大尺寸彩色LED顯示屏視覺舒適性的研究

劉金元，賀書芳，曹 斌，董淑雯，吝 凱，呂 航

(1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029；2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

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大尺寸彩色LED顯示屏視覺舒適性的研究

劉金元1，賀書芳2，曹 斌2，董淑雯2，吝 凱2，呂 航2

(1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029；2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

采用國際通用的心理物理學(xué)實驗，通過對點間距為1.67mm，總尺寸為1600mm×1200mm的大尺寸彩色LED顯示屏進(jìn)行視覺舒適性的主觀評價實驗，得到了不同環(huán)境照度下的LED顯示屏的最佳顯示亮度的主觀實驗數(shù)據(jù)。采用數(shù)據(jù)擬合等算法建立了與環(huán)境照度相匹配的大尺寸彩色LED顯示屏亮度調(diào)節(jié)模型，實現(xiàn)了將主觀實驗數(shù)據(jù)客觀化。實驗結(jié)果表明：擬合數(shù)據(jù)模型與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，該模型能較好地反映環(huán)境照度與大尺寸彩色LED顯示屏最佳顯示亮度的對應(yīng)關(guān)系；采用該數(shù)據(jù)模型，在同等觀看條件下，大尺寸彩色LED顯示屏與液晶LCD電視的視覺舒適性沒有明顯差異。

大尺寸彩色LED顯示屏；視覺舒適性；心理物理學(xué)實驗；亮度調(diào)節(jié)模型

引言

大尺寸LED點陣彩色顯示屏不同于以往的液晶(LCD)電視和等離子(PDP)電視，也區(qū)別于現(xiàn)在廣泛提及的LED背光電視。它是由LED模組拼接而成的真正意義上的LED顯示屏，因其特有的高亮度、廣色域、高對比度等優(yōu)勢在眾多場合中受到人們青睞[1]。因此，其圖像的主觀視覺舒適性也越來越受到重視。而圖像的主觀視覺舒適度與實際使用條件密切相關(guān)。當(dāng)環(huán)境照度等條件發(fā)生變化時，人眼感知的圖像質(zhì)量和舒適度也隨之變化。所以，研究一種與環(huán)境照度相匹配的大尺寸彩色LED顯示屏亮度調(diào)節(jié)方法變得尤為重要。

而目前國際和國內(nèi)鮮有針對大尺寸彩色LED顯示屏該方面的研究。在該領(lǐng)域的實際做法多是根據(jù)環(huán)境照度的變化，手動調(diào)節(jié)大尺寸彩色LED顯示屏的亮度。進(jìn)一步的做法是，根據(jù)環(huán)境照度，分段設(shè)置固定值調(diào)節(jié)顯示屏的亮度，此方法改善圖像質(zhì)量和主觀舒適度效果不甚明顯。

文獻(xiàn)[2,3]指出，視覺圖像感知舒適性和人眼視疲勞度與環(huán)境照度，以及顯示器的亮度本身有很大關(guān)系。本文采用國際通用的心理物理學(xué)實驗，通過對某型號的大尺寸彩色LED顯示屏進(jìn)行視覺舒適性的主觀評價，研究不同的環(huán)境照度下，符合人眼視覺舒適性的大尺寸彩色LED顯示屏的最佳亮度設(shè)置。

1 大尺寸彩色LED顯示屏視覺舒適性的主觀評價方法

視覺圖像舒適性，是指人眼獲知被測圖像的主觀感覺。本文主要從獲知被測圖像的亮度、對比度、清晰度、分辨率、色度等方面綜合評估。

文獻(xiàn)[2]中提到，目前常用的色貌分度實驗法有：雙目合成匹配、記憶匹配、主觀(強(qiáng)度)評價。本文采用主觀(強(qiáng)度)評價法，觀察者采用正常的雙目觀察方法，對所觀察的顏色刺激的各種色貌屬性進(jìn)行直接評價并給予恰當(dāng)?shù)臄?shù)值。該方法的優(yōu)點是，觀察者觀察時眼睛呈自然適應(yīng)穩(wěn)定狀態(tài)，得到的評價量更能代表真實的心理知覺情況。表1所示為本次實驗所用的心理物理學(xué)實驗評價量化標(biāo)準(zhǔn)。

