Umgebungslichtsensoren

Dieses Dokument enthält Empfehlungen für den Entwurf und die Entwicklung von Geräten mit integrierten Umgebungslichtsensoren. Die Auswahl eines geeigneten Umgebungslichtsensors (ALS) ist von entscheidender Bedeutung.

Die folgende allgemeine Checkliste richtet sich an Entwickler, die Sensorhardware in Geräte integrieren. Im Rest dieses Dokuments werden der Prozess und die Hintergrundinformationen ausführlich beschrieben.

• Wählen Sie eine geeignete Hintergrundbeleuchtungsquelle aus.
• Wählen Sie einen geeigneten Lichtsensor aus.
• Wählen Sie die optimierte Platzierung für den Lichtsensor im Gerätegehäuse aus.
• Führen Sie modellspezifische Kalibrierung unter Berücksichtigung aller Faktoren durch, z. B. Beschichtungen, Lichtrohre, Sensorkonfiguration, Platzierung usw. Dies sollte mit professionellen, vorkalibrierten Lichtmessgeräten erfolgen.
• Integrieren Sie die Sensoren auf eine der unterstützten Arten in das Gerät.
• Nutzen Sie den HID-Sensor-Klassentreiber für den Posteingang. Verbinden Sie das Gerät über USB, SPI oder I2C HID-Transport.
• Testen Sie das komplette Gerät als Lichtmessgerät. Verwenden Sie verschiedene Arten von Testbeleuchtungen (Glühlampen, Leuchtstoff, LED) in verschiedenen Intensitäten und vergleichen Sie die über die Sensorplattform gemeldeten Werte mit einem hochwertigen Lichtmessgerät. Das Messgerät sollte den Lichteinfall auf dem Display des Geräts messen.
• Testen Sie die Geräte- und Drittanbietertreiber mit den Geräteanforderungen des Windows Hardware Lab Kit (HLK) und den zugehörigen Tests. Stellen Sie sicher, dass sie ordnungsgemäß ausgeführt wird und alle Testfälle besteht.
• Stellen Sie sicher, dass OEMs, ODMs und IHVs an mechanischen Entwurfsüberprüfungen für jede größere Überarbeitung der Gerätehardware teilnehmen.
• Stellen Sie sicher, dass die Sensorimplementierung mechanisch, optisch und aus elektrotechnischer Sicht optimiert ist.
• Testen Sie Lichtsensoren und adaptive Helligkeit anhand der schritte, die in Testfällen für adaptive Helligkeit beschrieben sind.

Integrieren von Lichtsensoren in Gerätehardware

Einige Dinge können stark beeinflussen, was mit den Informationen gemacht werden kann, die die Lichtsensoren liefern. Zu diesen Überlegungen gehören die folgenden:

• Der Sensortyp, digitale Lichtsensoren werden bevorzugt
• Genauigkeit, Auflösung und Sichtfeld des Sensors
• Der Dynamikbereich des Sensors
• Infrarot (IR) und Ultraviolett (UV) Abstoßung (menschliche Augenantwort)
• Die unterstützte Bustechnologie (nur digital)
• Die digitale Samplingrate
• Stromverbrauch
• Verpackungs- und Platzierungsoptionen

Die folgenden Faktoren erfordern besondere Beachtung:

• Genauigkeit und Auflösung: Um eine optimale Benutzeroberfläche für adaptive Helligkeit und lichtbewusste Benutzeroberfläche in Anwendungen zu bieten, sind genaue Sensordaten als Eingabe erforderlich. Im Allgemeinen gilt: Je genauer der Sensor, desto besser ist die entsprechende Benutzeroberfläche. Ein gutes Ziel für die tatsächlich kalibrierten Werte des Umgebungslichtsensors (ALS) ist eine konstante Genauigkeit von 4 Prozent der tatsächlichen Lichtverhältnisse.
• Dynamischer Bereich: Der dynamische Bereich eines Lichtsensors ist das Verhältnis zwischen den größten und kleinsten Werten, die der Sensor melden kann, und definiert den Bereich der Beleuchtungsumgebungen, in denen der Sensor effektiv sein kann. Ein Lichtsensor mit niedrigem Dynamikbereich schränkt die Umgebungen ein, in denen er verwendet werden kann. Die Umgebungslichtsensoren, die an Geräten montiert werden, die für den Einsatz im Freien konzipiert sind, z. B. ein Mobiltelefon, sollten die Außenbeleuchtung unterstützen. Sonnenlicht kann zwischen 0 und 10.000 Lux oder mehr liegen. Der ALS-Dynamikbereich für Geräte, die für den Innenbereich konzipiert sind, kann kleiner sein. Innenlicht reicht in der Regel von 0 bis 1000 Lux.
• Granularität: Um das beste Erlebnis zu gewährleisten, sollte die ALS eine Granularität von 1 Lux aufweisen, wenn das Umgebungslicht unter 25 Lux liegt, und eine Granularität von 4 % des Umgebungslichts, wenn es über 25 Lux liegt. Dadurch kann der Algorithmus für die adaptive Helligkeit reibungslose Bildschirmhelligkeitsübergänge ausführen.

