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Evaluation of the Spatial and Temporal Resolution of Digital Projectors for use in Full-Field Flight Simulation

  • James P. Gaska
  • George A. Geri
  • Marc D. Winterbottom
  • Byron J. Pierce
Conference paper

Abstract

Digital projectors based on liquid crystal or micro-mirror technologies provide higher spatial resolution than the CRTs typically used in flight-simulator applications. However, their temporal response is limited by long hold-times. Hold-time is the interval that pixels are activated during each frame, and it is related to both the design of the driver circuitry and the display itself. Long hold-times result in the blurring of moving imagery, which can affect the detection and identification of simulated targets as well as the perceived realism of simulated scenes. Described here are the results of an evaluation of several digital projectors that implement various techniques for reducing pixel hold-time. The evaluation included estimates of both spatial and temporal resolution, as well as perceptual tests used to assess the validity of those estimates. The techniques described here can be used to assess the potential utility of candidate projectors for a given simulator application. The following projectors were tested: ferro-electric liquid crystal on silicon (FLCoS), liquid crystal on silicon (LCoS), liquid crystal (LCD), digital light projector (DLP, a digital micro-mirror device, or DMD), and cathode ray tube (CRT). The hold-time of the FLCoS and LCD projectors was varied using mechanical shutters, and the hold-time of the DLP projector was varied using an electronic shutter. The CRT and LCD projectors were used mainly for comparison and so their hold-times were not varied.

The number of resolved lines for the projectors tested ranged from about 1,200 lines for the CRT projector to about 4,000 lines for the DLP and LCoS projectors. Projector hold-times ranged from less than 1 ms for the CRT to about 16.7 ms (i.e., the full video frame) for the LCD. For the CRT projector, perceived blur, as measured using the moving-line test, increased from about 5 to 12 arcmin as target speed increased from about 5 to 68 deg/s. For the LCD, LCoS, and DLP projectors tested with hold-times of over 10 ms, perceived blur increased from 5 to 10 arcmin for target speeds below 10 deg/s to 40-60 arcmin for target speeds greater than about 50 deg/s. As hold-time was decreased for the LCoS and DLP projectors, perceived blur also decreased, although the decrease was generally proportional to target speed. For the LCoS and DLP projectors, perceived blur was not significantly different from that of a CRT when hold-time was reduced to about 4-6 ms. The threshold roll-detection magnitudes were about 10, 14, and 16 deg for aircraft-target speeds of 8, 17.5, and 35 deg/s, respectively. These data indicate a clear correlation between the roll-detection data and both the temporal-response measurements and the moving-line test data.

The U.S. Air Force and Navy are considering, or are in the process of, replacing CRT displays with digital displays for use in flight simulators. However, low temporal resolution and concomitant moving-image blur is a significant problem for the use of these digital displays. The display evaluation techniques developed at AFRL, Mesa provide a relatively simple way to objectively measure both display spatial and temporal resolution, and additionally, to predict their perceptual consequences. The results of these evaluations show that, for all projector types tested, reducing hold-time to about 4-6 ms effectively reduced moving-image blur to that of a CRT projector, which is currently the accepted standard for projector temporal response. Finally, the results of the temporal-resolution measurements were found to correlate with performance on an air-to-air task that is representative of those performed in full-field flight simulators. In order to assess projectors in applied settings, analogous tasks will need to be devised and implemented for the flight simulators of interest.

Keywords

Temporal Response Head Mount Display Target Speed Flight Simulator Digital Display 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Sommaire

Le flou des images mobiles est un problème important, surtout pour les écrans numériques (c.-à-d. à cristaux liquides ou à micromiroirs) des applications d’entraînement au pilotage et de simulation de vol. La réponse temporelle limitée des écrans numériques, qui cause le flou dans les images mobiles, est une conséquence de deux caractéristiques principales : 1) lenteur de l’activation et de la désactivation, et 2) longue durée de maintien (c.-à-d. le temps pendant lequel les pixels persistent sur chaque image), et elle est liée tant à la conception du circuit pilote qu’à celle de l’écran lui-même. Nous présentons ici les résultats d’une évaluation de plusieurs écrans numériques mettant en œuvre diverses techniques permettant de réduire la durée de maintien des pixels. Les techniques utilisées ici font partie d’une procédure d’évaluation d’écrans conçue pour quantifier les caractéristiques spatiales et temporelles des écrans utilisés dans les simulateurs de vol. Plusieurs types d’écrans d’affichage ont été testés : des écrans à cristaux liquides ferroélectriques sur silicium (FLCoS), des écrans à cristaux liquides sur silicium (LCoS), des écrans à cristaux liquides (LCD), un projecteur numérique (DLP) (dispositif numérique à micromiroirs) et un projecteur à tube cathodique. Dans certains cas (projecteur à tube cathodique et un projecteur à cristaux liquides), les affichages ont surtout servi pour comparaison et ils n’ont pas été modifiés. Par contre, plusieurs écrans d’affichage ont été modifiés au moyen d’obturateurs mécaniques ou électroniques afin qu’on puisse régler la durée de maintien. Nous avons testé plusieurs de ces projecteurs : FLCoS (obturateur électronique), LCD (obturateur mécanique), LCoS (obturateur mécanique) et DLP (obturateur électronique).