表1 心理物理學(xué)實驗評價量化標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Psychophysics experiment score table

2 實驗

2.1 實驗系統(tǒng)

選取23名年齡在21～53歲的觀察者，其中男性11名，女性12名。所有觀察者的視力或者矯正視力均正常，且經(jīng)過色彩辨識能力測試，均不存在色盲、色弱等情況。所有觀察者中9名為具有顏色領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的研究生或者科研人員；剩余14名不具有該領(lǐng)域的專業(yè)知識，但是實驗前都經(jīng)過訓(xùn)練。

采用點間距為1.67mm的表貼大尺寸彩色LED顯示屏。它由4×4個LED箱體拼接而成，總尺寸為1600mm×1200mm，分辨率為960×720。

實驗在具有穩(wěn)定環(huán)境照度的實驗室進(jìn)行，實驗室用非反光材料搭建，環(huán)境照度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。觀察距離等實驗條件參照國標(biāo)GY/T 134—1998[5]。

實驗前，將LED顯示屏開機(jī)色溫預(yù)熱至穩(wěn)定狀態(tài)后調(diào)至6500K色溫，并對觀察者進(jìn)行培訓(xùn)。實驗開始時，每名觀察者獨立進(jìn)行實驗，并經(jīng)過5分鐘的環(huán)境適應(yīng)，觀察者先進(jìn)行一組不計入實驗結(jié)果的訓(xùn)練測試；正式實驗開始后，每輪測試中間觀察者有至少5分鐘的休息時間。

2.2 實驗設(shè)置

固定實驗室環(huán)境照度，每輪測試中，每名觀察者要完成如下實驗：

用LED顯示屏播放紅色色塊，用計算機(jī)自動控制逐次改變LED顯示屏的亮度請觀察者根據(jù)實際感知的視覺舒適性參照表1進(jìn)行打分，并記錄數(shù)據(jù)，完成一個循環(huán)。其中，參照文獻(xiàn)[6]，LED顯示屏亮度在0～100%范圍內(nèi)以10%步長等間隔進(jìn)行改變，并采用最小變化法(minimal-change method)確定感覺閾限值，共14個數(shù)據(jù)。

然后設(shè)置LED顯示屏顏色，依次完成綠色、藍(lán)色和白色色塊的循環(huán)測試。最后，用LED顯示屏依次播放含膚色、天藍(lán)色、草綠色、紅旗色等特征的3幅靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)圖像和1段動態(tài)視頻(10s)，采用上述相同的方法進(jìn)行循環(huán)測試。

每個循環(huán)中間，觀察者需要休息至少5分鐘以上，待視覺感知恢復(fù)正常后開始下一個循環(huán)的測試。以上所有循環(huán)完成后為一輪測試。

改變環(huán)境照度，重復(fù)上述步驟，共測得5種環(huán)境照度下的實驗數(shù)據(jù)。為避免每輪實驗時間過長，影響觀察者的視覺感知情況，實驗會安排在多天進(jìn)行，每名觀察者每次實驗控制在40分鐘左右完成。

統(tǒng)計所有觀察者的實驗數(shù)據(jù)，共得到14(每個循環(huán)的數(shù)據(jù))×8(每輪循環(huán)數(shù))×23(觀察者人數(shù))×5(不同環(huán)境照度)=12880個數(shù)據(jù)。對其進(jìn)行分析總結(jié)，得出環(huán)境照度和人眼感知最佳LED顯示屏亮度的關(guān)系。