Im Folgenden sind allgemeine Lichtverhältnisse aufgeführt, auf die verwiesen werden soll:

Arten von Umgebungslichtsensoren

Umgebungslichtsensoren gibt es in zwei grundlegenden Typen:

• Analoge Lichtsensoren sind mit einem eingebetteten Controller mit einem Analog-Digital-Konverter (A/D) verbunden und benötigen Firmware, die die Lichtsensordaten genau interpretieren und verschiedene Bedingungen und Phänomene kompensieren kann, die sich auf die Messwerte auswirken. Einige Beispiele für diese Phänomene sind infrarote (IR)-Lichtunterdrückung und Lichtfrequenzkompensation. Leuchtstofflampen variieren beispielsweise in der Intensität mit der Frequenz der Wechselstromleistung, die der Vorrichtung zugeführt wird. Analoge Sensoren sind in der Regel sehr kostengünstig.
• Digitale Lichtsensoren sind teurer als analoge Sensoren, haben aber Vorteile. Digitale Lichtsensoren können verschiedene Bedingungen und Phänomene automatisch kompensieren. Digitale Sensoren sind zudem extrem kompakt. Einige digitale Lichtsensoren können grobe diskrete Lux-Messungen ermöglichen. Die Granularität der Messwerte bei schlechten Lichtverhältnissen muss sorgfältig berücksichtigt werden. Grobe, diskrete Messungen bei schlechten Lichtverhältnissen können zu einer läsigen Helligkeitserfahrung für den Benutzer führen.

Unabhängig davon, welcher Lichtsensortyp ausgewählt wird, müssen genaue Messungen vorgenommen und dem System ausgesetzt werden.

Anzahl der Lichtsensoren

Je mehr Umgebungslichtsensoren verfügbar sind, um einen Lichtzustand zu messen, desto besser ist die Schätzung der tatsächlichen Beleuchtungsstärke. Jeder Lichtsensor verursacht jedoch Kosten und nutzt Platz auf dem Gerät.

Es ist wichtig, dass Hersteller nach einer Lösung streben, die dem System die genaueste Umgebungslichterkennung bietet. Kostengünstige Lösungen können auf einem einzelnen Sensor basieren, aber High-End-Hardware kann sich auf ein Sensorarray verlassen, um die bestmögliche Messung zu ermöglichen. Wenn ein OEM mehrere Umgebungslichtsensoren implementiert (um Probleme wie Hände oder Schatten zu beheben, die die ALS verschleiern), sollte der OEM eine logische (konsolidierte) ALS für Windows verfügbar machen und die genauesten Daten melden.

Wenn dem System mehrere Sensoren zur Verfügung stehen, sollte der einzelne Sensor, der für die automatische Helligkeit verwendet wird, die eigenschaft DEVPKEY_SensorData_LightLevel_AutoBrightnessPreferred verfügbar machen. Ebenso können OEMs entscheiden, mehrere Umgebungslichtsensoren zu verschmelzen und das Ergebnis als virtueller Lichtsensor, auch als reiner Softwaresensor bezeichnet, verfügbar zu machen. Wenn sowohl physische als auch virtuelle Lichtsensoren über die Sensorgerätetreiberschnittstelle verfügbar gemacht werden, muss der fusionierte Sensor die DEVPKEY_SensorData_LightLevel_AutoBrightnessPreferred-Eigenschaft verfügbar machen.

