Capteurs de lumière ambiante

Ce document fournit des recommandations pour la conception et le développement d’appareils avec des capteurs de lumière ambiante intégrés. Il est essentiel de sélectionner un capteur de lumière ambiante (ALS) approprié.

La liste de contrôle générale suivante s’adresse aux développeurs qui intègrent du matériel de capteur aux appareils. Le reste de ce document décrit le processus et les informations générales en détail.

• Sélectionnez une source de rétro-éclairage appropriée.
• Sélectionnez un capteur de lumière approprié.
• Sélectionnez l’emplacement optimisé pour le capteur de lumière dans le boîtier de l’appareil.
• Effectuez l’étalonnage par modèle en tenant compte de tous les facteurs, tels que les revêtements, les tuyaux lumineux, la configuration du capteur, l’emplacement, etc. Cette opération doit être effectuée à l’aide de compteurs de lumière professionnels pré-étalonnés.
• Intégrez les capteurs à l’appareil de l’une des manières prises en charge.
• Tirez parti du pilote de classe hid Sensor de boîte de réception. Connectez l’appareil via le transport HID USB, SPI ou I2C.
• Testez l’appareil complet en tant qu’instrument de mesure de la lumière. Utilisez différents types d’éclairage de test (incandescent, fluorescent, LED) à différentes intensités et comparez les valeurs signalées par le biais de la plateforme du capteur avec un compteur de lumière de haute qualité. Le compteur doit mesurer l’incident lumineux sur l’affichage de l’appareil.
• Testez l’appareil et les pilotes tiers avec la configuration requise pour l’appareil Windows Hardware Lab Kit (HLK) et les tests associés. Assurez-vous qu’il s’exécute correctement et qu’il réussit tous les cas de test.
• Assurez-vous que les oem, les ODM et les IVS participent aux révisions de conception mécanique pour chaque révision majeure du matériel de l’appareil.
• Assurez-vous que l’implémentation du capteur est optimisée mécaniquement, optiquement et du point de vue de l’ingénierie électrique.
• Testez les capteurs de lumière et la luminosité adaptative à l’aide des étapes mentionnées dans cas de test de luminosité adaptative.

Intégration de capteurs lumineux au matériel de l’appareil

Plusieurs choses peuvent grandement affecter ce qui peut être fait avec les informations fournies par les capteurs de lumière. Ces considérations sont les suivantes :

• Le type de capteur, les capteurs de lumière numériques sont préférés
• Précision, résolution et champ de vue du capteur
• Plage dynamique du capteur
• Rejet infrarouge (IR) et ultraviolet (UV) (réponse de l’œil humain)
• Technologie de bus prise en charge (numérique uniquement)
• Taux d’échantillonnage numérique
• Consommation énergétique
• Options d’empaquetage et de placement

Les facteurs suivants méritent une attention particulière :

• Précision et résolution : pour offrir une expérience utilisateur optimale pour la luminosité adaptative et l’interface utilisateur prenant en charge la lumière dans les applications, des données de capteur précises sont requises en tant qu’entrée. En règle générale, plus le capteur est précis, meilleure est l’expérience utilisateur correspondante. Un bon objectif pour les valeurs réelles étalonnées du capteur de lumière ambiante (ALS) est une précision constante de 4 % des conditions d’éclairage réelles.
• Plage dynamique : la plage dynamique d’un capteur de lumière est le rapport entre les valeurs les plus grandes et les plus petites que le capteur peut signaler, et définit la plage d’environnements d’éclairage dans lesquels le capteur peut être efficace. Un capteur de lumière à faible plage dynamique limite les environnements dans lesquels il peut être utilisé. Les capteurs de lumière ambiante montés sur des appareils conçus pour être utilisés à l’extérieur, comme un téléphone portable, devraient prendre en charge les conditions d’éclairage extérieur. La lumière du soleil peut varier de 0 à 10 000 lux, ou plus. La plage dynamique ALS pour les appareils conçus pour être utilisés à l’intérieur peut être plus petite. La lumière d’intérieur varie généralement de 0 à 1000 lux.
• Granularité : pour garantir une expérience optimale, l’ALS doit avoir une granularité de 1 lux lorsque la lumière ambiante est inférieure à 25 lux et une granularité de 4 % de la lumière ambiante lorsqu’elle est supérieure à 25 lux. Cela permet à l’algorithme de luminosité adaptative d’effectuer des transitions de luminosité d’écran fluides.