3 實驗結(jié)果分析、建模及比對

3.1 主觀實驗結(jié)果分析

對2.2節(jié)中觀察者的打分求取平均值、方差及總體均方差，對均方差差異較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，如屬觀察者個人問題，應(yīng)予以剔除。總結(jié)數(shù)據(jù)可以得到某一環(huán)境照度下的LED顯示屏主觀舒適性的評價結(jié)果，見圖1。

圖1 在65lx的環(huán)境照度下，LED顯示屏亮度 和人眼主觀評價分值分布曲線Fig.1 Curve: Psychophysics experiment score distribution of LED screen at 65lx ambient luminance

定義在某一照度下平均分?jǐn)?shù)最高時所對應(yīng)的大尺寸彩色LED顯示屏的亮度為“最佳值”，分析觀察者的實驗數(shù)據(jù)，可以得到表2所示統(tǒng)計數(shù)據(jù)：

表2 在不同環(huán)境照度下基于視覺舒適性的大尺寸 彩色LED顯示屏的最佳亮度Table 2 Optimal brightness of LED screen at different ambient luminance

3.2 彩色LED顯示屏亮度調(diào)節(jié)客觀模型的建立

提取出表2中各環(huán)境照度下的最佳亮度值，以環(huán)境照度為橫坐標(biāo)，以對應(yīng)的最佳亮度值為縱坐標(biāo)，畫散點圖可以看出環(huán)境照度與最佳顯示亮度的走向趨勢符合y=axb模型。

采用數(shù)據(jù)擬合算法，根據(jù)最小二乘法構(gòu)建模型，將上述主觀實驗數(shù)據(jù)客觀化，可以得到式(1)：

(1)

其中，x為環(huán)境照度，單位為lx；y為該環(huán)境照度下的最佳亮度值，單位為cd/m2。

圖2顯示了擬合模型和實測數(shù)據(jù)的分布曲線，兩者能較好的吻合，可見該模型能客觀的反映環(huán)境照度和LED顯示屏最佳顯示亮度的匹配關(guān)系。

式(1)與文獻(xiàn)[2]中CIE明度指數(shù)函數(shù)W*=25Y1/3-17(1≤Y≤100，W*為CIE1964色差公式中的明度值)匹配較好，說明式(1)客觀模型能較好地反映人眼視知覺特性。

圖2 實測數(shù)據(jù)與擬合模型數(shù)據(jù)的分布對比Fig.2 Curves: optimal brightness curves comparison of psychophysics experiment data and fitting data

3.3 大尺寸LED顯示屏與液晶LCD顯示屏視覺舒適性比對

文獻(xiàn)[3]指出視覺圖像感知舒適性和人眼視疲勞度還與觀看時長相關(guān)。本實驗旨在研究在較長觀看時間的情況下，LED顯示屏和液晶LCD顯示屏的視覺舒適性的差異。

在同一實驗室，同樣的室內(nèi)照度下，采用式(1)模型調(diào)節(jié)大尺寸LED顯示屏的亮度后，觀看一部時長為150分鐘的電影；隔天用液晶LCD顯示屏播放同一部電影。其中，LED顯示屏和LCD顯示屏均設(shè)置6500K色溫，幀頻均為60Hz。

將上述23名觀察者隨機(jī)分為兩組，一組11人，另一組12人。再抽取20名(10名男生，10名女生)未參加過2.2節(jié)實驗的新觀察者，分別加入第一組和第二組，每組各加入5名男生和5名女生。新觀察者的視力或矯正視力正常，具有正常的色辨識能力，年齡在19～25歲。其中，第一組觀看用LED大屏幕播放的電影，第二組觀看用LCD顯示屏播放的電影。所有觀察者實驗前都未曾觀看過該電影，并且對兩臺被測顯示屏無任何傾向性。

