自恢复的电子纸屏幕显示管理策略研究

李庆诚等：自恢复的电子纸屏幕显示管理策略研究　文章编号：１００６—６２６８（２０１　１）０１／０２—００２０—０５　

引　基金项目：国家８６３计划“新型平板显示技　

术”重大项目（２００８ＡＡ０３Ａ３３４）　

自恢复的电子纸屏幕显示　

管理策略研究　李庆诚，宫晓利，马捷，李幼萌　（南开大学信息技术科学学院，南开大学软件学院，天津３０００７１）　

摘　要：电子纸电子书阅读器的技术不断进步．但是电子纸屏幕始终存在刷新速度慢、屏幕残影　和清除残影刷新闪烁的问题，增加了电子纸屏幕控制软件的设计复杂度。文章提出了屏幕衰老和　屏幕恢复的概念，基于此概念对电子纸屏幕刷新过程的用户阅读舒适度建立数学模型描述，针对　该模型提出了自恢复的屏幕管理算法，并通过实验验证了算法的有效性。　关键词：电子纸；屏幕老化：屏幕恢复；自恢复　中图分类号：ＴＮ８７３　文献标识码：Ｂ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ＳｅＩｆ—Ｈｅａｌｔｈｉｎｇ　Ｅ－Ｐａｐｅｒ　Ｓｃｒｅｅｎ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｐｏｌｉｃｙ　ＬＩ　Ｑｉｎｇ－ｃｈｅｎｇ，ＧＯＮＧ　Ｘｉａｏ－ｌｉ，ＭＡ　Ｊｉｅ，ＬＩ　Ｙｏｕ－ｍｅｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ，Ｎａｎｋａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅ—ｐａｐｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｅｂｏｏｋ　ｒｅａｄｅｒｓ　ａｒｅ　ｂｅｃｏｍｉｎｇ　ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｄｒａｗｂａｃｋｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅ－ｐａｐｅｒ　ｓｃｒｅｅｎｓ：ｓｌｏｗ　ｒｅｆｒｅｓｈ，ｇｈｏｓｔ　ｉｍａｇｅｓ，ａｎｄ　ｂｌｉｎｋｉｎｇ　ｗｈｅｎ　ｃｌｅａｒｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｓｃｒｅｅｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｒｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｓｃｒｅｅｎ　ａｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｃｒｅｅｎ　ｈｅａｌｔｈｉｎｇ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｅ－ｐａｐｅｒ　ｓｃｒｅｅｎ　ｒｅｆｒｅｓｈ　ａｎｄ　ｒｅａｄｉｎｇ　ｃｏｍｆｏｒｔ，ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｔｈｉｎｇ　ｓｃｒｅｅｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｎｄ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅ－ｐａｐｅｒ；ｓｃｒｅｅｎ　ａｇｉｎｇ；ｓｃｒｅｅｎ　ｈｅａｌｔｈｉｎｇ；ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｔｈｉｎｇ　

目　随着电子媒介读物的增多，电子书阅读器需求　的不断扩大，越来越多的电子阅读器产品出现在市　场中。据美国消费电子协会公布的数据显示，电子阅　读器市场去年营收增长２６５％，是发展速度最快的　

产品之一。最新报告显示，从２００８年到２０１３年，全　球电子阅读器市场将保持１２４％的年复合增长率，　并将在２０１　３年底突破百亿美元规模。其中，类纸型　电子书阅读器以屏幕无需背光、阅读不耗电等特性，　成为电子阅读器中一个主要的分支，并且随着类纸　型电子书阅读器的不断普及，类纸型电子书已经逐　渐成为电子书的代名词。但是，类纸屏幕由于其材料　