Voici les conditions d’éclairage courantes à référencer :

Types de capteurs de lumière ambiante

Les capteurs de lumière ambiante sont de deux types fondamentaux :

• Les capteurs de lumière analogique sont connectés à un contrôleur incorporé avec un convertisseur analogique-numérique (A/D) et nécessitent un microprogramme capable d’interpréter avec précision les données du capteur de lumière et de compenser les diverses conditions et phénomènes qui affectent les lectures. Parmi ces phénomènes, citons le rejet de la lumière infrarouge (IR) et la compensation de la fréquence lumineuse. Par exemple, les lumières fluorescentes varient en intensité en fonction de la fréquence de l’alimentation secteur fournie au luminaire. Les capteurs analogiques sont généralement très peu coûteux.
• Les capteurs de lumière numérique sont plus chers que les capteurs analogiques, mais présentent des avantages. Les capteurs de lumière numérique peuvent automatiquement compenser divers phénomènes et conditions. Les capteurs numériques sont également extrêmement compacts. Certains capteurs de lumière numérique peuvent fournir des mesures discrètes grossières de lux. La granularité des lectures dans des conditions de faible luminosité doit être soigneusement prise en compte. Les mesures grossières et discrètes dans des conditions de faible luminosité peuvent entraîner une expérience de luminosité difficile pour l’utilisateur.

Quel que soit le type de capteur de lumière sélectionné, des lectures précises doivent être effectuées et exposées au système.

Nombre de capteurs de lumière

Plus il y a de capteurs de lumière ambiante disponibles pour mesurer une condition d’éclairage, meilleure est l’estimation de l’éclairement réel. Toutefois, chaque capteur de lumière ajoute des coûts et utilise de l’espace sur l’appareil.

Il est important que les fabricants cherchent une solution qui fournit au système la capacité de détection de la lumière ambiante la plus précise. Les solutions peu coûteuses peuvent s’appuyer sur un seul capteur, mais le matériel haut de gamme peut s’appuyer sur un tableau de capteurs pour fournir la meilleure mesure possible. Si un OEM choisit d’implémenter plusieurs capteurs de lumière ambiante (pour résoudre des problèmes tels qu’une main ou des ombres masquant l’ALS), l’OEM doit exposer un ALS logique (consolidé) à Windows et signaler les données les plus précises.

Si plusieurs capteurs sont exposés au système, le seul capteur utilisé pour la luminosité automatique doit exposer la propriété DEVPKEY_SensorData_LightLevel_AutoBrightnessPreferred . De même, les oem peuvent décider de fusionner plusieurs capteurs de lumière ambiante et d’exposer le résultat sous la forme d’un capteur de lumière virtuel, également appelé capteur logiciel pur. Si les capteurs de lumière physique et virtuel sont exposés via l’interface du pilote de périphérique de capteur, le capteur fusionné doit exposer la propriété DEVPKEY_SensorData_LightLevel_AutoBrightnessPreferred .

Placement du capteur de lumière

L’emplacement correct des capteurs de lumière est un autre aspect essentiel d’une bonne conception du système. L’objectif de l’ALS est de mesurer la luminosité de l’environnement telle que perçue par l’utilisateur. Le meilleur emplacement théorique du capteur se trouverait entre les yeux de l’utilisateur. L’emplacement optimal réel des capteurs de lumière est généralement sur le même plan que l’affichage, face à l’utilisateur. Les capteurs placés sur l’écran ont l’avantage de détecter certains reflets qui peuvent se produire à l’écran.

Évitez de placer le capteur de lumière dans des zones de l’ordinateur qui sont susceptibles d’être masquées des sources de lumière par les ombres ou les mains, les doigts ou le bras d’un utilisateur pendant une utilisation normale. La figure ci-dessous illustre un exemple de scénario utilisateur dans lequel une source de lumière directe se trouve derrière l’utilisateur. Une ombre est projetée sur la moitié inférieure de l’écran et la base de l’ordinateur. Ce scénario suggère un positionnement optimal du capteur de lumière près du haut de l’écran et face à l’utilisateur.

Assurez-vous que les différentes configurations qu’un appareil peut prendre (position du clavier en mode tablette ou mode ordinateur portable par exemple) ne bloquent pas l’ouverture et ne croisent pas le champ de vision du capteur.

