IPAD IPHONE顯示性能測試研究

張建青，劉 真，盧智平，張 茜

（1.上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海200093；2.曲阜師范大學(xué) 印刷學(xué)院，山東 日照276826；3.上海理工大學(xué) 出版印刷與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海200093）

1 引 言

平板電腦、智能手機這類移動終端，以其攜帶、使用方便，逐漸完善的網(wǎng)絡(luò)功能以及色彩再現(xiàn)能力增強的特色，逐漸成為重要的顯示設(shè)備，彌補了專業(yè)顯示器受使用場所限制的不足。已有設(shè)計師通過平板電腦給顧客看設(shè)計樣品，小尺寸的設(shè)計樣品也可通過智能手機觀看 ，YungKyung Park等，針對手機在不同亮度環(huán)境使用的特點，提出了Refined CIECAM02 模型，預(yù)測不同亮度環(huán)境下手機顯示的顏色與圖像的色貌值［1］。然而客戶通過移動終端或顯示器看到的顯示結(jié)果是否一致，移動終端是否達到專業(yè)顯示設(shè)備的要求，有待進一步研究。目前國內(nèi)外針對移動終端顯示性能的研究較少。蘋果公司在其移動終端產(chǎn)品中采用了Retina Display技術(shù)后，這些移動終端顯示的圖片層次細膩，邊緣清晰、色彩飽和度較高，因此本研究以某液晶專業(yè)顯示器A 為參照以采用了Retina Display技術(shù)的iPhone4s（下文中簡稱iPhone）和the new ipad（下文簡稱ipad）為研究個案，分析移動終端的顯示性能。IEC（國際電工委員會）61966－4專門針對跨媒體顏色測量及管理中的液晶顯示器性能評價方法做了規(guī)范，VESA（視頻電子標準協(xié)會）也定義了用于顯示器性能測試的規(guī)范［2－3］，本文以此為主要依據(jù)，結(jié)合移動終端顯示設(shè)備的特點，設(shè)計了一套顯示設(shè)備性能測試方法，對移動終端顯示設(shè)備顯示性能進行評價對比［4－8］。本文分析了顯示設(shè)備預(yù)熱時間的穩(wěn)定性；考慮到移動終端只有亮度可調(diào)節(jié)，而亮度對色貌以及顯示設(shè)備的色域覆蓋率影響較大等因素，本文分析了亮度對顏色顯示均勻性和對色域覆蓋率的影響；分析了特定亮度下色品恒定性以及通道相加性；最后分析比較了特定亮度下顯示設(shè)備的色域。

2 主要研究內(nèi)容與結(jié)果

2.1 實驗設(shè)備及軟件

主要實驗設(shè)備有專業(yè)液晶顯示器A，Iphone以及ipad；測量儀器：x－rite公司的分光光度計Eye－one pro；軟 件 有Profilemaker5.05，Matlab2011，EXCEL。

2.2 顯示設(shè)備預(yù)熱時間穩(wěn)定性實驗及結(jié)果分析

預(yù)熱時間穩(wěn)定性是指顯示設(shè)備從開機時刻起，顯示顏色的色度信息隨時間的變化情況。顯示設(shè)備色度信息隨時間的變化越小，顯示設(shè)備的預(yù)熱時間穩(wěn)定性越好［3，8］。測量位置均為顯示屏中間點。對于專業(yè)顯示器A，從開機起的4h內(nèi)，每分鐘測試一次顯示器上全屏顯示的白色塊，ipad從待機狀態(tài)開機起的連續(xù)4h內(nèi)，每分鐘測試一次全屏顯示的白色塊，Iphone由黑屏的屏幕保護狀態(tài)開啟后，連續(xù)4h內(nèi)，每分鐘測試一次全屏顯示的白色塊。

圖1 三個顯示設(shè)備的白色色差隨時間變化曲線Fig.1 White color difference of three displays varied with time

各顯示設(shè)備的白色色差隨時間的變化情況見圖1，其中參考L＊a＊b＊值為顯示設(shè)備最后100min測量值的平均值。由圖1可知，3個顯示設(shè)備的色差均隨時間的增加而降低，專業(yè)顯示器A 的穩(wěn)定性最好，在開機52min之后，色差在0.5以下，100 min 之 后 其 色 差 基 本 接 近0；ipadipad 與iphone在開啟屏幕50min之后其色差在1以下；開機100 min 之后其色差均在0.5 以下。開機50min后色差均低于普通觀察者的視覺閾值，滿足實際應(yīng)用的需求。

