葉 程,劉 真*,張建青,吳明光
(1.上海理工大學(xué),上海 200093;2.南京師范大學(xué) 虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室,江蘇 南京 200046)
智能手機(jī)憑借著其日漸強(qiáng)大的功能和輕便、易隨身攜帶的優(yōu)點,已成為當(dāng)今人們?nèi)粘I罟ぷ鞑豢苫蛉钡闹匾ぞ撸謾C(jī)屏幕作為一種新型的視覺顯示器,其分辨率和圖像再現(xiàn)能力不斷提高,已成為顯示設(shè)備領(lǐng)域的重要組成部分。和其他顯示設(shè)備類似,手機(jī)屏幕的顯示效果會受到諸多自身和環(huán)境因素的影響。根據(jù)韋伯定律的原理,周圍環(huán)境的變化會對人眼對比度敏感視覺特性產(chǎn)生影響,不同環(huán)境照度和空間頻率下人眼的敏感程度不同[1]。M.R.Luo等研究者指出,不同手機(jī)亮度下手機(jī)屏幕的顯示特性不同、顯示色域存在差異,不同環(huán)境照度下手機(jī)屏幕的顯示會有不同的色貌表現(xiàn)[2-3]。上海理工大學(xué)的張建青等人的研究指出,在不同手機(jī)亮度下手機(jī)屏幕的色域、色域覆蓋率、通道獨立性及色品穩(wěn)定性均有不同[4]。然而以往的研究往往是單一的考慮環(huán)境照度或者手機(jī)亮度的改變對手機(jī)顯示效果的影響,很少綜合考慮環(huán)境照度和手機(jī)亮度之間的關(guān)系,并且研究方法主要集中在相應(yīng)理論模型的推導(dǎo)和硬件測試上,很少采取主觀評價實驗研究環(huán)境照度和手機(jī)亮度對顯示效果的影響。
針對手機(jī)使用環(huán)境多變的特點,目前世界上主要手機(jī)廠商生產(chǎn)的手機(jī)設(shè)備均具備亮度隨環(huán)境照度變化的自動調(diào)節(jié)功能。然而不同品牌手機(jī)之間的屏幕亮度自動調(diào)節(jié)方法不同,并沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),不同環(huán)境照度下手機(jī)自動調(diào)節(jié)的屏幕亮度是否能達(dá)到最優(yōu)的顯示效果還存在疑問。本文首先對常見的手機(jī)使用環(huán)境照度進(jìn)行測量,在測量的基礎(chǔ)上將三星Galaxy S3、諾基亞920和iPhone 4S三款手機(jī)分別置于14組不同的環(huán)境照度水平下對其亮度自動調(diào)節(jié)功能進(jìn)行測試。在測試的基礎(chǔ)上綜合三款手機(jī)的亮度自動調(diào)節(jié)效果,在6個有代表性的環(huán)境照度水平下分別選取4個手機(jī)亮度,并在這24個不同環(huán)境照度水平、不同手機(jī)亮度水平下進(jìn)行手機(jī)屏幕顯示質(zhì)量主觀評價實驗。根據(jù)主觀評價實驗的結(jié)果,在上述6個環(huán)境照度水平下分別將手機(jī)亮度調(diào)整至主觀評價得分最高的手機(jī)亮度水平與手機(jī)自動調(diào)節(jié)的亮度水平,對手機(jī)的亮度對比度、顯示顏色的飽和度以及色域范圍等客觀顯示質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行測量比較。最后結(jié)合主觀評價與參數(shù)測量的結(jié)果確定不同環(huán)境照度下手機(jī)屏幕亮度的最優(yōu)建議值。
測試目標(biāo)為三星Galaxy S3、諾基亞920和iPhone 4S。測量儀器為CS2000分光輻射亮度計、環(huán)境照度計。色彩管理軟件為ProfileMaker、Photoshop。數(shù)據(jù)分析軟件為Matlab、Excel。
實驗環(huán)境:標(biāo)準(zhǔn)暗室、GTI標(biāo)準(zhǔn)燈箱。
(1)對常見的手機(jī)使用環(huán)境的照度進(jìn)行測量并記錄數(shù)據(jù)。常見使用環(huán)境的照度見表1。
表1 手機(jī)常見使用環(huán)境的照度Tab.1 Environmental illumination of common used mobile phone environment
