Sensori di luce ambientale

Questo documento fornisce raccomandazioni per la progettazione e lo sviluppo di dispositivi con sensori di luce ambientale integrati. La selezione di un dispositivo DIS (Ambient Light Sensor) appropriato è fondamentale.

L'elenco di controllo generale seguente è destinato agli sviluppatori che integrano l'hardware del sensore nei dispositivi. Nella parte restante di questo documento vengono descritte in dettaglio il processo e le informazioni di base.

• Selezionare un'origine di backlight appropriata.
• Selezionare un sensore di luce appropriato.
• Selezionare il posizionamento ottimizzato per il sensore di luce nell'enclosure del dispositivo.
• Eseguire la calibrazione per modello tenendo conto di tutti i fattori, ad esempio rivestimenti, tubo leggero, configurazione del sensore, posizionamento e così via. Questa operazione deve essere eseguita utilizzando contatori di luce pre-calibrati professionali.
• Integrare i sensori nel dispositivo in uno dei modi supportati.
• Sfruttare il driver di classe HID Sensor nella posta in arrivo. Connettere il dispositivo tramite trasporto USB, SPI o I2C HID.
• Testare il dispositivo completo come strumento di misurazione della luce. Utilizzare vari tipi di illuminazione di test (incandescente, fluorescente, LED) a varie intensità e confrontare i valori segnalati tramite la piattaforma del sensore con un indicatore di luce di alta qualità. Il contatore deve misurare l'incidente di luce sullo schermo del dispositivo.
• Testare il dispositivo e i driver di terze parti con i requisiti del dispositivo Windows Hardware Lab Kit (HLK) e i test correlati. Assicurarsi che venga eseguito correttamente e che superi tutti i casi di test.
• Assicurarsi che gli OEM, gli ODM e gli IHD partecipino a revisioni meccaniche di progettazione per ogni revisione principale dell'hardware del dispositivo.
• Assicurarsi che l'implementazione del sensore sia ottimizzata meccanicamente, otticamente e dal punto di vista dell'ingegneria elettrica.
• Testare i sensori di luce e la luminosità adattiva seguendo i passaggi indicati nei casi di test di luminosità adattiva.

Integrazione di sensori di luce con hardware del dispositivo

Diverse cose possono influire notevolmente su ciò che può essere fatto con le informazioni fornite dai sensori di luce. Queste considerazioni includono quanto segue:

• Il tipo di sensore, sensori di luce digitale sono preferiti
• Accuratezza, risoluzione e campo di visualizzazione del sensore
• Intervallo dinamico del sensore
• Rifiuto infrarosso (IR) e infrarosso (UV) (risposta oculare umana)
• La tecnologia bus supportata (solo digitale)
• Frequenza di campionamento digitale
• Consumo energetico
• Opzioni di confezionamento e posizionamento

I fattori seguenti giustificano una particolare considerazione:

• Accuratezza e risoluzione: per offrire un'esperienza utente ottimale per la luminosità adattiva e l'interfaccia utente con riconoscimento della luce nelle applicazioni, i dati accurati dei sensori sono necessari come input. In genere, il sensore è più accurato, migliore sarà l'esperienza utente corrispondente. Un buon obiettivo per valori tarati del sensore di luce ambientale (ALS) è un'accuratezza costante entro il 4% delle reali condizioni di illuminazione.
• Intervallo dinamico: l'intervallo dinamico di un sensore di luce è il rapporto tra i valori più grandi e più piccoli che il sensore può segnalare e definisce l'intervallo di ambienti di illuminazione in cui il sensore può essere efficace. Un sensore di luce a basso intervallo dinamico limita gli ambienti in cui può essere usato. I sensori di luce ambientale montati su dispositivi progettati per essere utilizzati all'aperto, ad esempio un telefono cellulare, dovrebbero supportare condizioni di illuminazione esterna. La luce solare può variare da 0 a 10.000 lux o più. L'intervallo dinamico ALS per i dispositivi progettati per l'uso in ambienti interni può essere più piccolo. La luce interna varia in genere da 0 a 1000 lux.
• Granularità: per garantire la migliore esperienza, l'ALS deve avere una granularità di 1 lux quando la luce ambientale è inferiore a 25 lux e una granularità di 4% della luce ambientale quando è superiore a 25 lux. Ciò consente all'algoritmo di luminosità adattiva di eseguire transizioni fluide di luminosità dello schermo.