Enfin, vérifiez que le champ de vision du capteur n’est pas perturbé par une source de lumière parasite (flash de l’appareil photo, rétro-éclairage du clavier, etc.), car ces interférences peuvent contribuer à du bruit supplémentaire ou à des relevés incorrects. Veillez à prendre en compte toutes les différentes configurations qu’un appareil peut prendre lorsque vous considérez le champ de vision qui croise des sources de lumière bruyantes.

Gestion des données de capteur de lumière non valides

Dans certaines conditions, le champ de vision du capteur de lumière ambiante peut être obstrué par un objet ou par l’utilisateur, ce qui rend impossible pour le capteur de prendre une lecture précise. Par exemple, une telle condition peut se produire lorsque la main de l’utilisateur couvre l’ouverture du capteur de lumière ambiante. De nombreux autres cas existent.

Le capteur de lumière ambiante peut indiquer cette situation au système d’exploitation en envoyant un nouvel exemple de capteur avec son champ de données PKEY_SensorData_IsValid défini sur FALSE. Une conception matérielle appropriée doit réduire le temps et les scénarios nécessitant que cette valeur soit définie sur FALSE, car un scénario empêche le système de contrôler correctement la luminosité. Sur un système idéal, les capteurs de lumière ambiante seraient toujours en mesure de mesurer la lumière ambiante, et cette valeur serait définie sur TRUE.

Filtres, lentilles, boîtiers et étalonnage des capteurs de lumière

Lors de la conception d’un appareil qui comprend une ALS, l’ensemble du système de composants mécaniques, optiques et électriques liés à la SLA doit être soigneusement pris en compte. Le diagramme suivant illustre les composants mécaniques clés qui doivent être pris en compte et compris lors de l’intégration et de l’étalonnage du matériel de capteur de lumière ambiante avec Windows.

Dans ce diagramme, nous voyons les éléments suivants :

• Verre - surface extérieure de l’écran
• Revêtement d’encre - bordure noire autour de l’écran
• Protection contre la lumière : empêche la lumière de saigner
• Light pipe - collecte et dirige la lumière vers le capteur
• Capteur de lumière ambiante
• Carte mère

Ce diagramme fait référence à deux niveaux de lumière :

1. $LUX_{1}$: niveau de lumière incident pour l’environnement de l’appareil à la surface de l’écran. Ce niveau est mesuré et signalé par le capteur de lumière ambiante via la plateforme du capteur.

2. $LUX_{2}$: Niveau de lumière de l’incident sur la surface de la SLA. Ce n’est pas le bon niveau de lumière à signaler via la plateforme du capteur, car il ne prend pas en compte le facteur d’atténuation de l’optique.

Le facteur d’atténuation correspond à la quantité de lumière bloquée par les différents composants entre la surface externe de l’appareil (généralement en verre) et la surface de détection de la SLA. L’atténuation peut être calculée comme suit : A = (1 - transmittance)

$LUX_{2}$ doit toujours être inférieur à $LUX_{1}$

La différence entre ces deux valeurs lux est appelée facteur d’atténuation. Le facteur d’atténuation prend en compte le pourcentage total de transmission de la lumière entre la surface supérieure du verre ($LUX_{1}$) et la surface nue du capteur de lumière ambiante ($LUX_{2}$). C’est le plus radical lorsqu’une surface en verre peint est utilisée. L’OEM, avec la prise en charge du capteur IHV, doit mesurer le facteur d’atténuation et le corriger dans le matériel avant d’exposer la valeur lux au système d’exploitation.

Dans l’exemple ci-dessous, supposons que le pourcentage total de transmission de la lumière entre la surface supérieure du verre et la surface nue du capteur de lumière ambiante est de 5 %. Pour prendre en charge la plage de lux requise, le capteur de lumière sélectionné doit prendre en charge la plage suivante au niveau du capteur nu :

• $Minimum = 1 lux × 0,05 = 0,05 lux$
• $Maximum = 100 000 lux × 0,05 = 5000 lux$

Dans le microprogramme ou le pilote, selon qu’une solution ALS matérielle ou logicielle est implémentée, la conversion suivante est utilisée pour prendre en compte le facteur d’atténuation :

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

Pour un capteur de lumière ambiante nue de 100 lux, voici le lux de sortie résultant :

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

L’ensemble du système doit également être étalonné avec un équipement de mesure de la lumière approprié. Cet exemple illustre uniquement les considérations générales relatives à la sélection des composants et à l’étalonnage initial avant l’étalonnage formel. L’étalonnage d’usine par unité est fortement encouragé pour une expérience utilisateur optimale et la plus cohérente. Les capteurs ont souvent des plages de précision de +/- 20 % d’une unité à l’autre, ce qui peut être pris en compte via l’étalonnage de la fabrique par unité.