(2)將被測手機(jī)的各項參數(shù)調(diào)整到出廠時的預(yù)設(shè)狀態(tài),手機(jī)亮度調(diào)節(jié)方式調(diào)整至自動調(diào)節(jié)狀態(tài)。打開GTI標(biāo)準(zhǔn)燈箱的D65光源,通過燈箱的光源照度調(diào)節(jié)按鈕調(diào)節(jié)實驗室的環(huán)境照度,選取1000、900、800、700、600、500、400、300、250、200、150、100、50、0lx共14個環(huán)境照度水平用于模擬手機(jī)使用環(huán)境的照度。分別將3款被測手機(jī)放置在這14個環(huán)境照度水平下并讓手機(jī)全屏顯示標(biāo)準(zhǔn)白色塊,使用CS2000分光輻射亮度計測量手機(jī)所顯示白色塊的亮度值(Y刺激值)并記錄。
(3)將(2)中測得的數(shù)據(jù)采用多項式擬合的方法擬合出3款手機(jī)的自動調(diào)節(jié)亮度隨環(huán)境照度變化的關(guān)系曲線。
(4)在GTI標(biāo)準(zhǔn)燈箱的D65光源下選取800、600、400、300、150、0lx共6個環(huán)境照度水平作為手機(jī)屏幕顯示質(zhì)量主觀評價實驗的環(huán)境自變量。其中,照度800lx用于模擬室外明亮環(huán)境,照度600lx模擬室外陰暗環(huán)境,照度400、300、150lx分別用于模擬室內(nèi)明亮、中等和陰暗環(huán)境,照度0lx則用于模擬夜晚黑暗環(huán)境。在選取的6個環(huán)境照度水平下再分別選取4個手機(jī)亮度水平作為圖像質(zhì)量主觀評價實驗的手機(jī)亮度自變量。不同環(huán)境照度下選取的手機(jī)亮度水平如表2所示,其中手機(jī)亮度3為對應(yīng)環(huán)境照度下iPhone 4S的自動調(diào)節(jié)亮度,亮度值1和2高于亮度值3,亮度值4低于亮度值3。主觀實驗中環(huán)境照度為被試間變量,手機(jī)屏幕亮度為被試內(nèi)變量。
表2 主觀實驗環(huán)境照度及手機(jī)屏幕亮度Tab.2 Environment illumination and mobile phone brightness for subjective experiment
(5)在ISO標(biāo)準(zhǔn)圖像庫中選取ISO300N3、N4、N5、N6、N7共5幅標(biāo)準(zhǔn)圖像,這5幅圖涵蓋了人眼基本記憶色并能用于評價各項圖像質(zhì)量指標(biāo)。選取iPhone 4S作為手機(jī)屏幕顯示質(zhì)量主觀評價實驗的手機(jī)屏幕顯示器,相比于其他兩款被測手機(jī),iPhone 4S的手機(jī)亮度可變范圍更大并且能夠方便地手動調(diào)節(jié)屏幕亮度。主觀實驗所選用標(biāo)準(zhǔn)測試圖如圖1所示。
(6)選取8名年齡在20歲到25歲之間、男女各半、顏色視覺正常的觀察者進(jìn)行手機(jī)屏幕顯示質(zhì)量主觀評價實驗。觀察者在選取的不同環(huán)境照度、不同手機(jī)亮度下觀看iPhone 4S顯示的5幅標(biāo)準(zhǔn)圖像,并對屏幕顯示圖像的階調(diào)層次、色彩飽和度、圖像清晰度和人眼舒適度進(jìn)行評分,評價采用5級評分,5分表示優(yōu)秀、4分表示良好、3分表示中等、2分表示不良、1分表示極差。
圖1 主觀實驗所用ISO300標(biāo)準(zhǔn)測試圖像Fig.1 ISO300standard test image for subjective experiment
(7)將主觀實驗所得的數(shù)據(jù)使用Excel和Matlab軟件進(jìn)行處理,分別統(tǒng)計5幅標(biāo)準(zhǔn)圖像在不同環(huán)境照度、不同手機(jī)亮度下的階調(diào)層次、色彩飽和度、圖像清晰度和人眼舒適度得分。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計時,依據(jù)3個標(biāo)準(zhǔn)差原則將異常數(shù)據(jù)刪除以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。
(8)根據(jù)手機(jī)屏幕顯示質(zhì)量主觀評價實驗的評分結(jié)果,在(4)中所述的6個不同環(huán)境照度下分別將iPhone 4S的亮度調(diào)整至主觀評價實驗中綜合得分最高的亮度與手機(jī)自動調(diào)節(jié)的亮度,共得到12組不同的環(huán)境照度與手機(jī)亮度組合,并在這12組環(huán)境照度與手機(jī)亮度組合下分別顯示ProfileMaker色彩管理軟件內(nèi)置的99個LCD顯示器特征化色塊,使用CS2000分光輻射亮度計測量各色塊的色度數(shù)據(jù),利用測得的數(shù)據(jù)計算iPhone 4S在這兩個手機(jī)亮度下的亮度對比度、顏色飽和度。亮度對比度計算公式為:
式中:C表示亮度對比度,YW與YK分別為白色塊與黑色塊的Y刺激值。顏色飽和度的計算公式為:
式中:S表示顏色飽和度,a*與b*分別為所測色塊的CIE 1976LAB色度值。此外,將所測各色塊的色度數(shù)據(jù)讀入ProfileMaker中,并比較這兩個手機(jī)亮度下的色域范圍。
從表1的數(shù)據(jù)可以看到,除了某些特殊室外環(huán)境下的環(huán)境照度過高之外,手機(jī)常見的使用環(huán)境照度集中在0~1000lx,無陽光直射的室外環(huán)境下的照度在600~1000lx,室內(nèi)環(huán)境的照度則在0~600lx變化。
將CS2000分光輻射亮度計所測得的手機(jī)在14組不同環(huán)境照度下的自動調(diào)節(jié)亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合處理,得到被測3款手機(jī)屏幕自動調(diào)節(jié)亮度隨環(huán)境照度變化的關(guān)系見圖2。
圖2 手機(jī)自動調(diào)節(jié)亮度隨環(huán)境照度變化曲線Fig.2 Changing curves of mobile phone brightness with environmental illumination
從圖2中可以看出,隨著外界環(huán)境照度的增加,手機(jī)自動調(diào)節(jié)亮度總體呈上升趨勢,但3款手機(jī)的亮度變化趨勢又有不同。iPhone 4S的自動亮度可調(diào)節(jié)范圍大,在0~1000lx的環(huán)境照度范圍下,自動調(diào)節(jié)亮度范圍在14~496cd/m2,隨著環(huán)境照度的增加,iPhone 4S的手機(jī)亮度上升趨勢明顯,并且總體表現(xiàn)出線性上升的態(tài)勢。諾基亞920的自動亮度調(diào)節(jié)范圍較小,在0~1000lx的環(huán)境照度范圍下,自動調(diào)節(jié)亮度范圍在27~169 cd/m2,在環(huán)境照度大于400lx后,其自動調(diào)節(jié)亮度上升緩慢。三星Galaxy S3則介于前兩者之間,在0~1000lx的環(huán)境照度范圍下,自動調(diào)節(jié)亮度范圍在8~356cd/m2,環(huán)境照度在300lx以下時屏幕亮度上升趨勢明顯,環(huán)境照度在300~600lx時亮度上升趨勢趨緩,在環(huán)境照度高于600lx之后手機(jī)亮度的上升趨勢再一次加強(qiáng)。
在表2所示的不同環(huán)境照度和手機(jī)亮度水平下使用iPhone 4S分別顯示選取的5幅ISO標(biāo)準(zhǔn)圖像,由測試者觀察圖像并對手機(jī)的顯示效果從階調(diào)層次、色彩飽和度、圖像清晰度和人眼舒適度4個方面進(jìn)行評分。通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在所選取的6個環(huán)境照度水平下,iPhone 4S在手機(jī)亮度1和2下的各項質(zhì)量指標(biāo)得分高于亮度3和4下的得分,在亮度1和亮度2下除了人眼舒適度得分大致相同外,亮度1的其他3項得分均高于亮度2下的對應(yīng)得分。由于篇幅所限,下面以ISO300N5標(biāo)準(zhǔn)圖的得分情況為例進(jìn)行具體說明,其它標(biāo)準(zhǔn)圖的得分情況類似。
表3是不同環(huán)境照度、不同手機(jī)亮度下被試圖像ISO300N5所得的階調(diào)層次平均分及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。從表中可以看出,在環(huán)境照度不變的情況下手機(jī)亮度4至亮度1的階調(diào)層次得分依次上升,可見隨著手機(jī)亮度的升高,手機(jī)屏幕的階調(diào)層次再現(xiàn)能力增強(qiáng)。被試手機(jī)在所測環(huán)境照度下自動調(diào)節(jié)的亮度值偏暗,并非再現(xiàn)圖像階調(diào)層次的最優(yōu)亮度值。
表3 不同環(huán)境照度、手機(jī)亮度下ISO300N5的階調(diào)層次得分Tab.3 Scores of tone under different environmental illumination and different mobile phone brightness