Di seguito sono riportate le condizioni di illuminazione comuni a cui fare riferimento:

Tipi di sensori di luce ambientale

I sensori di luce ambientale sono disponibili in due tipi fondamentali:

• I sensori di luce analogica sono collegati a un controller incorporato con un convertitore analogico-digitale (A/D) e richiedono firmware in grado di interpretare accuratamente i dati del sensore di luce e compensare varie condizioni e fenomeni che influiscono sulle letture. Alcuni esempi di questi fenomeni includono il rifiuto della luce infrarossa (IR) e la compensazione della frequenza di luce. Ad esempio, le luci fluorescenti variano in intensità con la frequenza dell'alimentazione AC fornita all'apparecchio. I sensori analogici sono in genere molto economici.
• I sensori di luce digitale sono più costosi dei sensori analogici, ma presentano vantaggi. I sensori di luce digitale possono compensare automaticamente varie condizioni e fenomeni. Anche i sensori digitali sono estremamente compatti. Alcuni sensori di luce digitale possono fornire misurazioni di lux discreti grossolane. La granularità delle letture in condizioni di scarsa illuminazione deve essere presa attentamente in considerazione. Le misurazioni approssimative e puntuali in condizioni di scarsa luce possono comportare un'esperienza di luminosità sgradevole per l'utente.

Indipendentemente dal tipo di sensore di luce selezionato, le letture accurate devono essere scattate ed esposte al sistema.

Numero di sensori di luce

Più sensori di luce ambientale disponibili per misurare una condizione di illuminazione, migliore è la stima dell'illuminazione effettiva. Tuttavia, ogni sensore di luce aggiunge costi e usa spazio nel dispositivo.

È importante che i produttori cerchino una soluzione che fornisca al sistema la capacità di rilevamento della luce ambientale più accurata. Soluzioni economiche possono basarsi su un singolo sensore, ma l'hardware di fascia alta può basarsi su una matrice di sensori per fornire la migliore misura possibile. Se un OEM sceglie di implementare più sensori di luce ambientale (per risolvere problemi come mani o ombre che oscurano l'ALS), l'OEM deve esporre un ALS logico (consolidato) a Windows e fornire i dati più accurati.

Se più sensori sono esposti al sistema, il singolo sensore usato per la luminosità automatica deve esporre la proprietà DEVPKEY_SensorData_LightLevel_AutoBrightnessPreferred . Analogamente, gli OEM possono decidere di fondere più sensori di luce ambientale ed esporre il risultato come sensore di luce virtuale, noto anche come sensore software puro. Se i sensori di luce fisici e virtuali sono esposti tramite l'interfaccia del driver del dispositivo sensore, il sensore fuso deve esporre la proprietà DEVPKEY_SensorData_LightLevel_AutoBrightnessPreferred.

Posizionamento del sensore di luce

Il posizionamento corretto dei sensori di luce è un altro aspetto critico della buona progettazione del sistema. L'obiettivo dell'ALS è misurare la luminosità dell'ambiente come percepito dall'utente. La migliore posizione teorica del sensore sarebbe tra gli occhi dell'utente. Il posizionamento ottimale del mondo reale dei sensori di luce è in genere sullo stesso piano dello schermo, rivolto all'utente. I sensori posizionati sullo schermo hanno il vantaggio di rilevare alcuni riflessi che possono verificarsi sullo schermo.

Evitare di posizionare il sensore di luce in aree del computer che potrebbero essere oscurate da sorgenti di luce da ombre o mani, dita o braccio di un utente durante l'utilizzo normale. La figura seguente illustra uno scenario utente di esempio in cui una sorgente luminosa diretta si trova dietro l'utente. L'ombra si proietta sulla metà inferiore dello schermo e sulla base del computer. Questo scenario suggerisce un posizionamento ottimale del sensore di luce nella parte superiore dello schermo e rivolto all'utente.

Assicurarsi che le diverse configurazioni che un dispositivo possa assumere (posizione della tastiera in modalità tablet o portatile, ad esempio) non bloccare l'apertura e non intersecare il campo di visualizzazione del sensore.