2.3 亮度對顯示設(shè)備顏色再現(xiàn)均勻性影響的測試及結(jié)果分析

Eye－one pro測量自發(fā)光體時，測量得到的Y值的單位是亮度單位cd／m2，可測量光譜范圍為380～730nm［9］，測量自發(fā)光體顯示的白色色塊Y 值可代表背光源的亮度值［4，10］。

被測設(shè)備開機1h預(yù)熱。在另一臺電腦中，打開Profilemaker5.05的measure tool工具進行測量。測量色塊為白（R255，G255，B255）、紅（R255，G0，B0）綠（R0，G255，B0）藍（R0，G0，B255）青（R0，G255，B255）品（R255，G0，B255）黃（R255，G255，B0）灰（R128，G128，B128）色塊。調(diào)整顯示設(shè)備亮度按鈕，在不同亮度下依次全屏顯示各色塊。以屏幕中心點為參考點，先隨機測量計算不同位置與中心點之間的色差，結(jié)果表明，測量點距中心點的位置越遠，色差越大，這一規(guī)律不受亮度以及顯示顏色的影響。選擇10名年齡在20～40歲的觀察者對三個顯示設(shè)備人眼視覺關(guān)注范圍做了主觀評判，以上述初步測試結(jié)果以及主觀評判結(jié)果為依據(jù)，選擇了顯示屏角點位置附近的點作為測量顯示顏色均勻性的測試點。具體選擇位置如下：The new pad的4個測試點為距離屏幕邊緣2.5cm 的交叉點，Iphone4s的4個測試點距離屏幕邊緣1.5cm 的交叉點，專業(yè)顯示器A 的測試點為距離屏幕邊緣4cm 的交叉點。左上角、右上角、左下角和右下角的測試點分別為位置1、2、3和4（開關(guān)所在位置為下）。測量數(shù)據(jù)見表1～表3。

分析3個設(shè)備的測試數(shù)據(jù)可知，3個顯示設(shè)備測量點與中心點的色差值ΔEab均小于5，表明3個顯示設(shè)備顯示顏色的均勻性都較好；其中：測試點位置對色差影響：由表1可知，專業(yè)顯示器A 顯示器位置1和3與中心點的色差略大，位置2、4與中心點的色差略小；由表2可知，the new ipad測量點與中心點之間的色差由大到小的順序是位置1、2、3和4；由表3可知iphone測量點與中心點之間的色差是位置2色差最大，位置1次之，位置3和4與中心點之間的色差較小，且其色差值接近。亮度對色差影響：3個顯示設(shè)備不同測量位置與中心點之間的色差基本隨亮度的降低略有減小。顏色對色差的影響：專業(yè)顯示器A 紅色色差值偏大，藍色色差值偏小，其余色差值相近；the new ipad顏色對其色差的影響不明顯；iphone白色、紅色、黃色和品紅色色差略大，其余顏色色差值相近。不同設(shè)備間的比較：整體而言，Iphone的色差最小，專業(yè)顯示器A 的色差最大。

選擇10名年齡在20～40歲，具有色彩科學(xué)基礎(chǔ)理論知識的觀察者對3 個顯示設(shè)備全屏顯示各色塊進行了主觀評價，評價結(jié)果為感覺不到屏幕不同位置有明顯顏色差異。

所選3個設(shè)備顏色再現(xiàn)的均勻性都可以滿足視覺要求。

表1 測試點與中心點之間的色差（專業(yè)顯示器A）Tab.1 Color difference between test points and the center（professional display A）

續(xù)表

表2 不同測試點與中心點之間的色差（ipad）Tab.2 Color difference between test points and the center（ipad）

表3 不同測試點與中心點之間的色差（iPhone）Tab.3 Color difference between test points and the center（iPhone）

續(xù)表

2.4 亮度對顯示設(shè)備色域覆蓋率影響的測試及結(jié)果分析

CIE1976 L＊u＊v＊是 均 勻 色 度 空 間，與CIE1976 L＊a＊b＊描述顏色感覺的方式相同，視覺均勻性上也很接近，主要應(yīng)用加色法的色光混合，比如顯示器、電視等應(yīng)用領(lǐng)域［9］。

