关于显示屏环境光对比度测量的讨论

吴蔚华，李 强

（国家广播电视产品质量监督检验中心 整机性能检测室，北京 100015）

显示屏光学性能的测量一般是在光学暗室（环境光照度＜1 lx）内进行的。但是在实际使用时，都有一定的环境光照度。在不同环境光的作用下，观看效果大不相同，例如手机、平板PC、电子书以及照相机摄像机的显示屏幕。对于显示设备，不同环境光照度下，观看效果不一样，在比较亮的环境光条件下，如在户外使用上述产品时，由于环境光的影响，显示屏幕上的内容无法看清。而在比较暗的房间里使用时，显示屏对人眼的刺激又感觉太亮。

1 环境光对比度

随着信息技术和网络技术的发展，平板电脑越来越多地走入大众生活，手机产品也不再是单纯的通讯工具。手机和平板电脑已经成为人们随时随地享受娱乐、畅游网络的移动显示设备。人们会在不同的场所使用显示设备，包括室内场所和室外环境。

依据国家相关建筑照明标准GB 50034—2004《建筑照明设计标准》[1]的规定，不同房间或场所的建筑照明值应符合一定的标准要求。室内建筑照明标准值一般在100～300 lx左右。有些场所的照度值差异较大，如旅馆客房走廊建筑照明应符合50 lx，医院手术室建筑照明应符合750 lx，而有些体育赛事的转播建筑照明标准值应符合1000 lx。

对室外环境来说，不同气候条件带来的环境光差别更大。晴天时的环境光照度为10000～1000000 lx，阴天时为100～10000 lx，黎明黄昏时为1～10 lx，满月之夜时为0.1～1 lx，多云之夜时为0.01～0.1 lx，晴天时星光下为0.001～0.01 lx，阴天时星光下为0.0001～0.001 lx。

由此可见，人们使用的环境场所的环境光照度差别很大。越明亮的环境光，比如晴天的太阳光下，显示屏幕的层次感会越差，从而导致清晰度下降，甚至看不清屏幕；而在比较暗的环境条件下，屏幕就会感觉明亮，显得很刺眼。针对这一实际使用情况，从技术参数上来讲，就是环境光对比度（Ambient Contrast Ratio，ACR）。环境光对比度是反映在一定的环境光照度下，显示屏显示画面明暗的对比程度，以下简称ACR。

2 ACR测量

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]分别介绍了ACR的测量方法。ACR的测量重点是测量环境光的照度和显示屏的亮度。

2.1 测量条件及测量设备

下面简要介绍一下测量条件及测量设备。

积分球是光度测量时使用的中空球体，在球的内表面涂有无波长选择性的（均匀）漫反射性的白色涂料，在球内任一方向上的照度均相等。积分球用来对处于球内或放在球外并靠近某个窗口处的试样对光的散射或发射进行收集的一种高效率器件。球上的小窗口可以让光进入并与检测设备靠得较近。

在积分球内部放置光源和一个挡板，调整光源的发光强度，通过小窗口接入照度或亮度测量设备即可获得环境光照度值或显示屏的亮度。在测量ACR时，通过调整光源的照度，在积分球内可形成测试所需的环境光条件。

获得环境光照度值的方法有2种：一是通过亮度计加漫反射标准白板获得某测量点的照度值，如图1所示；二是通过光电流获得环境光照度值，如图2所示。

ACR的测量需要一定的环境光条件，而且这个环境照度应该是可控、可调的，以模拟不同的环境光条件。采用积分球加光源的方式可以很好地模拟环境光，控制和调整环境光的照度。

NISTIR 6738标准中介绍了3种测量方法，第一种是采用图1方式进行测量，第二种采用open box方式进行测量，第三种采用图2方式进行测量。VESA标准中采用图1方式进行测量。但VESA标准和NISIRT 6738在针对图1装置的测量方法上又略有不同，下面针对图1和图2两种装置进行详细介绍。

