移動終端圖像質(zhì)量測量方法研究

孫 三，吳蔚華，陳 宇

（北京泰瑞特檢測技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，北京 100015）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的快速發(fā)展，移動終端產(chǎn)品已經(jīng)成為人們生活的重要工具。除滿足消費(fèi)者基本的通話需求外，移動終端還能提供新聞瀏覽、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、線上會議、視頻觀看、購物、導(dǎo)航及游戲等功能。尤其是在年輕消費(fèi)人群中，移動終端逐漸代替電視和電腦，成為工作和生活的重要組成部分。為了滿足消費(fèi)者的觀看需求，移動終端行業(yè)在近些年的發(fā)展中，處理器速度不斷提升，顯示屏幕也朝著高分辨率、高對比度、低能耗以及大尺寸等方向不斷發(fā)展，以提升移動終端的觀看效果。

根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，在觀看移動終端時(shí)，終端和眼睛的距離需在50 cm以內(nèi)。圖像質(zhì)量的差異會直接影響消費(fèi)者的觀看體驗(yàn)。長時(shí)間觀看勢必會造成使用者的用眼疲勞，影響使用者的視覺健康。本文在介紹相關(guān)顯示技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹影響移動終端圖像質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)及其測量方法。

1 顯示技術(shù)原理

目前，市場上各種移動終端宣稱其屏幕材質(zhì)類型有TFT LCD、TFT、IPS、LTPS、OLED及AMOLED等。實(shí)際上，移動終端屏幕的主流顯示方式可分為LCD（液晶顯示）和OLED（有機(jī)發(fā)光二極管顯示）兩種。LCD面板市場總額占比比OLED面板略高，但是高端移動終端已普遍轉(zhuǎn)向OLED面板。根據(jù)TrendForce的預(yù)測，2021年將有39.8%的移動終端產(chǎn)品采用OLED面板，2022年預(yù)計(jì)達(dá)到45%。

LCD屏本身是不會發(fā)光的，LCD面板主要由兩個(gè)偏光板、兩個(gè)玻璃基板、彩色濾光片和TFT（薄膜晶體管）、配向膜、液晶及背光板組成。通過在兩個(gè)偏光板之間充滿液晶，之后利用電場的大小來控制液晶分子的旋轉(zhuǎn)，以改變光的行進(jìn)方向，控制每個(gè)像素點(diǎn)是否出射偏振光來達(dá)到顯示的目的。市場上宣傳的IPS和TFT-LCD等都屬于LCD顯示技術(shù)。IPS是將液晶分子顆粒水平排列，從而加快液晶分子的偏轉(zhuǎn)速度，減少了運(yùn)動畫面顯示容易出現(xiàn)的“拖尾”“殘影”等現(xiàn)象。TFT通過點(diǎn)脈沖控制屏幕上的各個(gè)獨(dú)立像素，從而提高顯示屏的響應(yīng)速度和色彩表現(xiàn)能力等。

OLED是一種自發(fā)光的有機(jī)發(fā)光二極管，由有機(jī)發(fā)光材料涂層、金屬電極及玻璃基板組成。在有機(jī)發(fā)光層中，電子和空穴復(fù)合成激子，而后進(jìn)行能量釋放，產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。OLED按驅(qū)動方式可分為AMOLED（主動驅(qū)動）PMOLED（被動驅(qū)動）兩種方式。消費(fèi)者接觸比較多的OLED屏幕基本都是AMOLED屏幕。

LCD和OLED兩種顯示方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：LCD屏亮度高、壽命長、成本低，而OLED屏則具有更加輕薄、對比度高、廣色域、響應(yīng)時(shí)間快、柔性好、可彎曲以及發(fā)光效率高等優(yōu)點(diǎn)。本文將在這兩種顯示方式的移動終端上進(jìn)行測評。

2 測評指標(biāo)

結(jié)合移動終端顯示的技術(shù)特點(diǎn)和用戶實(shí)際使用情況，北京泰瑞特檢測技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司開展對移動終端的測評研究，研究內(nèi)容包括影響畫質(zhì)好壞的關(guān)鍵性光學(xué)顯示性能指標(biāo)。影響移動終端顯示性能的關(guān)鍵性指標(biāo)包含亮度、黑色亮度、對比度、亮度均勻性、色域覆蓋率（NTSC）、白平衡誤差、閃爍、串?dāng)_以及響應(yīng)時(shí)間。

