關(guān)于顯示屏環(huán)境光對比度測量的討論

吳蔚華，李 強

（國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 整機性能檢測室，北京 100015）

顯示屏光學性能的測量一般是在光學暗室（環(huán)境光照度＜1 lx）內(nèi)進行的。但是在實際使用時，都有一定的環(huán)境光照度。在不同環(huán)境光的作用下，觀看效果大不相同，例如手機、平板PC、電子書以及照相機攝像機的顯示屏幕。對于顯示設(shè)備，不同環(huán)境光照度下，觀看效果不一樣，在比較亮的環(huán)境光條件下，如在戶外使用上述產(chǎn)品時，由于環(huán)境光的影響，顯示屏幕上的內(nèi)容無法看清。而在比較暗的房間里使用時，顯示屏對人眼的刺激又感覺太亮。

1 環(huán)境光對比度

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，平板電腦越來越多地走入大眾生活，手機產(chǎn)品也不再是單純的通訊工具。手機和平板電腦已經(jīng)成為人們隨時隨地享受娛樂、暢游網(wǎng)絡(luò)的移動顯示設(shè)備。人們會在不同的場所使用顯示設(shè)備，包括室內(nèi)場所和室外環(huán)境。

依據(jù)國家相關(guān)建筑照明標準GB 50034—2004《建筑照明設(shè)計標準》[1]的規(guī)定，不同房間或場所的建筑照明值應符合一定的標準要求。室內(nèi)建筑照明標準值一般在100～300 lx左右。有些場所的照度值差異較大，如旅館客房走廊建筑照明應符合50 lx，醫(yī)院手術(shù)室建筑照明應符合750 lx，而有些體育賽事的轉(zhuǎn)播建筑照明標準值應符合1000 lx。

對室外環(huán)境來說，不同氣候條件帶來的環(huán)境光差別更大。晴天時的環(huán)境光照度為10000～1000000 lx，陰天時為100～10000 lx，黎明黃昏時為1～10 lx，滿月之夜時為0.1～1 lx，多云之夜時為0.01～0.1 lx，晴天時星光下為0.001～0.01 lx，陰天時星光下為0.0001～0.001 lx。

由此可見，人們使用的環(huán)境場所的環(huán)境光照度差別很大。越明亮的環(huán)境光，比如晴天的太陽光下，顯示屏幕的層次感會越差，從而導致清晰度下降，甚至看不清屏幕；而在比較暗的環(huán)境條件下，屏幕就會感覺明亮，顯得很刺眼。針對這一實際使用情況，從技術(shù)參數(shù)上來講，就是環(huán)境光對比度（Ambient Contrast Ratio，ACR）。環(huán)境光對比度是反映在一定的環(huán)境光照度下，顯示屏顯示畫面明暗的對比程度，以下簡稱ACR。

2 ACR測量

VESA Flat Panel Display Measurement Standard（Ver?sion2.0）[2]和 NISTIR 6738 Proposed Diffuse Ambient Con?trast Measurement Methods for Flat Panel Display[3]分別介紹了ACR的測量方法。ACR的測量重點是測量環(huán)境光的照度和顯示屏的亮度。

2.1 測量條件及測量設(shè)備

下面簡要介紹一下測量條件及測量設(shè)備。

積分球是光度測量時使用的中空球體，在球的內(nèi)表面涂有無波長選擇性的（均勻）漫反射性的白色涂料，在球內(nèi)任一方向上的照度均相等。積分球用來對處于球內(nèi)或放在球外并靠近某個窗口處的試樣對光的散射或發(fā)射進行收集的一種高效率器件。球上的小窗口可以讓光進入并與檢測設(shè)備靠得較近。

在積分球內(nèi)部放置光源和一個擋板，調(diào)整光源的發(fā)光強度，通過小窗口接入照度或亮度測量設(shè)備即可獲得環(huán)境光照度值或顯示屏的亮度。在測量ACR時，通過調(diào)整光源的照度，在積分球內(nèi)可形成測試所需的環(huán)境光條件。

獲得環(huán)境光照度值的方法有2種：一是通過亮度計加漫反射標準白板獲得某測量點的照度值，如圖1所示；二是通過光電流獲得環(huán)境光照度值，如圖2所示。

ACR的測量需要一定的環(huán)境光條件，而且這個環(huán)境照度應該是可控、可調(diào)的，以模擬不同的環(huán)境光條件。采用積分球加光源的方式可以很好地模擬環(huán)境光，控制和調(diào)整環(huán)境光的照度。

NISTIR 6738標準中介紹了3種測量方法，第一種是采用圖1方式進行測量，第二種采用open box方式進行測量，第三種采用圖2方式進行測量。VESA標準中采用圖1方式進行測量。但VESA標準和NISIRT 6738在針對圖1裝置的測量方法上又略有不同，下面針對圖1和圖2兩種裝置進行詳細介紹。

2.2 VESA標準測量方法

VESA Flat Panel Display Measurement Standard（Ver?sion 2.0）中規(guī)定的ACR是在一定的環(huán)境光照度下，測量屏幕中心區(qū)域全白場與全黑場的屏幕亮度比值。測量信號采用100%全白場信號和0%全黑場信號。具體測量步驟如下：