2.2 VESA标准测量方法

VESA Flat Panel Display Measurement Standard（Ver⁃sion 2.0）中规定的ACR是在一定的环境光照度下，测量屏幕中心区域全白场与全黑场的屏幕亮度比值。测量信号采用100%全白场信号和0%全黑场信号。具体测量步骤如下：

1）在暗室条件下测量显示屏中心的全白场和全黑场的屏幕亮度，分别记为Lw和Lb。

2）搭建环境光条件，但不开启光源，测量显示屏中心的全白场和全黑场的屏幕亮度，分别记为Lw′和Lb′。

3）开启光源，测量被测显示屏中心表面的环境光照度E；或测量漫反射标准白板的亮度Lstd，获得环境光照度。其中，Lstd是漫反射标准白板的亮度；ρstd是漫反射标准白板的漫反射系数。

4）将光源调整到需要的环境光照度值，测量此时显示屏中心全白场和全黑场的屏幕亮度，分别记为Law和Lab。

5）显示屏全白场和全黑场亮度为：

全白场：Lsw=L′w-L′w；

全黑场：Lsb=L′b-Lb。

全白场屏幕和全黑场屏幕反射亮度为：

全白场：Lrw=Law-Lw-Lsw；

全黑场：Lrb=Lab-Lb-Lsb。

式中：EL为调整后的照数值。

环境光照度下调整后的全白场和全黑场亮度为：

全白场：LAW=Lw+kLrw；

全黑场：LAB=Lb+kLrb。

环境光对比度为CA=

2.3 NISTIR 6738标准测量方法

NISTIR 6738针对图1和图2的测量方法分别为In⁃tegrating Sphere Method和Sampling Sphere Method，测量信号均采用100%全白场和0%全黑场。

首先，两种测量方法都要对显示屏进行预热处理，在暗室条件下，分别测量显示屏显示100%全白场信号和0%全黑场信号时的亮度，分别记为Lw和Lk。

然后，Integrating Sphere Method通过测量照度，Sam⁃pling Sphere Method通过测量光电流，获得显示屏在全屏白模式和全屏黑模式下的漫反射系数，从而计算ACR。具体介绍如下。

2.3.1 积分球方法（Integrating Sphere Method）

1）进行暗室条件下的显示屏亮度测量；

2.3.2 采样球方法（Sampling Sphere Method）

1）进行暗室条件下的显示屏亮度测量。

2）光电二极管校准。

2.4 两个测量标准的对比分析

VESA标准和NISTIR标准的基本思路是一致的，只是略有差异。

相同之处是采用了具有均匀照度空间的仪器设备和相同的测量信号。采用这种仪器设备有两方面的优势：

1）可以考量环境光照度对显示屏屏幕亮度的影响，在比较亮的环境光条件下，环境光对显示屏亮度，尤其是暗场亮度影响明显。

2）可以考量显示屏屏幕反射对环境光照度的影响。显示屏屏幕反射对环境光照度的影响与环境光照度的强弱有关，如果在环境光强的条件下，影响比较小，但是在环境光弱的条件下，尤其是暗室条件，影响就比较大。

不同之处为：

1）在相同环境光照度条件下，VESA标准比NISTIR标准多考虑了一个无光源的漫反射环境给显示屏的亮度测量带来的影响。VESA标准测量了积分球内无光源环境下的显示屏亮度，积分球内的漫反射环境给显示屏带来了一定的反射光，因此在有光源环境下的亮度值会有所差异。

2）积分球模拟的环境光条件，如5000 lx，在实际测量时并不能真正实现，可能会有一定的偏差，而VESA标准引入了修正系数k，就是为了修正这个偏差带来的亮度测量的影响。

3 VESA标准测量举例

依据VESA标准对1台4.5 in的显示屏进行测试，测试的环境照度分别为200 lx，1000 lx，7500 lx，20000 lx，仪器设备实际产生的环境照度分别为206 lx，968 lx，7765 lx，20278 lx。

测试结果如表1至表3所示。ρstd=0.99。

表1 暗室条件下的结果

表2 搭建关闭光源测量环境下的结果

表3 搭建打开光源测量环境下的结果

[1]中华人民共和国建设部.GB 50034—2004，建筑照明设计标准[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.