CIE1931色度圖的x，y 表示的色度空間不是均勻的色度空間，無法用（x，y）色度圖準確表示顯示設(shè)備所顯示的色域，因此，需要將其轉(zhuǎn)換到均勻色度空間CIE1976L＊u＊v＊下表示設(shè)備的色域，其坐標系為（u′，v′），u′，v′與三刺激值X、Y、Z 之間的換算關(guān)系是：

色域覆蓋率是指：在CIE1976均勻色度空間（u′，v′）顯示設(shè)備顯示的色域面積（即三基色R、G、B三角形的面積）與占（u′，v′）色度空間全部光譜（380～780 nm）面積（0.1952）的百分數(shù)，用Gp表示［5，7］。

已知R、G、B 的（u、′，v′）坐 標 值（ur′，vr′）、（ug′，vg′）、（ub′，vb′）后，可用下列公式計算三角形RGB的面積Srgb：

通過測量不同亮度下白、紅、綠和藍色塊的三刺激值，即可用公式（1）～（4）計算不同亮度下顯示設(shè)備的色域覆蓋率Gp。計算出各顯示設(shè)備每一亮度下的Gp值，用cftool工具擬合了Gp隨亮度變化的曲線，如圖2所示：ipad的Gp范圍為33.9%～34.7%，Y 值增大時，Gp急劇下降，Y 到20%之后，Gp變化平緩，Y 在50%～100%時，Gp基本保持34%不變；iPhone 的Gp值范圍為18.42%～18.52%，Y 變大時Gp急劇增加，Y 到20%之后，Gp變化平緩，Y 在50%～100%時，Gp基本保持18.5%左右；專業(yè)顯示器A 的Gp范圍在28.4%～28.9%之間，Y 小于30%時，Gp值快速上升，Y 在50%～85%范圍時，Gp基本保持28.72%左右，Y 大于85%范圍后，Gp值快速上升，其穩(wěn)定性比較見表4。

圖2 三個顯示設(shè)備色域覆蓋率隨亮度變化曲線Fig.2 Curves of Gpchanged with the brightness of three displays

表4 三個顯示設(shè)備的色域覆蓋率穩(wěn)定性比較Tab.4 Device’s Gpstability comparison of the three displays

2.5 色品恒定性的測試及結(jié)果分析

顯示設(shè)備的色品恒定性是指主色、二次色或三次色在不同驅(qū)動值情況下，所顯示色塊對應(yīng)色品坐標的變化情況。顯示設(shè)備的色品恒定性越好，顯示 設(shè) 備 的 顯 色 越 準 確［8，10－11］。在 顯 示 設(shè) 備上全屏顯示紅、綠、藍、黃、品紅、青以及灰色漸變色塊，色塊的R、G、B 值分別以0、16、32、64、96、128、160、192、224、240、255變化。測量顯示屏中心點位置的色度值X、Y、Z，測量三次取平均值。記錄測量結(jié)果。在uv 均勻色空間中畫出其色品圖，如圖3所示。

圖3 三個顯示設(shè)備紅、綠、藍、黃、品紅、青、灰色的色品坐標圖Fig.3 Chroma coordinates distribution of R，G，B，Y，M，C and K of three displays

由圖3 可知，3 個顯示設(shè)備的不同色系對的色品坐標都有一定的波動性，但總體上專業(yè)顯示器A 的最好，ipad與專業(yè)顯示器A 的基本相近，兩者都是有更多的顏色點在色品圖上重合，iphone較差，但其離散點基本分布在該點所屬色系色品坐標與白色色品坐標的連線上。

2.6 通道可加性的測試及結(jié)果分析

顯示器的通道可加性也稱為通道獨立性，指混合通道下的三刺激值等于各個通道分別單獨作用時三刺激值之和。大部分顯示設(shè)備通道間存在干擾，只能近似滿足通道相加性。但顯示器滿足通道相加性是其特征化時的重要假設(shè)前提條件，因 此 通 道 相 加 性 的 色 差 越 小 越 好［7，11，12］。圖4為利用紅、綠、藍、黃、品、青、灰色塊測量計算得到的三類顯示設(shè)備的通道相加性色差圖。由圖4可知，專業(yè)顯示器A 的通道相加性最好，其色差在1.5 以下，且各顏色間色差差別不大，ipad通道相加性色差3.0 以下，iphone的為4.0以下，ipad和iphone的灰色和品紅色的色差較大。ipad通道相加性好于參考文獻［8］中的專業(yè)顯示器A 的通道相加性。