Lichtsensorplatzierung

Die richtige Platzierung von Lichtsensoren ist ein weiterer wichtiger Aspekt eines guten Systemdesigns. Das Ziel der ALS ist es, die Helligkeit der Umgebung zu messen, die vom Benutzer wahrgenommen wird. Der beste theoretische Sensorstandort wäre zwischen den Augen des Benutzers. Die reale optimale Platzierung der Lichtsensoren befindet sich in der Regel auf der gleichen Ebene wie das Display, das dem Benutzer zugewandt ist. Sensoren, die auf dem Display platziert werden, haben den Vorteil, dass sie eine Blendung erkennen, die auf dem Bildschirm auftreten kann.

Vermeiden Sie es, den Lichtsensor in Bereichen des Computers zu platzieren, die während des normalen Gebrauchs wahrscheinlich durch Schatten oder die Hände, Finger oder den Arm eines Benutzers von Lichtquellen verdeckt werden. Die folgende Abbildung veranschaulicht ein Benutzerbeispielszenario, in dem sich eine direkte Lichtquelle hinter dem Benutzer befindet. Ein Schatten wird über die untere Hälfte des Bildschirms und die Basis des Computers geworfen. Dieses Szenario schlägt eine optimale Platzierung des Lichtsensors am oberen Rand des Bildschirms und zum Benutzer vor.

Stellen Sie sicher, dass die verschiedenen Konfigurationen, die ein Gerät annehmen kann (z. B. Position der Tastatur im Tablet- und Laptopmodus), die Blende nicht blockieren und das Sichtfeld des Sensors nicht überschneiden.

Stellen Sie abschließend sicher, dass sich das Sichtfeld des Sensors nicht mit störenden Lichtquellen (Kamerablitz, Hintergrundbeleuchtung der Tastatur usw.) überschneidet, da dies zu zusätzlichem Rauschen oder fehlerhaften Messungen führen kann. Achten Sie darauf, alle verschiedenen Konfigurationen zu berücksichtigen, die ein Gerät annehmen kann, wenn das Sichtfeld mit rauschenden Lichtquellen überschneidend ist.

Umgang mit ungültigen Lichtsensordaten

Unter bestimmten Bedingungen kann das Sichtfeld des Umgebungslichtsensors durch ein Objekt oder durch den Benutzer blockiert werden, sodass der Sensor keine genaue Messung vornehmen kann. Ein solcher Zustand kann beispielsweise auftreten, wenn die Hand des Benutzers die Umgebungslichtsensoröffnung bedeckt. Es gibt noch viele andere Fälle.

Der Umgebungslichtsensor kann diese Situation an das Betriebssystem anzeigen, indem er ein neues Sensorbeispiel sendet, dessen PKEY_SensorData_IsValid Datenfeld auf FALSE festgelegt ist. Ein ordnungsgemäßer Hardwareentwurf sollte die Zeit minimieren, und szenarien, in denen dieser Wert auf FALSE festgelegt werden muss, da ein solches Szenario verhindert, dass das System die Helligkeit ordnungsgemäß steuert. In einem idealen System wären die Umgebungslichtsensoren immer in der Lage, das Umgebungslicht zu messen, und dieser Wert wäre auf TRUE festgelegt.

Lichtsensorfilter, Linsen, Gehäuse und Kalibrierung

Bei der Entwicklung eines Geräts, das eine ALS enthält, muss das gesamte System der mechanischen, optischen und elektrischen Komponenten im Zusammenhang mit der ALS sorgfältig geprüft werden. Das folgende Diagramm veranschaulicht die wichtigsten mechanischen Komponenten, die bei der Integration und Kalibrierung von Umgebungslichtsensorhardware in Windows berücksichtigt und verstanden werden müssen.

In diesem Diagramm sehen Sie Folgendes:

• Glas - Außenfläche des Bildschirms
• Freihandbeschichtung - schwarzer Rahmen um den Bildschirm
• Lichtabschirmung - verhindert Lichtbluten
• Lichtpfeife - sammelt und leitet Licht an den Sensor weiter
• Umgebungslichtsensor
• Hauptplatine

Dieses Diagramm verweist auf zwei Lichtstufen:

1. $LUX_{1}$: Die einfalle Lichtstärke für die Umgebung des Geräts auf der Oberfläche des Displays. Dieser Pegel wird vom Umgebungslichtsensor über die Sensorplattform gemessen und gemeldet.