表4是不同環(huán)境照度、不同手機(jī)亮度下被試圖像ISO300N5所得的色彩飽和度平均分及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。從表中可以看出,在環(huán)境照度不變的情況下手機(jī)亮度4至亮度1的色彩飽和度得分依次上升,可見隨著手機(jī)亮度的升高,手機(jī)屏幕的色彩再現(xiàn)能力增強(qiáng)。被試手機(jī)在所測環(huán)境照度下自動調(diào)節(jié)的亮度值偏暗,并非再現(xiàn)圖像色彩的最優(yōu)亮度值。
表4 不同環(huán)境照度、手機(jī)亮度下ISO300N5的色彩飽和得分Tab.4 Scores of color saturation under different environmental illumination and different mobile phone brightness
表5 不同環(huán)境照度、手機(jī)亮度下ISO300N5的清晰度得分Tab.5 Scores of color clarity under different environmental illumination and different mobile phone brightness
表5是不同環(huán)境照度、不同手機(jī)亮度下被試圖像ISO300N5所得的圖像清晰度平均分及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。從表中可以看出,在環(huán)境照度不變的情況下手機(jī)亮度4至亮度1的圖像清晰度得分依次上升,可見隨著手機(jī)亮度的升高,手機(jī)屏幕顯示圖像的清晰度增強(qiáng)。被試手機(jī)在所測環(huán)境照度下自動調(diào)節(jié)的亮度值偏暗,并非獲得優(yōu)秀圖像清晰度的最優(yōu)亮度值。
表6是不同環(huán)境照度、不同手機(jī)亮度下被試圖像ISO300N5所得的人眼舒適度平均分及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。從表中可以看出,在環(huán)境照度不變的情況下手機(jī)亮度1和2的人眼舒適度得分大致相當(dāng),均高于亮度3和4下的得分??梢娫谕饨绛h(huán)境照度不變的情況下,在一定亮度范圍內(nèi)隨著手機(jī)屏幕亮度的增加,被試者的人眼舒適度增加。但手機(jī)亮度并非越高越好,手機(jī)亮度增加到一定值后,人眼舒適度的改善趨勢變緩,甚至?xí)霈F(xiàn)人眼舒適度降低的情況。被試手機(jī)在所測環(huán)境照度下自動調(diào)節(jié)的亮度值偏暗,并非獲得良好人眼舒適感受的最優(yōu)亮度值。
表6 不同環(huán)境照度、手機(jī)亮度下ISO300N5的人眼舒適得分Tab.6 Scores of color clarity under different environmental illumination and different mobile phone brightness
在主觀實驗所用的6個環(huán)境照度下將iPhone 4S的屏幕亮度分別調(diào)整至主觀實驗中綜合得分最高的手機(jī)亮度值(以下簡稱主觀亮度)與手機(jī)自動調(diào)整的亮度值(見表2,以下簡稱自動亮度)并對手機(jī)在這兩種亮度下的亮度對比度、顏色飽和度和色域范圍進(jìn)行測量。測量結(jié)果表明,相比于手機(jī)在自動亮度下的顯示效果,不同環(huán)境照度下iPhone 4S的屏幕亮度為主觀亮度時的亮度對比度、顏色飽和度和色域范圍均有明顯的改善。下面對iPhone 4S在兩個不同手機(jī)亮度下的亮度對比度變化做具體說明;以紅、青色塊為例對iPhone 4S在兩個不同手機(jī)亮度下的顏色飽和度變化做具體說明,其他被測的顏色飽和度變化情況類似;以800lx的環(huán)境照度下手機(jī)的色域范圍為例對兩個不同手機(jī)亮度下的色域范圍變化做具體說明,其他環(huán)境照度下的色域變化情況類似。不同環(huán)境照度下的主觀亮度如表7所示。
表7 主觀實驗中綜合得分最高的屏幕亮度值Tab.7 Optimal values of mobile phone screen brightness in subjective experiments