1）在暗室條件下測量顯示屏中心的全白場和全黑場的屏幕亮度，分別記為Lw和Lb。

2）搭建環(huán)境光條件，但不開啟光源，測量顯示屏中心的全白場和全黑場的屏幕亮度，分別記為Lw′和Lb′。

3）開啟光源，測量被測顯示屏中心表面的環(huán)境光照度E；或測量漫反射標準白板的亮度Lstd，獲得環(huán)境光照度。其中，Lstd是漫反射標準白板的亮度；ρstd是漫反射標準白板的漫反射系數(shù)。

4）將光源調(diào)整到需要的環(huán)境光照度值，測量此時顯示屏中心全白場和全黑場的屏幕亮度，分別記為Law和Lab。

5）顯示屏全白場和全黑場亮度為：

全白場：Lsw=L′w-L′w；

全黑場：Lsb=L′b-Lb。

全白場屏幕和全黑場屏幕反射亮度為：

全白場：Lrw=Law-Lw-Lsw；

全黑場：Lrb=Lab-Lb-Lsb。

式中：EL為調(diào)整后的照數(shù)值。

環(huán)境光照度下調(diào)整后的全白場和全黑場亮度為：

全白場：LAW=Lw+kLrw；

全黑場：LAB=Lb+kLrb。

環(huán)境光對比度為CA=

2.3 NISTIR 6738標準測量方法

NISTIR 6738針對圖1和圖2的測量方法分別為In?tegrating Sphere Method和Sampling Sphere Method，測量信號均采用100%全白場和0%全黑場。

首先，兩種測量方法都要對顯示屏進行預熱處理，在暗室條件下，分別測量顯示屏顯示100%全白場信號和0%全黑場信號時的亮度，分別記為Lw和Lk。

然后，Integrating Sphere Method通過測量照度，Sam?pling Sphere Method通過測量光電流，獲得顯示屏在全屏白模式和全屏黑模式下的漫反射系數(shù)，從而計算ACR。具體介紹如下。

2.3.1 積分球方法（Integrating Sphere Method）

1）進行暗室條件下的顯示屏亮度測量；

2.3.2 采樣球方法（Sampling Sphere Method）

1）進行暗室條件下的顯示屏亮度測量。

2）光電二極管校準。

2.4 兩個測量標準的對比分析

VESA標準和NISTIR標準的基本思路是一致的，只是略有差異。

相同之處是采用了具有均勻照度空間的儀器設(shè)備和相同的測量信號。采用這種儀器設(shè)備有兩方面的優(yōu)勢：

1）可以考量環(huán)境光照度對顯示屏屏幕亮度的影響，在比較亮的環(huán)境光條件下，環(huán)境光對顯示屏亮度，尤其是暗場亮度影響明顯。

2）可以考量顯示屏屏幕反射對環(huán)境光照度的影響。顯示屏屏幕反射對環(huán)境光照度的影響與環(huán)境光照度的強弱有關(guān)，如果在環(huán)境光強的條件下，影響比較小，但是在環(huán)境光弱的條件下，尤其是暗室條件，影響就比較大。

不同之處為：

1）在相同環(huán)境光照度條件下，VESA標準比NISTIR標準多考慮了一個無光源的漫反射環(huán)境給顯示屏的亮度測量帶來的影響。VESA標準測量了積分球內(nèi)無光源環(huán)境下的顯示屏亮度，積分球內(nèi)的漫反射環(huán)境給顯示屏帶來了一定的反射光，因此在有光源環(huán)境下的亮度值會有所差異。

2）積分球模擬的環(huán)境光條件，如5000 lx，在實際測量時并不能真正實現(xiàn)，可能會有一定的偏差，而VESA標準引入了修正系數(shù)k，就是為了修正這個偏差帶來的亮度測量的影響。

3 VESA標準測量舉例

依據(jù)VESA標準對1臺4.5 in的顯示屏進行測試，測試的環(huán)境照度分別為200 lx，1000 lx，7500 lx，20000 lx，儀器設(shè)備實際產(chǎn)生的環(huán)境照度分別為206 lx，968 lx，7765 lx，20278 lx。

測試結(jié)果如表1至表3所示。ρstd=0.99。

表1 暗室條件下的結(jié)果

表2 搭建關(guān)閉光源測量環(huán)境下的結(jié)果

表3 搭建打開光源測量環(huán)境下的結(jié)果

[1]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50034—2004，建筑照明設(shè)計標準[S].2004.

[2]VESA flat panel display measurement standard[S/OL].[2011-09-15].http://www.acronymfinder.com/Flat-Panel-Display-Measurement-（VESA-standard）-（FPDM）.html.

[3]NISTIR 6738 Proposed diffuse ambient contrast measurement meth?ods for flat panel display[S/OL].[2011-09-15].http://4keltek.com/NIST/Publications/reflection/Ambient_Contrast_NISTIR6738.pdf.