2. $LUX_{2}$: Die einfalle Lichtstärke auf der Oberfläche der ALS. Dies ist nicht die richtige Lichtstärke, die über die Sensorplattform gemeldet werden kann, da der Dämpfungsfaktor der Optik nicht berücksichtigt wird.

Der Dämpfungsfaktor entspricht, wie viel Licht durch die verschiedenen Komponenten zwischen der äußeren Oberfläche des Geräts (in der Regel Glas) und der Sensoroberfläche der ALS blockiert wird. Die Dämpfung kann wie folgt berechnet werden: A = (1 - transmittance)

$LUX_{2}$ sollte immer niedriger als $LUX_{1}$ sein.

Der Unterschied zwischen diesen beiden Lux-Werten wird als Dämpfungsfaktor bezeichnet. Der Dämpfungsfaktor macht den Gesamtprozentsatz der Lichtdurchlässigkeit zwischen der oberen Glasoberfläche ($LUX_{1}$) und der bloßen Oberfläche des Umgebungslichtsensors ($LUX_{2}$) aus. Dies ist am drastischsten, wenn eine bemalte Glasoberfläche verwendet wird. Der OEM sollte mit Unterstützung des Sensor-IHV den Dämpfungsfaktor messen und in der Hardware korrigieren, bevor er den Lux-Wert für das Betriebssystem verfügbar macht.

Gehen Sie im folgenden Beispiel davon aus, dass der Gesamtprozentsatz der Lichtdurchlässigkeit zwischen der oberen Oberfläche des Glases und der bloßen Oberfläche des Umgebungslichtsensors 5 % beträgt. Um den erforderlichen Lux-Bereich zu unterstützen, muss der ausgewählte Lichtsensor den folgenden Bereich am bloßen Sensor unterstützen:

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

In der Firmware oder dem Treiber wird je nachdem, ob eine Hardware- oder Software-ALS-Lösung implementiert wird, die folgende Konvertierung verwendet, um den Dämpfungsfaktor zu berücksichtigen:

$Output LUX = LUX_{1} = LUX_{2} / (total % _{light _transmittance})$

Bei einem Leerlichtsensor von 100 Lux ist die resultierende Ausgabe lux folgendes:

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

Das gesamte System sollte auch mit geeigneten Lichtmessgeräten kalibriert werden. In diesem Beispiel werden nur die allgemeinen Überlegungen für die Teileauswahl und die Erstkalibrierung vor der formalen Kalibrierung veranschaulicht. Die Werkskalibrierung pro Einheit wird dringend empfohlen, um die beste und konsistentste Benutzererfahrung zu erzielen. Sensoren verfügen häufig über Genauigkeitsbereiche von +/- 20 % von Einheit zu Einheit, was über die Werkskalibrierung pro Einheit berücksichtigt werden kann.

Darüber hinaus ist das Sichtfeld ein wichtiger Faktor, der bei der Platzierung und Beim Design des Umgebungslichtsensors zu berücksichtigen ist. Je kleiner das Sichtfeld, desto schlechter ist die Leistung des Sensors. In der Regel ist ein Halbwinkelfeld von 55 Grad (insgesamt 110 Grad) ein faires Ziel. Je breiter das Sichtfeld, desto weniger anfällig ist der Sensor, um eine einzelne Punktquelle oder einen Schattenbereich aufzunehmen, der die wahre Lichtumgebung möglicherweise nicht genau widerspiegelt.

Sensorkonnektivität mit HID und SPB

Die folgenden Diagramme veranschaulichen die Integration von ALS mithilfe des HID-Protokolls und mit einem IHV-spezifischen Treiber für SPB.

Hardware, Treiber und Softwarestapel des HID-Sensors sind unten dargestellt:

SpB-Sensorhardware, -Treiber und -Softwarestapel sind unten dargestellt:

Weitere Informationen zur Integration von Sensorhardware über das HID-Protokoll, einschließlich HID und I2C, finden Sie unter Sensor HID-Klassentreiber.