圖3所示為iPhone 4S在6個環(huán)境照度下手機(jī)屏幕亮度分別為主觀亮度和自動亮度時亮度對比度數(shù)值,圖中數(shù)據(jù)顯示手機(jī)在主觀亮度下的亮度對比度均高于自動亮度下的亮度對比度數(shù)值,可見當(dāng)手機(jī)亮度調(diào)整至主觀亮度時將會獲得更好的圖像清晰度與更大的階調(diào)變化范圍。
圖3 不同環(huán)境照度、手機(jī)亮度下的屏幕亮度對比度Fig.3 Contrast value of mobile phone under different environmental illumination and mobile phone brightness
圖4中上、下方兩組數(shù)據(jù)分別為iPhone 4S在6個環(huán)境照度下手機(jī)屏幕亮度分別為主觀亮度和自動亮度時所顯示紅、青色塊的顏色飽和度,可以看出紅、青色塊在主觀亮度下的顏色飽和度高于自動亮度下的顏色飽和度數(shù)值,可見當(dāng)手機(jī)亮度調(diào)整至主觀亮度時將會獲得更好的色彩再現(xiàn)效果。
圖4 不同環(huán)境照度、手機(jī)亮度下的紅、青色塊顏色飽和度Fig.4 Saturation values of red and cyan under different environmental illumination and mobile phone brightness
圖5所示為iPhone 4S在800lx的環(huán)境照度下亮度調(diào)整至主觀亮度與自動亮度時的色域范圍,為了直觀地比較二者的差異,圖中主觀亮度下的色域采用散點進(jìn)行表示,自動亮度下的色域范圍則采用深灰色多面體進(jìn)行表示,可以看出手機(jī)在主觀亮度下的色域基本包含了自動亮度下的色域,可見當(dāng)手機(jī)亮度調(diào)整至主觀亮度時能顯示更多的顏色。
圖5 800lx環(huán)境照度下兩種手機(jī)亮度對應(yīng)的色域范圍Fig.5 Gamut range of two different mobile phone brightness corresponding to the 800lx environment illumination
綜合不同環(huán)境照度與手機(jī)亮度組合下手機(jī)屏幕顯示質(zhì)量主觀評價實驗中iPhone 4S所顯示5幅標(biāo)準(zhǔn)圖像的階調(diào)層次、色彩飽和度、圖像清晰度、人眼舒適度的得分以及測得的亮度對比度、顏色飽和度、色域范圍等客觀顯示質(zhì)量參數(shù),分析得出不同環(huán)境照度下的手機(jī)亮度最優(yōu)值。將得到的最優(yōu)值數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合,并與iPhone 4S在亮度自動調(diào)節(jié)狀態(tài)下的亮度曲線進(jìn)行比較。擬合后的手機(jī)最優(yōu)亮度曲線見圖6。
圖6 不同環(huán)境照度下手機(jī)亮度最優(yōu)值Fig.6 Optimal values of mobile phone brightness under different environment illumination brightness
本文研究結(jié)果表明,外界環(huán)境照度的改變和手機(jī)亮度的變化均會影響到手機(jī)屏幕的顯示質(zhì)量,在環(huán)境照度不變的情況下,適當(dāng)提高手機(jī)屏幕的顯示亮度能有效地改善手機(jī)屏幕的階調(diào)層次、色彩飽和度和清晰度的再現(xiàn)能力,獲得更好的顯示質(zhì)量,并能提高人眼觀看的舒適度。在800lx的環(huán)境照度下,手機(jī)屏幕最優(yōu)亮度值為496cd/m2,在600lx的環(huán)境照度下,手機(jī)屏幕最優(yōu)亮度值為470cd/m2,在400lx的環(huán)境照度下,手機(jī)屏幕最優(yōu)亮度值為436cd/m2,在300lx的環(huán)境照度下,手機(jī)屏幕最優(yōu)亮度值為308 cd/m2,在150lx的環(huán)境照度下,手機(jī)屏幕最優(yōu)亮度值為170cd/m2,在0lx的環(huán)境照度下,手機(jī)屏幕最優(yōu)亮度值為55cd/m2。
[1]Margaret H P,Stephen W.A new standardized method for objectively measuring video quality[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2004,50(3):312-322.