Infine, assicurarsi che il campo di visualizzazione del sensore non si interseci con qualsiasi fonte di luce rumorosa (flash della fotocamera, backlight della tastiera e così via) in quanto possono contribuire a ulteriori rumori o letture negative. Assicurarsi di prendere in considerazione tutte le diverse configurazioni che un dispositivo può prendere in considerazione quando si considera il campo di visualizzazione che interseca con le fonti di luce rumorose.

Gestione dei dati del sensore di luce non validi

In determinate condizioni, il campo di visualizzazione del sensore di luce ambientale può essere ostruito da un oggetto o dall'utente, rendendo impossibile che il sensore prenda una lettura accurata. Ad esempio, tale condizione può verificarsi quando la mano dell'utente copre l'apertura del sensore di luce ambientale. Esistono molti altri casi.

Il sensore di luce ambientale può indicare questa situazione al sistema operativo inviando un nuovo campione di sensore con il relativo campo dati PKEY_SensorData_IsValid impostato su FALSE. La progettazione hardware corretta deve ridurre al minimo il tempo e gli scenari che richiedono l'impostazione di questo valore su FALSE, in quanto tale scenario impedisce al sistema di controllare correttamente la luminosità. In un sistema ideale, i sensori di luce ambientale sarebbero sempre in grado di misurare la luce ambientale e questo valore verrebbe impostato su TRUE.

Filtri del sensore di luce, lenti, custodie e calibrazione

Quando si ingegneria un dispositivo che include un ALS, l'intero sistema di componenti meccanici, ottici ed elettrici correlati all'ALS deve essere considerato attentamente. Il diagramma seguente illustra i componenti meccanici chiave che devono essere considerati e compresi durante l'integrazione e la calibrazione dell'hardware del sensore di luce ambientale con Windows.

In questo diagramma si noterà quanto segue:

• Vetro - superficie esterna dello schermo
• Rivestimento inchiostro - bordo nero intorno allo schermo
• Schermatura per la luce - impedisce la fuoriuscita di luce
• Tubo chiaro - raccoglie e indirizza la luce al sensore
• Sensore di luce ambientale
• Scheda madre

Questo diagramma fa riferimento a due livelli di luce:

1. $LUX_{1}$: livello di luce incidente per l'ambiente circostante del dispositivo alla superficie del display. Questo livello viene misurato e segnalato dal sensore di luce ambientale tramite la piattaforma del sensore.

2. $LUX_{2}$: livello di luce incidente sulla superficie dell'ALS. Questo non è il livello di luce corretto da segnalare tramite la piattaforma del sensore perché non tiene conto del fattore di attenuazione delle ottiche.

Il fattore di attenuazione corrisponde alla quantità di luce bloccata dai vari componenti tra la superficie esterna del dispositivo (in genere vetro) e la superficie di rilevamento dell'ALS. L'attenuazione può essere calcolata come segue: A = (1 - transmittance)

$LUX_{2}$ deve essere sempre inferiore a $LUX_{1}$

La differenza tra questi due valori lux è detta fattore di attenuazione. Il fattore di attenuazione rappresenta la percentuale totale di trasmissione della luce tra la superficie superiore del vetro ($LUX_{1}$) e la superficie bare del sensore di luce ambientale ($LUX_{2}$). Questo è più drastico quando viene usata una superficie di vetro dipinta. L'OEM, con il supporto del sensore IHV, deve misurare il fattore di attenuazione e correggerlo nell'hardware prima di esporre il valore lux al sistema operativo.

Nell'esempio seguente si supponga che la percentuale totale di trasmissione della luce tra la superficie superiore del vetro e la superficie bara del sensore di luce ambientale sia 5%. Per supportare l'intervallo lux richiesto, il sensore di luce selezionato deve supportare l'intervallo seguente nel sensore bare:

• $Minimum = 1 lux × 0,05 = 0,05 lux$
• $Maximum = 100.000 lux × 0,05 = 5000 lux$

Nel firmware o nel driver, a seconda che venga implementata una soluzione hardware o software ALS, viene usata la conversione seguente per tenere conto del fattore di attenuazione:

$Output LUX = LUX_{1} = LUX_{2} / (totale % _{trasmittanza _luminosa})$

Per una lettura elementare di un sensore di luce ambientale di 100 lux, di seguito è riportato il valore in uscita risultante in lux.