Weitere Informationen zum Integrieren von Sensoren über SPB-Busse finden Sie im Quellcode für Sensorkombinationstreiber auf GitHub.

Kalibrierung des Umgebungslichtsensors

Professionelle Kalibrierung (empfohlen)

Die Kalibrierung der ALS im integrierten System mit professionellen, vorkalibrierten Sensoren in einer kontrollierten Beleuchtungsumgebung wird dringend empfohlen. Diese vorkalibrierten Sensoren, die oft als Lichtzähler bezeichnet werden, sind bei Anbietern von elektronischen Geräten und Onlinehändlern erhältlich.

Andere Kalibrierungstechniken

Details zu anderen ALS-Überwachungs- und Kalibrierungstools finden Sie im Microsoft Ambient Light Tool-Artikel .

Lichtsensorvalidierung

Als ersten Schritt sollten Sie immer die Hardware Lab Kit-Tests für Sensoren (d. h. Eingabe) ausführen, um den Umgebungslichtsensor zu überprüfen. Stellen Sie sicher, dass alle Mindesthardwareanforderungen und die Tests des Windows-Hardwarekompatibilitätsprogramms erfolgreich sind.

Um die ordnungsgemäße Funktion des Umgebungslichtsensors zu überprüfen:

• Stellen Sie sicher, dass displayEnhancementService gestartet wurde.
• Aktivieren Sie die automatische Helligkeit, und legen Sie den Schieberegler auf 50 % fest.
• Überprüfen Sie, ob sich die Anzeigehelligkeit ändert, wenn sich die Beleuchtung ändert.
• Verwenden Sie einen Lichtdimmer, um das Umgebungslicht langsam hoch- und herunterzufahren und sicherzustellen, dass die Lux-Werte gleichmäßig hoch- und heruntergefahren werden. Grobe und diskrete Lichtveränderungen führen zu einer suboptimalen Bildschirmhelligkeitsreaktion und sollten vermieden werden.
• Verwenden Sie eine professionelle Lux-Verbrauchseinheit, um sicherzustellen, dass die ALS-Messwerte korrekt sind. Überprüfen Sie mindestens die folgenden Punkte: 0, 10, 100, 500 und 1000 Lux.
• In Systemen, die nur die ALR-Kurve angepasst haben, testen Sie das Verhalten mit Benutzern, um zu überprüfen, ob ALR-Daten den Erwartungen der Benutzer entsprechen.

Mindestanforderungen an die Hardware und das Windows-Hardwarekompatibilitätsprogramm

Mindestanforderungen an Hardware und Windows-Hardwarekompatibilitätsprogramm sind für die Erstellung windowskompatibler Sensorfunktionen von grundlegender Bedeutung. Obwohl die Programme optional sind, empfehlen wir, dass Audioprodukte beide Anforderungen erfüllen, um die grundlegende Audioqualität sicherzustellen.

Weitere Informationen finden Sie im Windows-Hardwarekompatibilitätsprogramm.

In den folgenden Abschnitten werden Empfehlungen für Sensoren behandelt. Um qualitativ hochwertige Erfahrungen zu gewährleisten, sollten alle Geräte anhand dieser Leistungsanforderungen getestet werden.

Umgebungsreaktionskurve

Wenn ein Umgebungslichtsensor eine Umgebungslichtreaktionskurve meldet, muss er folgende Schritte ausführen:

Die Antwortkurve des Sensors muss mindestens zwei Punkte aufweisen, und der Farbverlauf muss positiv oder flach sein. Weitere Informationen finden Sie in der Antwortkurve.

Farbfähig

Umgebungslichtsensoren sind nicht erforderlich, um Farben zu erkennen. Wenn ein Umgebungslichtsensor Farbe unterstützt, müssen die farbbezogenen Eigenschaften, Schwellenwerte und Datenfelder gemeldet werden. Ein farbfähiger Lichtsensor muss die folgende Enumerationseigenschaft melden:

Ein farbfähiger Lichtsensor muss eine der folgenden Kombinationen von Datenfeldern melden:

• Lux, Kelvins, Chromatik x, Chromatik y
• Lux, Chromatik x, Chromatik y

Weitere Informationen finden Sie in den Datenfeldern des Lichtsensors.

