關于顯示屏環境光對比度測量的討論

吳蔚華，李 強

（國家廣播電視產品質量監督檢驗中心 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（環境光照度＜1 lx）內進行的。但是在實際使用時，都有一定的環境光照度。在不同環境光的作用下，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。對于顯示設備，不同環境光照度下，觀看效果不一樣，在比較亮的環境光條件下，如在戶外使用上述產品時，由于環境光的影響，顯示屏幕上的內容無法看清。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 環境光對比度

隨著信息技術和網絡技術的發展，平板電腦越來越多地走入大眾生活，手機產品也不再是單純的通訊工具。手機和平板電腦已經成為人們隨時隨地享受娛樂、暢游網絡的移動顯示設備。人們會在不同的場所使用顯示設備，包括室內場所和室外環境。

依據國家相關建筑照明標準GB 50034—2004《建筑照明設計標準》[1]的規定，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，醫院手術室建筑照明應符合750 lx，而有些體育賽事的轉播建筑照明標準值應符合1000 lx。

對室外環境來說，不同氣候條件帶來的環境光差別更大。晴天時的環境光照度為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，人們使用的環境場所的環境光照度差別很大。越明亮的環境光，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，從技術參數上來講，就是環境光對比度（Ambient Contrast Ratio，ACR）。環境光對比度是反映在一定的環境光照度下，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境光的照度和顯示屏的亮度。

2.1 測量條件及測量設備

下面簡要介紹一下測量條件及測量設備。

積分球是光度測量時使用的中空球體，在球的內表面涂有無波長選擇性的（均勻）漫反射性的白色涂料，在球內任一方向上的照度均相等。積分球用來對處于球內或放在球外并靠近某個窗口處的試樣對光的散射或發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備靠得較近。

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

獲得環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境光照度值，如圖2所示。

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

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）中規定的ACR是在一定的環境光照度下，測量屏幕中心區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境光照度E；或測量漫反射標準白板的亮度Lstd，獲得環境光照度。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。

4）將光源調整到需要的環境光照度值，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為調整后的照數值。

環境光照度下調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，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備和相同的測量信號。采用這種儀器設備有兩方面的優勢：

1）可以考量環境光照度對顯示屏屏幕亮度的影響，在比較亮的環境光條件下，環境光對顯示屏亮度，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境光照度的影響。顯示屏屏幕反射對環境光照度的影響與環境光照度的強弱有關，如果在環境光強的條件下，影響比較小，但是在環境光弱的條件下，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無光源環境下的顯示屏亮度，積分球內的漫反射環境給顯示屏帶來了一定的反射光，因此在有光源環境下的亮度值會有所差異。

2）積分球模擬的環境光條件，如5000 lx，在實際測量時并不能真正實現，可能會有一定的偏差，而VESA標準引入了修正系數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VESA標準對1臺4.5 in的顯示屏進行測試，測試的環境照度分別為200 lx，1000 lx，7500 lx，20000 lx，儀器設備實際產生的環境照度分別為206 lx，968 lx，7765 lx，20278 lx。

測試結果如表1至表3所示。ρstd=0.99。

表1 暗室條件下的結果

表2 搭建關閉光源測量環境下的結果

表3 搭建打開光源測量環境下的結果

[1]中華人民共和國建設部.GB 50034—2004，建筑照明設計標準[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.