2.1 測試條件

為了能更好地評價(jià)移動終端顯示屏本身的顯示性能，排除環(huán)境光給移動終端顯示性能帶來的影響，顯示性能的測試均在暗室條件下進(jìn)行。將移動終端的圖像顯示設(shè)置恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)，并將“亮度”菜單設(shè)置在最大位置，確保測評內(nèi)容可以真正表現(xiàn)出移動終端能夠達(dá)到的能力。同時(shí)對于具備環(huán)境光控制功能的移動終端，為了避免移動終端的環(huán)境光感應(yīng)器對顯示屏顯示效果造成影響，測評時(shí)應(yīng)將此功能關(guān)閉。

2.2 測試信號

測試信號圖以bmp或jpg格式輸入到被測移動終端中，信號格式與被測移動終端的固有分辨力一致[2]。

2.3 測試位置

除對應(yīng)項(xiàng)目特殊規(guī)定外，光學(xué)測試設(shè)備應(yīng)放置在與測試點(diǎn)正交垂直線上。考慮到移動終端的實(shí)際使用距離一般在50 cm以內(nèi)，且距離太近會導(dǎo)致人眼觀看不適，因此測試距離選定為50 cm，如圖1所示。

圖1 測試位置

2.4 測試步驟

2.4.1 亮 度

亮度反映顯示屏的畫面明亮程度，表征顯示屏亮度的最大能力。亮度過低容易引起眼部疲勞，影響眼睛的健康。

測評時(shí)采用10%窗口信號，可以體現(xiàn)移動終端屏幕某區(qū)域最大可能的亮度，如圖2所示，亮度計(jì)測量屏幕中心10%白窗口的亮度值。

圖2 10%窗口信號

2.4.2 黑色亮度

黑色亮度反映顯示屏最低顯示亮度的能力。黑色亮度越低，說明移動終端在顯示低亮畫面時(shí)細(xì)節(jié)更加豐富。

測試信號如圖3所示，每個(gè)白窗口占整幅圖像的面積比例為2.5%。采用該信號是為了保證顯示屏處于長亮狀態(tài)，避免在采用全黑場信號時(shí)，有些移動終端自動關(guān)閉背光。測量時(shí)，亮度計(jì)測量屏幕中心的亮度值。

圖3 黑色亮度測試信號

2.4.3 對比度

對比度反映顯示屏在顯示同一畫面時(shí)的明暗程度。對比度高的產(chǎn)品顯示的畫面層次感好，亮暗分明。

值得提出的是，在顯示終端行業(yè)，很多制造商定義的對比度概念都是全白場與全黑場的比值，因此市場上出現(xiàn)了宣稱的對比度達(dá)到上萬或者幾十萬的數(shù)值，實(shí)際上是全白與全黑兩幅畫面的比值，這個(gè)數(shù)值的高低并不能真正體現(xiàn)屏幕對比度的意義。因此，本文提出的對比度，測量時(shí)采用黑白5窗口信號，如圖4所示，測試儀器放置在5個(gè)窗口的正交垂直線上，并分別測量黑白窗口的亮度值，然后計(jì)算對比度。

圖4 對比度測試信號

2.4.4 亮度均勻性

亮度均勻性反映了用戶在觀看移動終端屏幕時(shí)，整體畫面的均勻程度。亮度均勻性越大，表示移動終端均勻顯示各點(diǎn)亮度的能力越強(qiáng)。

亮色度均勻性測試信號采用全白場信號，全屏幕的測量點(diǎn)如圖5所示。

圖5 均勻性測量位置圖

測量時(shí)，亮度計(jì)與屏幕中心點(diǎn)P0的法線方向正交垂直，保持亮度計(jì)的位置不動，旋轉(zhuǎn)亮度計(jì)的角度測量P1～P8點(diǎn)。

采用旋轉(zhuǎn)方式測量亮度均勻性，主要是考慮移動終端的屏幕尺寸較小，在進(jìn)行觀看時(shí)，可將整個(gè)屏幕畫面盡收眼底。相對而言，旋轉(zhuǎn)著測量更接近移動終端的實(shí)際使用情況。