En outre, le champ de vision est un facteur important à prendre en compte dans le placement et la conception du capteur de lumière ambiante. Plus le champ de vision est petit, plus les performances du capteur sont mauvaises. En règle générale, un demi-champ de vue de 55 degrés (110 degrés au total) est une cible équitable. Plus le champ de vision est large, moins le capteur est enclin à capter une source de lumière unique ou une zone d’ombre qui peut ne pas refléter avec précision l’environnement de lumière véritable.

Connectivité du capteur avec HID et SPB

Les diagrammes suivants montrent comment intégrer ALS à l’aide du protocole HID et à un pilote spécifique à IHV pour SPB.

Le matériel, le pilote et la pile logicielle du capteur HID sont illustrés ci-dessous :

Le matériel, le pilote et la pile logicielle du capteur SPB sont illustrés ci-dessous :

Pour plus d’informations sur l’intégration du matériel de capteur via le protocole HID, y compris HID et I2C, consultez Pilote de classe HID de capteur.

Pour plus d’informations sur l’intégration de capteurs via des bus SPB, consultez l’exemple de code source du pilote combiné de capteurs sur GitHub.

Étalonnage du capteur de lumière ambiante

Étalonnage professionnel (recommandé)

L’étalonnage de l’ALS dans le système intégré à l’aide de capteurs professionnels pré-étalonnés dans un environnement d’éclairage contrôlé est fortement recommandé. Ces capteurs pré-étalonnés, souvent appelés compteurs de lumière, sont disponibles à l’achat auprès des fournisseurs d’équipements électroniques et des détaillants en ligne.

Autres techniques d’étalonnage

Pour plus d’informations sur les autres outils de surveillance et d’étalonnage ALS, consultez l’article Microsoft Ambient Light Tool .

Validation du capteur de lumière

Dans un premier temps, vous devez toujours exécuter les tests du kit lab matériel Capteurs (c.-à-d. Entrée) pour valider le capteur de lumière ambiante. Vérifiez que toutes les exigences matérielles minimales et les tests du programme de compatibilité matérielle Windows réussissent.

Pour valider le bon fonctionnement du capteur de lumière ambiante :

• Vérifiez que DisplayEnhancementService est démarré.
• Activez la luminosité automatique et définissez le curseur sur 50 %.
• Vérifiez que la luminosité de l’affichage change lorsque l’éclairage change.
• Utilisez un gradateur de lumière pour augmenter et descendre lentement la lumière de l’environnement et vous assurer que les valeurs de lux s’accélèrent en douceur . Les changements de lumière grossières et discrètes entraînent une réponse de luminosité de l’écran sous-optimale et doivent être évités.
• Utilisez un luxmètre professionnel pour vous assurer que les relevés ALS sont exacts. Vérifiez au minimum les points suivants : 0, 10, 100, 500 et 1 000 lux.
• Dans les systèmes qui personnalisent uniquement la courbe ALR, testez le comportement avec les utilisateurs pour vérifier que les données ALR répondent aux attentes des utilisateurs.

Configuration matérielle minimale requise et programme de compatibilité matérielle Windows

La configuration matérielle minimale requise et les exigences du programme de compatibilité matérielle Windows sont essentielles pour créer des expériences de capteur compatibles Avec Windows. Bien que les programmes soient facultatifs, nous recommandons que les produits audio répondent aux deux ensembles d’exigences pour garantir une qualité audio de base.

Pour plus d’informations, consultez le Programme de compatibilité matérielle Windows.

Les sections suivantes couvrent les recommandations pour les capteurs. Pour garantir des expériences de haute qualité, tous les appareils doivent être testés par rapport à ces exigences de performances.

Courbe de réponse ambiante

Si un capteur de lumière ambiante signale une courbe de réponse à la lumière ambiante, il doit suivre :

La courbe de réponse du capteur doit avoir au moins deux points et le dégradé doit être positif ou plat. Pour plus d’informations, consultez la courbe de réponse.