[2]Park Y K,Luo M R,Li C J,et al.Correcting veiling glare of refined CIECAM02for mobile display [J].Color Research and Application,2013,38(1):14-21.
[3]Park Y K,Li C J,Luo M R,et al.Applying CIECAM02for mobile display viewing conditions[C].Fifteenth Color Imaging Conference,2007:189-173.
[4]常鋒,孫志遠(yuǎn),王瑞光,等.LED顯示圖像的非均勻度校正改進(jìn)方法[J].光學(xué)精密工程,2011,19(4):929-937.Chang F,Sun Z Y,Wang R G,et al.Improvement of non-uniformity correction of LED display images[J].Opt.Precision Eng.,2011,19(4):929-937.(in Chinese)
[5]朱明,劉真,陳廣學(xué).基于分區(qū)紐階堡方程的6色印刷分色模型研究[J].光學(xué)學(xué)報,2011,31(7):868-871 Zhu M,Liu Z,Chen G X.Research on six-color separation model based on subarea neugebauer equations[J].Acta Optica Sinica,2011,31(7):868-871.(in Chinese)
[6]張建青,劉真,盧智平,等.IPAD IPHONE顯示性能測試研究[J].液晶與顯示,2014,29(1):40-47.Zhang J Q,Liu Z,Lu Z P,et al.Study on display performance test of IPad and IPhone[J].Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays,2014,29 (1):40-47.(in Chinese)
[7]張茜,劉真,張建青,等.iPhone 4S手機(jī)屏幕顯色特性研究[J].包裝工程,2013,34(17):88-91.Zhang X,Liu Z,Zhang J Q,et al.Color characteristics of iPhone 4S [J].Packaging Engineering,2013,34(17):88-91.(in Chinese)
[8]宋超,王瑞光,陳宇,等.LED顯示屏色域邊界的快速計算[J].發(fā)光學(xué)報,2013,34(7):924-929.Zhang X,Liu Z,Zhang J Q,et al.Color Characteristics of iPhone 4S[J].Packaging Engineering,2013,34(17):88-91.(in Chinese)
[9]張顯斗,徐海松,王勇.彩色顯示器亮度和對比度的最優(yōu)化設(shè)置[J].光電子·激光,2007,18(4):407-410.Zhang X D,Xu H S,Wang Y.Optimal brightness and contrast settings for color displays[J].Journal of Optoelectronics · Laser,2007,18(4):407-410.(in Chinese)
[10]李宏汀,張艷霞,徐偉丹,等.不同環(huán)境照度下手機(jī)屏幕亮度最優(yōu)參數(shù)研究——以三星某手機(jī)為例[J].心理科學(xué),2013,36(5):1110-1116.Li H T,Zhang Y X,Xu W D,et al.Study on the optimal parameters of mobile phone screen brightness of different environment illumination[J].Psychological Science,2013,36(5):1110-1116.(in Chinese)