2.4.5 色域覆蓋率（NTSC）

色域覆蓋率體現(xiàn)移動終端在顯示畫面時(shí)的色彩表現(xiàn)能力。色域覆蓋率值越高，畫面顏色更鮮艷，越能呈現(xiàn)自然界的更多色彩。測量時(shí)，采用全紅場、全綠場及全藍(lán)場信號，測量移動終端顯示的紅、綠、藍(lán)形成的三角形面積占NTSC三角形面積的比值。NTSC三角形和被測移動終端三角形在CIE1931色空間的分布如圖6所示，主要考量實(shí)際移動終端顯示三基色所能重現(xiàn)的彩色范圍占NTSC色域面積的百分比。

圖6 NTSC色域三角形

2.4.6 白平衡誤差

白平衡誤差衡量移動終端在顯示圖像時(shí)，對應(yīng)不同的亮度圖像電平，色調(diào)不會發(fā)生畸變。白平衡誤差小，說明移動終端的色彩還原良好。

測試時(shí)，采用白窗口信號，如圖7所示。改變窗口信號電平，從10%～100%，以10%為步長依次改變，用測量設(shè)備測量白色窗口的色度坐標(biāo)（x，y）。計(jì)算每個(gè)電平的色度坐標(biāo)與50%灰電平時(shí)的色度坐標(biāo)之差，測量結(jié)果用Δx和Δy的最差值表示。

圖7 白窗口信號

2.4.7 閃 爍

閃爍是指顯示屏亮度快速變化引起使用者視覺感知的變化。顯示屏的閃爍可能會導(dǎo)致易感個(gè)體的不適、疾病甚至抽搐。

測量時(shí)，參考YD/T 1607—2016標(biāo)準(zhǔn)的測試信號，采用如圖8所示的測試信號，并持續(xù)顯示。使用具備光電轉(zhuǎn)換的亮度計(jì)和頻譜分析儀進(jìn)行測量，將曲線進(jìn)行FFT，找出最大頻率點(diǎn)并記錄其電平，計(jì)算最大頻率處電平和直流分量電平的比值[1]。

圖8 閃爍測試信號

2.4.8 串 擾

串?dāng)_是指在顯示屏中某一位置的顯示影響了另一位置，造成了畫面失真。顯示屏幕在顯示某些灰場畫面時(shí)，人眼會相對較容易觀察到串?dāng)_現(xiàn)象。

測量時(shí)，參考YD/T 1607—2016中的測試信號，采用如圖9和圖10所示的行列間串?dāng)_工字圖及行列間串?dāng)_回字圖。分別選取圖8和圖9兩種類型的測試圖，是為了模擬可能發(fā)生串?dāng)_的不同情況。對圖8的測試圖來說，要考察上、下、左、右不同亮度電平信號對中心區(qū)域亮度的影響；而對圖9來說，則要考察中心區(qū)域不同亮度電平信號對邊緣區(qū)域亮度的影響，選取影響最大的測試結(jié)果作為串?dāng)_值。串?dāng)_值越小，說明受到周圍信號影響越小，畫質(zhì)越清晰。

圖9 行列間串?dāng)_工字圖

圖10 行列間串?dāng)_回字圖

2.4.9 響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間反映顯示屏對輸入信號的反應(yīng)速度，即從黑到白再到黑的反應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間過慢，會使觀看者明顯感覺到畫面的卡頓。響應(yīng)時(shí)間是亮度從10%變化到90%的上升時(shí)間與亮度從90%變化到10%的下降時(shí)間之和，響應(yīng)時(shí)間曲線如圖11所示。通常，OLED顯示屏的響應(yīng)時(shí)間比LCD的響應(yīng)時(shí)間小一些，在幾毫秒內(nèi)，而有些LCD顯示屏的響應(yīng)時(shí)間在10～20 ms，甚至更大。

圖11 響應(yīng)時(shí)間曲線

3 摸底數(shù)據(jù)分析

3.1 測試樣機(jī)

參與測評的22部移動終端包含LCD和OLED兩種顯示方式，其中19部LCD和3部OLED，尺寸多分布在5～6英寸，僅有4部終端的尺寸在6～8英寸，分辨率多分布在1 920×1 080、1 920×1 200及2 560×1 440。在下面分析的所有測試結(jié)果圖表中，前19個(gè)數(shù)據(jù)為19部LCD終端的測試數(shù)據(jù)，后3個(gè)數(shù)據(jù)為3部OLED終端的測試數(shù)據(jù)。