２０现代显示Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｄｉｓｐｌａｙ　Ｊａｎ—Ｆｅｂ．２０１１，总第１２０－１２１期　收稿日期：２０１０—１１－１８　李庆诚等：自恢复的电子纸屏幕显示管理策略研究　特性，存在刷新速度慢、刷新屏幕闪烁、屏幕残影等　问题，给电子书阅读器带来了不好的用户体验。因　此，如何合理地利用类纸显示屏幕的优点，同时避其　短处，达到最佳的阅读效果，是电子书阅读器设计过　程中需要解决的一个重要问题。　１　电子纸技术概述　电子纸屏幕可以分为电泳显示、电子粉流体、胆　甾相液晶、向列相液晶等，目前最为成熟的当属电泳　电子纸屏幕【１】。该技术于１　９６９年被提出，其模型如　图１所示，有色带电粒子在电极的作用下穿过电泳　液到达屏幕上层并显现稳定的颜色。目前市场上广　泛使用的Ｅ—Ｉｎｋ屏幕，以及国内的相关研究都是采　用该技术口一。通常，基于该技术的屏幕有两种主要的　刷屏模式：灰度刷新模式（ｇｒａｙｓｃａｌｅ　ｕｐｄａｔｅ）和清除　刷新（ｃｌｅａｒ　ｕｐｄａｔｅ）。灰度刷新模式时，电子纸屏幕　通过电极加电将颜色粒子送到相应的位置，除显示　速度稍慢外，刷新效果与普通的ＴＦＴ或ＣＲＴ显示屏　基本相同。但是由于工艺精度、生产成本等多种原　因，电泳操作并不能达到理想的状态，有些粒子会停　止在中间态或是错误状态，随着控制过程中累计误　差的叠加，电子纸屏幕会出现残影，影响阅读效果。　清除刷新模式时，首先会让颜色粒子进行一次完全　电泳，确保粒子正确到达稳定的状态，然后再进行灰　度刷新。从屏幕显示的现象上，刷新的区域首先会全　部变为黑色，然后全部成为白色，最后再稳定成为所　需显示的图像。这一过程有优化显示效果，去除残影　的作用，但是黑白反色闪烁会对用户产生强烈的视　觉刺激，严重影响用户的使用舒适度。　图１　电子纸显示原理示意图　为了提升用户体验，通常大量使用灰度刷新模　式，随着刷新次数的增多，屏幕上留下的残影程度逐　渐加重，显示质量逐渐变差，这一过程称为电子纸屏　幕老化。清除刷新可以达到清除残影的效果，因此，　屏幕上存在一定程度的残影后，需要进行清除刷新　以达到恢复显示效果的目的，这一过程称为电子纸　屏幕恢复。　为了达到用户阅读效果的最佳状态，在类纸电　子阅读器软件开发过程中，除了要定制阅读相关的　功能外，还要定制每次屏幕刷新的模式，这增加了软　件设计的复杂度，而且使得阅读器软件的通用性和　可移植性下降。因此，需要向系统中添加屏幕刷新管　理的中间层，该层对ＧＵＩ等应用程序提供通用的屏　幕刷新接口，同时控制屏幕的老化程度，并通过合理　的屏幕恢复操作，达到最佳的使用效果。　

２　系统建模　用二维矩阵Ｓ描述电子纸屏幕，矩阵中的每一　个单元对应屏幕上的一个显示单元，该单元是屏幕　衰老度控制的最小单位，矩阵的维度即屏幕用该单　元描述时的分辨率。该单元的值表示对应显示单元　的衰老程度，对于初始化状态Ｓ０，所有元素均为０。　每一个刷屏操作ｆ由一个与屏幕等维度的矩阵表　示，与屏幕上的显示单元相对应，如果该显示单元需　要刷新，则该矩阵元素值为１，否则为Ｏ。对于每一个　刷屏操作，为其设置刷新模式选择函数ｍ　。当刷新　模式为灰度刷新时，刷新区域中屏幕的衰老度叠加，　而清除刷新模式时，刷新区域中屏幕的衰老度首先　会恢复到初始状态，然后再刷新到该次请求区域的　衰老度。屏幕刷新过程的模型表达如式（２）所示。　

，　、ｆＯ，ｉｆ　Ｇｒａｙｓｃａｌｅ　Ｕｐｄａｔｅ　，　、　ｍ【　）＝Ｉ１．ｉｆ　Ｃｌｅａｒ　Ｕｐｄａｔｅ　…　

，、ｆ　１＋　，（ｍ（　）＝０）　，，、、　。　一【　一（Ｓ　Ｉ　）＋　，（ｍ（　）＝１）　‘　

在电子纸阅读器的使用过程中，屏幕给用户的　不适感可以简化为两部分：残影引起的不适Ｈ和清　除刷新时的闪烁刺激Ｍ。其中，Ｈ是由当前屏幕的　衰老程度决定的，可以将其如下建模：　Ｄｉ＝Ｈ（ｓ　）＋Ｍ（　）　（３）　

