样。ECDIS包含显示器系统（包括显示屏和计算机处理器）和用于查看电子导航图（ENC）的应用程序。任何电子导航图（ENC）必须符合国际水道测量组织 (IHO)的标准，才能通过使用认证，并且其仅可与符合国际海事组织（IMO）性能标准或SOLAS标准的ECDIS系统搭配使用。

IMO标准中有一些是针对显示器屏幕本身的特殊要求。举例来说，屏幕必须显示与导航相关的准确符号和颜色，这些符号和颜色已作为国际符号库进行了标准化。

这是ECDIS系统必须清晰、准确地显示的IMO标准符号中的一小部分，以帮助进行导航和维持安全。（图片：国际海事组织⁴）

船载显示器制造商可以通过证明其生产的显示器符合各种性能要求来使其系统获得ECDIS认证。视觉性能规范包含正确的符号显示、屏幕分辨率、色彩精度以及各种光线条件下的清晰可见性。⁵

船载显示器质量检测解决方案

自LCD和LED显示器设备问世以来，瑞淀一直帮助制造商们确保精确的屏幕亮度和色度，并检测Mura（瑕疵）、死像素、线缺陷及其他影响显示屏外观和功能的缺陷等问题。瑞淀的显示器测试解决方案广泛应用于各种工业显示器系统，包括航空航天、汽车驾驶舱、工业设备和船载面板。先进科学的亮度测量成像系统和软件能够实现自动化视觉检测，以执行完整的视觉性能测试、视角测试、符号评估和防眩光评估。

瑞淀的成像色度计用于对内置的显示器设备执行自动化视觉质量检测。

瑞淀的亮度测量成像解决方案用于检测和验证背光符号s和仪表盘或驾驶舱仪表，以确保标准符号集合的亮度和色度准确性。这可以通过在单个图像中使用阈值定义需要检测的特定关注点（POI）来完成，从而显著缩短了测量时间。举例来说，跟国际海事组织（IMO）的ECDIS标准一样，汽车行业监管标准也对车辆界面中使用的符号类型和视觉质量进行了规定（如下图所示）。制造商可以采用亮度、色度等多种标准在单个图像中对所有符号集合进行测试。

此图片来自TrueTest™软件，显示了其对汽车速度计区域的分析。该软件测试了每个单独的发光符号，以输出其亮度值（Lv，以cd / m2为单位表示）和色度值（Cx，Cy）。

瑞淀领导开发了适用的解决方案，以解决防眩光膜和涂层效应，这种效应在日光可读型船载显示器中很常见。防眩光膜产生的干扰图案（称为“闪烁”）可能会导致屏幕上出现颗粒状图像外观。这是由于防眩光层的多面微结构与显示器像素阵列的叠加引起的。通过将瑞淀的ProMetric^® 成像光度计或色度计系统与TrueTest™ 软件搭配使用，制造商们可以基于人类视觉感知来测量闪烁效应，以确保能够针对其产品确定有效的可接受公差范围。

测量由防眩光层引起的闪烁影响对于从用户感知的角度确保显示器具有最高质量很重要。此图片显示了在应用防眩光材料之前（左）与之后（右）（其中闪烁效应很明显）显示器中像素结构的对比特写。

对于显示器表面和屏幕层，瑞淀的先进视觉解决方案可以精确地检测出透明塑料、薄膜或玻璃等透明组件（比如：船载触摸显示屏的多个层、防炫光膜和涂层）上或内部的颗粒异物、划痕和外观缺陷。

将ProMetric成像系统与TrueTest软件搭配使用，可提供与人类视觉感知和灵敏度相匹配的自动化检测解决方案，适用于发光显示器和非发光表面检测应用。瑞淀的显示器测量解决方案采用具有科学级成像性能的高分辨率传感器，可以实现无与伦比的图像清晰度，确保能够在生产线速度下检测出像素大小的极微小缺陷。瑞淀可以帮助制造商确保船载显示器产品在船舶航行途中保持“正常运转”。