La définition spatiale, fondée sur une technique basée sur la norme VESA, allait d’environ 1200 lignes pour un affichage à tube cathodique à près de 4000 lignes pour les affichages DLP et LCoS. La réponse temporelle, ou durée de maintien, allait de près de 16,7 ms (image vidéo complète) à environ 1 ms. Ainsi, les diverses méthodes utilisées pour réduire la durée de maintien se sont révélées efficaces. Par contre, la répartition de la luminosité, en réponse à une mire de 30 Hz, a varié considérablement en fonction du type d’écran d’affichage. Les écrans FLCoS et DLP fonctionnaient selon la modulation d’impulsions en durée et, par conséquent, présentaient des courbes de réponse en ondes carrées. Les écrans LCD et LCoS présentaient des temps d’activation et de désactivation plus lents, tandis que les écrans à tube cathodique, comparativement aux projecteurs LCD et LCoS, présentaient essentiellement une réponse en impulsions. À mesure que la vitesse d’essai a augmenté à près de 70 degrés par seconde, le flou perçu variait considérablement en fonction du type d’affichage. Le flou perçu était pire avec les écrans LCD non modifiés et LCD, LCoS et FLCoS lorsque la durée de maintien n’était pas réduite. Le flou perçu dans ces cas atteignait jusqu’à 60 minutes d’arc. Dans le cas des affichages à tube cathodique, et pour les affichages à durée de maintien réduite, le flou perçu était considérablement réduit. Dans le cas des écrans LCoS à obturateur mécanique, le flou perçu n’était pas vraiment différent de celui d’un écran à tube cathodique lorsque la durée de maintien était réduite à 4 ms ou moins.

L’Air Force et la Navy des États-Unis envisagent, ou sont en train, de remplacer les écrans à tube cathodique par des écrans numériques dans les simulateurs de vol. Toutefois, une faible définition temporelle et le flou d’images mobiles connexe constituent un problème important dans l’utilisation de ces écrans numériques. Les techniques d’évaluation des affichages mises au point à l’AFRL, à Mesa, offrent un moyen relativement simple de mesurer objectivement les définitions spatiale et temporelle et, de plus, de prédire leurs conséquences sur la perception. En outre, les résultats de ces évaluations montrent que la réduction de la durée de maintien, quel que soit le type d’affichage, est un moyen efficace de réduire le flou des images mobiles. Bien que l’effet du flou sur des tâches pertinentes en mission air-air et air-sol reste à déterminer, la réduction de la durée de maintien de 4 à 8 millisecondes était suffisante pour les images testées dans le cadre de la présente étude.

Notes

Acknowledgements

This work was supported by U.S. Air Force contract FA8650-05-D-6502. In addition, the following agencies provided financial and/or technical support for this research: Air Combat Command (ACC/A8AT), Secretary of the Air Force International Affairs (SAF/IA), and Defence Research and Development Canada. We thank Bill Morgan (The Boeing Co.) for developing the simulation and data collection software. The digital displays evaluated here were provided by Barco Simulation (LCD, LCoS), Christie Digital (DLP), and Kaiser Electro-Optics (LCoS). The views expressed here are those of the authors and do not reflect the official policy or position of the Department of Defense or the US Government.

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Copyright information

© Springer Science+Business Media, LLC 2010

Authors and Affiliations

  • James P. Gaska
    • 1
  • George A. Geri
    • 1
  • Marc D. Winterbottom
    • 2
  • Byron J. Pierce
    • 2
  1. 1.Link Simulation and TrainingMesaUSA
  2. 2.Air Force Research LaboratoryMesaUSA

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