$Output LUX = 100 / 0,05 = 2000 LUX$

L'intero sistema deve essere calibrato anche con attrezzature di misurazione della luce appropriate. Questo esempio illustra solo le considerazioni generali per la selezione delle parti e la calibrazione iniziale prima della calibrazione formale. La calibrazione per unità di fabbrica è fortemente consigliata per un'esperienza utente ottimale e coerente. I sensori hanno spesso intervalli di accuratezza di +/- 20% dall'unità all'unità, che possono essere considerati tramite la calibrazione per unità di fabbrica.

Inoltre, il campo di visualizzazione è un fattore importante da considerare nel posizionamento e nella progettazione del sensore di luce ambientale. Più piccolo è il campo di visualizzazione, peggiore sarà la prestazione del sensore. Come regola generale, un campo di visualizzazione di 55 gradi di mezzo angolo (totale di 110 gradi) è un obiettivo equo. Più ampio è il campo visivo, minore sarà la tendenza del sensore a raccogliere una singola sorgente di luce o un'area di ombra che potrebbe non riflettere accuratamente l'ambiente di luce reale.

Connettività del sensore con HID e SPB

I diagrammi seguenti illustrano come integrare ALS usando il protocollo HID e con un driver specifico di IHV per SPB.

L'hardware del sensore HID, il driver e lo stack software sono illustrati di seguito:

L'hardware del sensore SPB, il driver e lo stack software sono illustrati di seguito:

Per ulteriori informazioni sull'integrazione dell'hardware del sensore tramite il protocollo HID, inclusi i protocolli HID e I2C, vedere Driver di classe Sensor HID.

Per altre informazioni sull'integrazione dei sensori tramite bus SPB, vedere il codice sorgente del driver di esempio combinato per sensori su GitHub.

Calibrazione del sensore di luce ambientale

Calibrazione professionale (scelta consigliata)

La calibrazione dell'ALS nel sistema integrato utilizzando sensori professionali pre-calibrati in un ambiente di illuminazione controllata è altamente consigliata. Questi sensori pre-calibrati, spesso chiamati contatori di luce, sono disponibili per l'acquisto da fornitori di apparecchiature elettroniche e rivenditori online.

Altre tecniche di calibrazione

I dettagli su altri strumenti di monitoraggio e calibrazione di ALS sono disponibili tramite l'articolo Microsoft Ambient Light Tool.

Convalida del sensore di luce

Come primo passaggio, è consigliabile eseguire sempre i sensori (ad esempio Input) HLK (Hardware Lab Kit) test per convalidare il sensore di luce ambientale. Assicurarsi che vengano soddisfatti tutti i requisiti minimi hardware e che i test del Programma di compatibilità hardware Windows siano superati.

Per convalidare il corretto funzionamento del sensore di luce ambientale:

• Assicurarsi che DisplayEnhancementService sia avviato.
• Abilitare la luminosità automatica dello schermo e impostare il cursore su 50%.
• Verificare che la luminosità dello schermo cambi quando cambia l'illuminazione.
• Abilitare la regolazione automatica della retroilluminazione della tastiera, se applicabile.
• Verificare che la luminosità della retroilluminazione della tastiera cambi quando cambia l'illuminazione ambientale.
• Utilizzare un dimmer per far aumentare e diminuire lentamente la luce ambientale e assicurarsi che i valori di lux aumentino e diminuiscano uniformemente. Le variazioni di luce grossolana e discreta generano una risposta di luminosità dello schermo sub-ottimale e devono essere evitate.
• Utilizzare un luxmetro professionale per assicurare che le letture ALS siano accurate. Verificare almeno i punti seguenti: 0, 10, 100, 500 e 1000 lux.
• Nei sistemi che hanno personalizzato solo la curva ALR, testare il comportamento con gli utenti per convalidare i dati ALR soddisfa le aspettative degli utenti.

Requisiti hardware minimi e programma di compatibilità hardware Windows

I requisiti hardware minimi e i requisiti del programma di compatibilità hardware Windows sono fondamentali per la creazione di esperienze di sensori compatibili con Windows. Anche se i programmi sono facoltativi, è consigliabile che i prodotti audio soddisfino entrambi i set di requisiti per garantire la qualità audio di base.

Per altri dettagli, vedere Windows Programma di compatibilità hardware.

Le sezioni seguenti illustrano le raccomandazioni per i sensori. Per garantire esperienze di qualità elevata, tutti i dispositivi devono essere testati in base a questi requisiti di prestazioni.