注意力不集中或者觀察者出現(xiàn)的其他不適癥狀參照文獻(xiàn)[4]。觀察距離等實驗條件參照國標(biāo)GY/T 134—1998[5]。視覺舒適性評價指標(biāo)和量化標(biāo)準(zhǔn)如表3所示：觀看過程中，在第5分鐘，15分鐘，30分鐘，60分鐘，90分鐘，120分鐘，影片結(jié)束(150分鐘)，以及影片結(jié)束后休息15分鐘(第165分鐘)，分別從眼睛不適、視物困難、惡心嘔吐和身體不適等方面做出評價。其中，眼睛不適主要包括眼睛干澀，脹痛，異物感，流淚感，眼睛疲勞，瞬目(眨眼)次數(shù)增加明顯等眼睛癥狀；視物困難主要包括近距離視線模糊、近距離視物聚焦困難、遠(yuǎn)距離視物聚焦困難、視物重影等癥狀；惡心嘔吐主要包括視覺疲勞導(dǎo)致的頭暈、惡心、反胃、嘔吐等癥狀；身體不適主要包括頭疼、肩頸僵硬、頭部沉重。

表3 視覺舒適性評價指標(biāo)和量化標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Visual comfort evaluation aspects and score standard

圖3 大尺寸LED顯示屏和LCD顯示屏視覺舒適性主觀評價實驗得分比對Fig.3 Curves: psychophysics experiment comparisons of LED and LCD

主觀評價實驗結(jié)果顯示，觀察者對兩組被測LED顯示屏和LCD顯示屏都未出現(xiàn)惡心嘔吐和身體不適的癥狀。在“眼睛不適”和“視物困難”中，兩組得分分布如圖3所示。

由圖3可見，采用式(1)數(shù)據(jù)模型后，在同等觀看條件下，長時間使用(不間斷150分鐘)大尺寸彩色LED顯示屏與液晶LCD顯示屏，都存在幾乎察覺不到“視物困難”的情況以及情況較弱的可輕微察覺的“眼睛不適”；休息15分鐘后，兩者皆可恢復(fù)到幾乎察覺不到不適的狀態(tài)；無惡心嘔吐、身體不適等癥狀。可見，兩者的視覺舒適性沒有明顯差異。

4 結(jié)論

通過心理物理學(xué)實驗和數(shù)據(jù)擬合算法，建立了與環(huán)境照度相匹配的大尺寸彩色LED顯示屏亮度調(diào)節(jié)模型，實現(xiàn)了將主觀實驗數(shù)據(jù)客觀化：擬合數(shù)據(jù)模型與實測數(shù)據(jù)吻合較好，該模型能較好地反映環(huán)境照度與大尺寸彩色LED顯示屏最佳顯示亮度的對應(yīng)關(guān)系；擬合數(shù)據(jù)模型與CIE明度指數(shù)函數(shù)相匹配，該模型能較好的反映人眼的視知覺特性；采用該數(shù)據(jù)模型，在同等觀看條件下，大尺寸彩色LED顯示屏與液晶電視的視覺舒適性沒有明顯差異。

[1] 陳元燈.LED制造技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：148-198.

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[3] Lee Hwally, Whang KiWoong. A quantitative measurement of LCD and PDP TVs for human visual preference and fatigue[J]. Displays,2012,33:1-6.

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Research on the Visual Comfort of Large-size LED Color Screen

Liu Jinyuan1, He Shufang2, Cao Bin2, Dong Shuwen2, Lin Kai2, Lü Hang2

(1.NationalInstituteofMetrology,Beijing100029,China; 2.BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

This paper uses a large size LED color screen with 1.67mm- pixel pitch, 1600mm* 1200mm- size to do the subjective assessment, gets serials subjective experiment data of LED best luminance for human visual comfort at different ambient illuminance, and builds an objective model by fitting calculation with these subjective experiment data. The results show, the fitting objective model matches the subjective experiment data well, and can show the relationship of LED best luminance of human visual comfort at various ambient illuminance; by using this model for LED color screen, there is no obvious visual comfort difference between LED color screen and LCD screen at the same viewing condition.Key words:large-size LED color screen; visual comfort; psychophysics experiment; luminance adaption model

TN27

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.020