Compatible avec les couleurs

Les capteurs de lumière ambiante ne sont pas nécessaires pour détecter la couleur. Si un capteur de lumière ambiante prend en charge la couleur, les propriétés, les seuils et les champs de données associés aux couleurs doivent être signalés. Un capteur de lumière compatible avec les couleurs doit signaler la propriété d’énumération suivante :

Un capteur de lumière compatible avec les couleurs doit signaler l’une des combinaisons suivantes de champs de données :

• Lux, kelvins, chromaticité x, chromaticité y
• Lux, chromaticité x, chromaticité y

Pour plus d’informations, consultez les champs de données du capteur de lumière.

Pour les champs de données de couleur que le capteur de lumière signale, les seuils doivent également être pris en charge. Un exemple doit être signalé lorsqu’au moins un seuil est atteint. Pour plus d’informations, consultez les seuils du capteur de lumière.

Propriétés des champs de données

Les capteurs de lumière ambiante doivent signaler les propriétés de champ de données requises. Pour plus d’informations, reportez-vous aux champs de données du capteur de lumière.

Types de données

Des capteurs de lumière ambiante sont nécessaires pour signaler les données de lumière. Pour plus d’informations, consultez Champs de données du capteur de lumière.

Intervalle de rapport minimal

Des capteurs de lumière ambiante non compatibles avec les couleurs dans Windows sont nécessaires pour prendre en charge un intervalle de rapport de 250 millisecondes ou moins. Les capteurs de lumière ambiante compatibles avec les couleurs dans Windows sont nécessaires pour prendre en charge un intervalle de rapport de 1 000 millisecondes ou moins.

Seuils

Des capteurs de lumière sont nécessaires pour prendre en charge les seuils sur lux. Si les seuils absolus sont pris en charge, le pourcentage et le seuil absolu de lux doivent être respectés pour qu’un échantillon de données soit signalé.

Supposons que le seuil absolu est de 1 lux et que le seuil de pourcentage est de 25 % :

Pour plus d’informations, consultez Seuils des capteurs de lumière

Luminosité automatique recommandée

Si un capteur de lumière ambiante est destiné à être utilisé avec la fonctionnalité de luminosité automatique, la propriété d’énumération suivante doit être signalée :

Il ne doit y avoir qu’un seul capteur de lumière ambiante signalant cette propriété sur un système.

Étalonnage des couleurs

Les capteurs de lumière ambiante ne sont pas nécessaires pour prendre en charge la couleur. Si un capteur de lumière ambiante prend en charge la couleur, il doit être correctement étalonné.

Alors qu’une source de lumière est dirigée directement vers le capteur :

• Le lux ambiant détecté est à 10 % ou 1 lux de la lumière entrante réelle
• Les chromaticités x et y détectées sont à moins de 0,025 de la lumière entrante réelle

Propriétés d’énumération

Un capteur de lumière ambiante doit signaler DEVPKEY_Sensor_ConnectionType même s’il ne s’agit pas d’une propriété d’énumération obligatoire pour certains autres capteurs

Est valide

Les capteurs de lumière ambiante ne sont pas tenus de signaler quand les échantillons de capteur de lumière sont valides ou non. Si un capteur de lumière ambiante prend en charge cela, le champ de données suivant doit être signalé :

Si la valeur PKEY_SensorData_IsValid change, un exemple doit être signalé, que les seuils aient été atteints.

Supposons que le seuil de lux est de 1 lux :

Étalonnage de la lumière

Le service de luminosité automatique dans Windows a besoin de capteurs de lumière pour signaler une mesure précise du niveau de lumière dans l’environnement. Lorsque la source de lumière est dirigée directement vers un capteur de lumière qui ne prend pas en charge la couleur, le niveau de lumière signalé doit être à moins de 4 %, ou au moins 1 lux du niveau de lumière entrant réel

Plage de lumière

Le service de luminosité automatique dans Windows doit être en mesure de détecter une plage raisonnable de niveaux d’éclairage de 1 à 10 000 lux. Si la plage est inférieure à celle-ci, la luminosité automatique ajustée peut ne pas être en mesure de correspondre à la luminosité réelle de l’environnement.

Voir aussi

• Luminosité adaptative
• Guide de conception du pilote de capteurs
• Utilisations IHM des capteurs