Ｈ（Ｓ）＝　Ｓ（　，　）ｘＷｅｉｇｈｔ（Ｓ（　，川（４）　ｉ　而对于清除刷新，通过实验观察发现，无论刷新　

区域大小，用户都会感受到黑白的剧烈变化，这种对　视觉的刺激和对阅读注意力的影响受区域面积和位　置的影响不大。因此，对其进行如下建模：　Ｍ（　）＝Ｆｘ　ｒｎ（　）　（５）　基于此建模方式，在屏幕刷新过程中，一旦选择　了清除刷新，将刷新区域扩展到整个屏幕区域，以达　

Ｊａｎ－Ｆｅｂ．２０１１，总第１２０－１２１期　现代显示Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｄｉｓｐｌａｙ　２１　李庆诚等：自恢复的电子纸屏幕显示管理策略研究　到最佳的去残影效果。因此，刷屏操作的模型可简化　为式（６）：　ＳＦ（（７一ｍ（　））ｇＳｉ一７＋ｍ（　）９Ｓｏ）＋　（６）　同时，可以将屏幕刷新反感度化简为：　Ｄｉ＝Ｈ（Ｓｉ）×（１一ｍ（　））＋（　（　）＋Ｆ）Ｘ　ｍ（ｆｉ）（７）　屏幕达到一定的衰老度Ｇ会无法阅读，因此，　此问题变成在约束条件Ｍａｘ（Ｓ（ｉ，　＜Ｇ的条件下，对　于一系列刷新操作｛ｆ７，　…　，选择一个刷屏的序列　ｎ　｛ｍ（＾），ｍ（　…ｒｅ（Ｌ）），使得　Ｄ（¨取得最小值。　』：７　这一问题可以化规为０１背包问题，是已知的　

ＮＰ完全问题。对于屏幕刷新这类需要即时响应用户　操作的任务来说，显然无法承受这样的运算复杂度，　必须通过高效的方式获取近似最优解。　

３近似最优解　如果仅计算每一次的刷新操作，一次操作对使　用反感度的贡献值如式（７）所示。为了达到最佳的用　户体验，使用贪心算法，取得每次刷新时的最优值，　得出算法１：　

ｍ　，＝｛　：　：Ｚ；量　Ｚ；　；：　；ｃ算法　

在实际刷屏控制和用户使用的过程中，由于用　户长期以来对纸质印刷品的使用过程中也存在一定　程度的残影，因此用户对小范围和浅程度残影的接　受程度是远大于屏幕反色的刺激程度的，即Ａｇｅ（Ｓｉ）　＜～时，Ｈ　＝Ｆ，Ｈ（Ｓｉ）＝Ｆ。因此，算法１在模拟实验的　过程中，表现为屏幕的衰老度不断累积，直到残影累　积到很高的程度，屏幕残影的权重足够大时，才能够　在计算权重时起到效果。而通过实际的用户调查发　现，用户对残影的反感度并不是连续变化的，而是阶　段性的增长。这使得算法１在运行过程中仅有高衰　老度的区域在计算过程中有效。在使用过程中，表现　为屏幕衰老达到一定的严重程度时才能触发清除刷　新。这样的剧烈变化并不会收到很好的用户体验效　果，并且，每次计算整个屏幕的衰老度，而统计大量　衰老度低的显示单元对结果并无影响，也是对系统　资源的浪费。因此，我们对算法１进行了一些优化，　得到算法２。　因为屏幕的衰老度仅因灰度刷新而增长，因此，　算法２中仅计算灰度刷新区域的衰老度。首先假设　刷新操作使用灰度刷新，预测屏幕的衰老度变化，并　

且预测此次变化的用户反感度Ｒ　Ｒ　＝　∑∑ｗｅｉｇｈｔ（Ｓｉ　Ｉ　）　Ａｒｅａ（　）　如果用户的反感度已经开始引起用户不悦，则　使用清除刷新，否则使用灰度刷新。因此，定义用户　不悦的反感度Ｐ，算法２描述为：　ｍ（　）：１，ｉｆ（Ｒｉ￣Ｐ０　ｉｆ（Ｒ　（算法２）　ｍＩ　）＝　

ｉ　Ｐ）　【．鼻　２）　

４　实验验证　首先，在６００　Ｘ　８００的屏幕区域范围内，随机生　成５，０００个矩形区域的刷屏请求。如果不进行任何　清除刷新操作，所有请求刷新完毕后，屏幕的衰老程　度如图２所示。　

２５００　２０００　１５００　ｌ０００　５００　０　６００　

图２初始化数据分布图　通过对用户的体验进行调查，将用户对于残影　的反感度如下建模：