Curva di risposta ambientale

Se un sensore di luce ambientale segnala una curva di risposta alla luce ambientale, deve seguire:

La curva di risposta del sensore deve avere almeno due punti e la sfumatura deve essere positiva o piatta. Per altre informazioni, vedere la curva di risposta.

Supporta il colore

I sensori di luce ambientale non sono necessari per rilevare il colore. Se un sensore di luce ambientale supporta il colore, è necessario segnalare le proprietà, le soglie e i campi dati correlati al colore. Un sensore di luce che supporta il colore deve segnalare la proprietà di enumerazione seguente:

Un sensore di luce con supporto per il colore deve segnalare una delle combinazioni seguenti di campi dati:

• Lux, kelvins, cromaticità x, cromaticità y
• Lux, cromaticità x, cromaticità y

Per altre informazioni, vedere i campi dati del sensore di luce.

Per i campi dati colore segnalati dal sensore di luce, è necessario supportare anche le soglie. È necessario segnalare un campione quando viene raggiunta almeno una soglia. Per altre informazioni, vedere soglie del sensore di luce.

Proprietà del campo dati

I sensori di luce ambientale devono segnalare le proprietà del campo dati necessarie. Per altre informazioni, vedere i campi dati del sensore di luce.

Tipi di dati

I sensori di luce ambientale sono necessari per segnalare i dati di luce. Per ulteriori informazioni, vedere campi dati del sensore di luce.

L'intervallo minimo del report

I sensori di luce ambientale non compatibili con il colore in Windows sono necessari per supportare un intervallo di report di 250 millisecondi o inferiore. I sensori di luce ambientale con supporto per il colore in Windows sono necessari per supportare un intervallo di report di 1000 millisecondi o inferiore.

Soglie

I sensori di luce sono necessari per supportare soglie di lux. Se sono supportate soglie assolute, per segnalare un campione di dati è necessario soddisfare sia la soglia percentuale che quella assoluta.

Si supponga che la soglia assoluta sia 1 lux e che la soglia percentuale sia 25%:

Per altre informazioni, vedere Soglie del sensore di luce

Luminosità automatica preferita

Se un sensore di luce ambientale deve essere usato con funzionalità di luminosità automatica per schermi o backlight da tastiera, è necessario segnalare la proprietà di enumerazione seguente:

In un sistema deve essere presente un solo sensore di luce ambientale che segnala questa proprietà.

Calibrazione dei colori

I sensori di luce ambientale non sono necessari per supportare il colore. Se un sensore di luce ambientale supporta il colore, è necessario calibrare correttamente.

Mentre una sorgente di luce è rivolta direttamente al sensore:

• Il lux ambientale rilevato è compreso tra 10% o 1 lux della luce in ingresso effettiva
• La cromaticità rilevata x e y sono entro 0,025 della luce in ingresso effettiva

Proprietà di enumerazione

Un sensore di luce ambientale deve segnalare DEVPKEY_Sensor_ConnectionType anche se questa non è una proprietà di enumerazione necessaria per altri sensori

Valido

I sensori di luce ambientale non sono necessari per segnalare quando i campioni di sensori di luce sono validi o meno. Se un sensore di luce ambientale supporta questo problema, è necessario segnalare il campo dati seguente:

Se il valore PKEY_SensorData_IsValid cambia, è necessario segnalare un campione indipendentemente dal fatto che le soglie siano state soddisfatte.

Si assuma che la soglia di illuminamento sia 1 lux.

Calibrazione della luce

Il servizio di luminosità automatica in Windows richiede sensori di luce per segnalare una misurazione accurata del livello di luce nell'ambiente. Quando la sorgente di luce è rivolta direttamente a un sensore di luce che non supporta il colore, il livello di luce segnalato deve essere entro 4%o almeno 1 lux del livello di luce in ingresso effettivo.

Gamma luminosa

Il servizio di luminosità automatica in Windows deve essere in grado di rilevare una gamma ragionevole di livelli di luce da 1 a 10.000 lux. Se l'intervallo è inferiore a questo, la luminosità automatica modificata potrebbe non essere in grado di corrispondere alla luminosità effettiva dell'ambiente.

Vedere anche

• Luminosità adattiva
• Guida alla progettazione dei driver dei sensori
• Utilizzo HID dei sensori
• Guida all'implementazione del backlight da tastiera