2.7 顯示設(shè)備顯示色域?qū)嶒灱敖Y(jié)果分析

圖4 三類顯示設(shè)備青、品紅、黃和灰色的相加性色差Fig.4 Accumulative color difference of C，M，Y and K of three kinds displays

顯示設(shè)備色域指顯示設(shè)備所能顯示的顏色范圍［8，13］。目前大部分的設(shè)計制作行業(yè)以sRGB為標準顏色空間，顯示設(shè)備再現(xiàn)sRGB 色空間的顏色越多越好；而在印刷行業(yè)中，專業(yè)顯示設(shè)備主要用于軟打樣，顯示設(shè)備的色域能否完全包含印刷輸出色域決定著軟打樣的準確程度，因此，本研究將顯示設(shè)備的色域與sRGB 色域、較大色域的多色打印機HPZ3200色域以及較大色域的印刷輸出webcoatedFOGRA 色域進行了比較。在MATlab中編程制作1 331個色塊，其R、G、B值分別以0、16、32、64、96、128、160、192、224、240、255變化。色塊在顯示設(shè)備中全屏顯示，將顯示設(shè)備的亮度調(diào)整在穩(wěn)定的Gp對應(yīng)的亮度范圍并固定。測量顯示屏中心點位置的色度值X、Y、Z，記錄測量結(jié)果。在Profilemaker5.05 軟件中，利用1 331色塊的色度值制作各顯示設(shè)備的.icc特性文件。用ProfileEditer分析比較各顯示設(shè)備色域，圖5為3個顯示設(shè)備色域與sRGB 色域比較的立體圖，圖中灰色代表sRGB 色域。可見，專業(yè)顯示器A 和iThe new pad各有部分顏色在sRGB 色域之外，sRGB 有部分顏色在專業(yè)顯示 器A 和The new ipad 色 域 之 外，iphone4s色域除很小一部分顏色外，基本被sRGB 色域包含在內(nèi)。

圖5 三個顯示設(shè)備色域與SRGB色域的比較Fig.5 Comparison of three displays with sRGB in color gamut

圖6 為3 個顯示設(shè)備的色域與sRGB、HPZ3200 色域以及webcoatedFOGRA28色域在L＝50時的二維平面比較圖，如圖6所示，專業(yè)顯示器A 色域以及ipad色域較大，包含了絕大部分的sRGB色域，但在左上角黃綠色區(qū)域有部分sRGB 顏色超出其范圍，而此顏色位置基本是ipad的色域最大，而圖右上角專業(yè)顯示器A 的色域范圍大，右下角ipad的色域大，iphone色域基本被包含在sRGB色域內(nèi)；較大色域的印刷顏色大部分在顯示設(shè)備的色域內(nèi)但在藍綠色區(qū)域，如圖6左側(cè)所示，有大量的可印刷顏色在這3個顯示設(shè)備的色域之外，即這些顏色可印刷、打印輸出，但在這3個顯示設(shè)備上無法準確顯示。

圖6 三個顯示設(shè)備色域與SRGB、HPZ3200、webcoated－FOGRA 色域比較Fig.6 Comparison of three displays with sRGB，HPZ3200，webcoatedFOGRA28in color gamut

3 結(jié) 論

實驗結(jié)果表明ipad和iPhone時間穩(wěn)定性都較好，略次于專業(yè)顯示器A 的時間穩(wěn)定性；ipad和iPhone的顏色再現(xiàn)均勻性都較好，略好于專業(yè)顯示器A 的，ipad各顏色間顯示均勻性一致性最好；專業(yè)顯示器A 穩(wěn)定的Gp為28.72%，ipad穩(wěn)定的Gp為34%，大于28.72%，iPhone穩(wěn)定的Gp值為18.5%小于28.72%；ipad色品恒定性與專業(yè)顯示器A 的基本相近，iPhone的次于專業(yè)顯示器A 的；ipad的通道相加性略次于專業(yè)顯示器A的，iPhone的通道相加性略次于ipad的；ipad的顯示色域較大，基本包含了sRGB 色域，iPhone的色域較小，基本被sRGB、ipad以及專業(yè)顯示器A 的色域包含。

以上結(jié)果表明，ipad可以考慮作為專業(yè)顯示設(shè)備的輔助設(shè)備使用，iPhone色域較小，色品恒定性與通道相加性不是很好，故不適合彩色打樣，因此不適合作為專業(yè)顯示設(shè)備的輔助設(shè)備使用。

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