Für die Farbdatenfelder, die der Lichtsensor meldet, müssen auch Schwellenwerte unterstützt werden. Ein Beispiel muss gemeldet werden, wenn mindestens ein Schwellenwert erreicht wird. Weitere Informationen finden Sie unter Schwellenwerte des Lichtsensors.

Datenfeldeigenschaften

Umgebungslichtsensoren müssen die erforderlichen Datenfeldeigenschaften melden. Weitere Informationen finden Sie unter Datenfelder des Lichtsensors.

Datentypen

Umgebungslichtsensoren sind erforderlich, um Lichtdaten zu melden. Weitere Informationen finden Sie unter Lichtsensordatenfelder.

Minimales Berichtsintervall

Nicht farbfähige Umgebungslichtsensoren in Windows müssen ein Berichtsintervall von maximal 250 Millisekunden unterstützen. Farbfähige Umgebungslichtsensoren in Windows sind erforderlich, um ein Berichtsintervall von maximal 1000 Millisekunden zu unterstützen.

Schwellenwerte

Lichtsensoren sind erforderlich, um Schwellenwerte bei Lux zu unterstützen. Wenn absolute Schwellenwerte unterstützt werden, müssen sowohl der Prozentsatz als auch der absolute Lux-Schwellenwert erfüllt sein, damit eine Datenstichprobe gemeldet werden kann.

Angenommen, der absolute Schwellenwert ist 1 Lux und der Prozentsatz 25 %:

Weitere Informationen finden Sie unter Schwellenwerte für Lichtsensoren.

Automatische Helligkeit bevorzugt

Wenn ein Umgebungslichtsensor mit der Automatischhelligkeitsfunktion verwendet werden soll, muss die folgende Enumerationseigenschaft gemeldet werden:

Es darf nur ein Umgebungslichtsensor diese Eigenschaft auf einem System melden.

Farbkalibrierung

Umgebungslichtsensoren sind nicht erforderlich, um Farben zu unterstützen. Wenn ein Umgebungslichtsensor Farbe unterstützt, muss er ordnungsgemäß kalibriert werden.

Während eine Lichtquelle direkt auf den Sensor ausgerichtet ist:

• Die erkannte Umgebungs lux liegt entweder innerhalb von 10 % oder 1 Lux des tatsächlich eingehenden Lichts.
• Die erkannte Chromizität x und y liegen innerhalb von 0,025 des tatsächlich eingehenden Lichts.

Enumerationseigenschaften

Ein Umgebungslichtsensor muss DEVPKEY_Sensor_ConnectionType melden, obwohl dies keine erforderliche Enumerationseigenschaft für einige andere Sensoren ist.

Ist gültig.

Umgebungslichtsensoren müssen nicht melden, wann Lichtsensorproben gültig sind oder nicht. Wenn ein Umgebungslichtsensor dies unterstützt, muss das folgende Datenfeld gemeldet werden:

Wenn sich der PKEY_SensorData_IsValid Wert ändert, muss eine Stichprobe unabhängig davon gemeldet werden, ob die Schwellenwerte erreicht wurden.

Angenommen, der Lux-Schwellenwert ist 1 Lux:

Lichtkalibrierung

Der Automatische Helligkeitsdienst in Windows benötigt Lichtsensoren, um eine genaue Messung des Lichtpegels in der Umgebung zu melden. Wenn die Lichtquelle direkt auf einen Lichtsensor ausgerichtet ist, der keine Farbe unterstützt, muss der gemeldete Lichtpegel innerhalb von 4 % oder mindestens 1 Lux der tatsächlich eingehenden Lichtstärke liegen.

Lichtbereich

Der Automatische Helligkeitsdienst in Windows muss in der Lage sein, einen angemessenen Lichtbereich von 1 bis 10.000 Lux zu erkennen. Wenn der Bereich kleiner ist, kann die angepasste automatische Helligkeit möglicherweise nicht mit der tatsächlichen Helligkeit der Umgebung übereinstimmen.

Weitere Informationen

• Adaptive Helligkeit
• Designhandbuch für Sensortreiber
• Verwendungsmöglichkeiten für HID-Sensoren