3.2 亮 度

亮度測試結(jié)果如圖12所示。可以看出，選取的22部移動終端中，亮度最低的在300 cd·m-2以下，最高的可以達(dá)到727 cd·m-2，為LCD移動終端。22部移動終端的亮度平均值為480 cd·m-2，OLED移動終端的亮度值均未達(dá)到平均值。

圖12 亮度測試結(jié)果

3.3 黑色亮度

從被測移動終端的測試結(jié)果看，OLED移動終端的黑色亮度最好可達(dá)到0.001 cd·m-2，LCD移動終端的黑色亮度基本分布在0.1～0.2 cd·m-2。可以看出，OLED在低亮細(xì)節(jié)表現(xiàn)上比LCD好。

3.4 對比度

對比度測試結(jié)果如圖13所示，可以看出，移動終端對比度值分布在500倍～2 000倍，平均值為1 263倍，最大值為1 945倍。OLED屏幕的對比度明顯高于大多數(shù)LCD移動終端。

圖13 對比度測試結(jié)果

3.5 亮度均勻性

亮度均勻性測試結(jié)果如圖14所示。所有被測移動終端的測試結(jié)果均在77%以上，平均值在87%，最高可到97%。OLED的均勻性結(jié)果最低為91.4%，均在平均值以上，這說明OLED的有機(jī)材料涂層均勻，LCD背光源在均勻性方面略顯劣勢。

圖14 亮度均勻性測試結(jié)果

3.6 色域覆蓋率

色域覆蓋率的測試結(jié)果如圖15所示。色域覆蓋率的數(shù)據(jù)差異較大，最大值為107%，最小值為53%。這與移動終端采用的面板的性能密切相關(guān)，最終呈現(xiàn)的畫質(zhì)也會有顯著差異。OLED顯示屏的色域覆蓋率比LCD的偏高。

圖15 色域覆蓋率測試結(jié)果

3.7 白平衡誤差

白平衡誤差測試結(jié)果如圖16所示，平均值在-0.002～-0.004。從圖16可以看出，有一款產(chǎn)品的白平衡誤差測試結(jié)果明顯很差，說明其色彩還原能力非常差。除這一款外，其他終端的白平衡誤差均在-0.020～+0.020。

圖16 白平衡誤差測試結(jié)果

3.8 閃 爍

閃爍測試結(jié)果如圖17所示。可以看到，有些移動終端的閃爍值相差將近30 dB，平均值在-40 dB左右，說明閃爍值差的移動終端在長時(shí)間觀看時(shí)，必然會使眼睛疲勞，或者對眼睛造成傷害。從本次測試結(jié)果看，3部OLED終端的表現(xiàn)比LCD的稍好一些。

圖17 閃爍測試結(jié)果

3.9 串 擾

串?dāng)_測試結(jié)果如圖18所示。從圖18可以看出，有11款終端的串?dāng)_測試結(jié)果≤10%，平均值在11%左右。其中串?dāng)_最大的值達(dá)到35%，說明該部移動終端較其他終端畫面失真明顯。

圖18 串?dāng)_測試結(jié)果

3.10 響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果如圖19所示。從測試結(jié)果看，響應(yīng)時(shí)間的平均值在15 ms左右，最小可到2 ms。OLED的響應(yīng)時(shí)間都小于5 ms，比LCD低很多。LCD的響應(yīng)時(shí)間最差超過35 ms，這也是由OLED顯示原理決定的。與LCD相比，OLED沒有液晶分子運(yùn)動的時(shí)間，大大降低了響應(yīng)時(shí)間。

圖19 響應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果

4 結(jié) 語

移動終端已經(jīng)成為人們生活和工作不可缺少的重要組成部分，移動終端的圖像質(zhì)量會直接影響使用者的視覺體驗(yàn)，因此使用者越來越關(guān)注顯示的圖像質(zhì)量。本文針對移動終端的應(yīng)用和關(guān)注點(diǎn)，提出了針對圖像質(zhì)量的測量研究。LCD和OLED各有各的優(yōu)缺點(diǎn)：LCD良品率高、成本低占很大優(yōu)勢，市場份額占比高；OLED的對比度、響應(yīng)時(shí)間和色彩表現(xiàn)好，但是壽命短，會出現(xiàn)燒屏的問題。鑒于目前移動終端顯示方式基本為LCD和OLED兩種，本文僅研究了針對這兩種類型的測量。