環境照度對手機亮度最優值的影響

葉 程，劉 真＊，張建青，吳明光

（1.上海理工大學，上海 200093；2.南京師范大學 虛擬地理環境教育部重點實驗室，江蘇 南京 200046）

1 引 言

智能手機憑借著其日漸強大的功能和輕便、易隨身攜帶的優點，已成為當今人們日常生活工作不可或缺的重要工具，手機屏幕作為一種新型的視覺顯示器，其分辨率和圖像再現能力不斷提高，已成為顯示設備領域的重要組成部分。和其他顯示設備類似，手機屏幕的顯示效果會受到諸多自身和環境因素的影響。根據韋伯定律的原理，周圍環境的變化會對人眼對比度敏感視覺特性產生影響，不同環境照度和空間頻率下人眼的敏感程度不同［1］。M.R.Luo等研究者指出，不同手機亮度下手機屏幕的顯示特性不同、顯示色域存在差異，不同環境照度下手機屏幕的顯示會有不同的色貌表現［2－3］。上海理工大學的張建青等人的研究指出，在不同手機亮度下手機屏幕的色域、色域覆蓋率、通道獨立性及色品穩定性均有不同［4］。然而以往的研究往往是單一的考慮環境照度或者手機亮度的改變對手機顯示效果的影響，很少綜合考慮環境照度和手機亮度之間的關系，并且研究方法主要集中在相應理論模型的推導和硬件測試上，很少采取主觀評價實驗研究環境照度和手機亮度對顯示效果的影響。

針對手機使用環境多變的特點，目前世界上主要手機廠商生產的手機設備均具備亮度隨環境照度變化的自動調節功能。然而不同品牌手機之間的屏幕亮度自動調節方法不同，并沒有形成統一的標準，不同環境照度下手機自動調節的屏幕亮度是否能達到最優的顯示效果還存在疑問。本文首先對常見的手機使用環境照度進行測量，在測量的基礎上將三星Galaxy S3、諾基亞920和iPhone 4S三款手機分別置于14組不同的環境照度水平下對其亮度自動調節功能進行測試。在測試的基礎上綜合三款手機的亮度自動調節效果，在6個有代表性的環境照度水平下分別選取4個手機亮度，并在這24個不同環境照度水平、不同手機亮度水平下進行手機屏幕顯示質量主觀評價實驗。根據主觀評價實驗的結果，在上述6個環境照度水平下分別將手機亮度調整至主觀評價得分最高的手機亮度水平與手機自動調節的亮度水平，對手機的亮度對比度、顯示顏色的飽和度以及色域范圍等客觀顯示質量參數進行測量比較。最后結合主觀評價與參數測量的結果確定不同環境照度下手機屏幕亮度的最優建議值。

2 實驗方案

2.1 實驗設備及環境

測試目標為三星Galaxy S3、諾基亞920和iPhone 4S。測量儀器為CS2000分光輻射亮度計、環境照度計。色彩管理軟件為ProfileMaker、Photoshop。數據分析軟件為Matlab、Excel。

實驗環境：標準暗室、GTI標準燈箱。

2.2 實驗過程及數據采集

（1）對常見的手機使用環境的照度進行測量并記錄數據。常見使用環境的照度見表1。

表1 手機常見使用環境的照度Tab.1 Environmental illumination of common used mobile phone environment

（2）將被測手機的各項參數調整到出廠時的預設狀態，手機亮度調節方式調整至自動調節狀態。打開GTI標準燈箱的D65光源，通過燈箱的光源照度調節按鈕調節實驗室的環境照度，選取1000、900、800、700、600、500、400、300、250、200、150、100、50、0lx共14個環境照度水平用于模擬手機使用環境的照度。分別將3款被測手機放置在這14個環境照度水平下并讓手機全屏顯示標準白色塊，使用CS2000分光輻射亮度計測量手機所顯示白色塊的亮度值（Y刺激值）并記錄。

（3）將（2）中測得的數據采用多項式擬合的方法擬合出3款手機的自動調節亮度隨環境照度變化的關系曲線。

（4）在GTI標準燈箱的D65光源下選取800、600、400、300、150、0lx共6個環境照度水平作為手機屏幕顯示質量主觀評價實驗的環境自變量。其中，照度800lx用于模擬室外明亮環境，照度600lx模擬室外陰暗環境，照度400、300、150lx分別用于模擬室內明亮、中等和陰暗環境，照度0lx則用于模擬夜晚黑暗環境。在選取的6個環境照度水平下再分別選取4個手機亮度水平作為圖像質量主觀評價實驗的手機亮度自變量。不同環境照度下選取的手機亮度水平如表2所示，其中手機亮度3為對應環境照度下iPhone 4S的自動調節亮度，亮度值1和2高于亮度值3，亮度值4低于亮度值3。主觀實驗中環境照度為被試間變量，手機屏幕亮度為被試內變量。

表2 主觀實驗環境照度及手機屏幕亮度Tab.2 Environment illumination and mobile phone brightness for subjective experiment

（5）在ISO標準圖像庫中選取ISO300N3、N4、N5、N6、N7共5幅標準圖像，這5幅圖涵蓋了人眼基本記憶色并能用于評價各項圖像質量指標。選取iPhone 4S作為手機屏幕顯示質量主觀評價實驗的手機屏幕顯示器，相比于其他兩款被測手機，iPhone 4S的手機亮度可變范圍更大并且能夠方便地手動調節屏幕亮度。主觀實驗所選用標準測試圖如圖1所示。

（6）選取8名年齡在20歲到25歲之間、男女各半、顏色視覺正常的觀察者進行手機屏幕顯示質量主觀評價實驗。觀察者在選取的不同環境照度、不同手機亮度下觀看iPhone 4S顯示的5幅標準圖像，并對屏幕顯示圖像的階調層次、色彩飽和度、圖像清晰度和人眼舒適度進行評分，評價采用5級評分，5分表示優秀、4分表示良好、3分表示中等、2分表示不良、1分表示極差。

圖1 主觀實驗所用ISO300標準測試圖像Fig.1 ISO300standard test image for subjective experiment

（7）將主觀實驗所得的數據使用Excel和Matlab軟件進行處理，分別統計5幅標準圖像在不同環境照度、不同手機亮度下的階調層次、色彩飽和度、圖像清晰度和人眼舒適度得分。在數據統計時，依據3個標準差原則將異常數據刪除以保證數據準確度。

（8）根據手機屏幕顯示質量主觀評價實驗的評分結果，在（4）中所述的6個不同環境照度下分別將iPhone 4S的亮度調整至主觀評價實驗中綜合得分最高的亮度與手機自動調節的亮度，共得到12組不同的環境照度與手機亮度組合，并在這12組環境照度與手機亮度組合下分別顯示ProfileMaker色彩管理軟件內置的99個LCD顯示器特征化色塊，使用CS2000分光輻射亮度計測量各色塊的色度數據，利用測得的數據計算iPhone 4S在這兩個手機亮度下的亮度對比度、顏色飽和度。亮度對比度計算公式為：

式中：C表示亮度對比度，YW與YK分別為白色塊與黑色塊的Y刺激值。顏色飽和度的計算公式為：

式中：S表示顏色飽和度，a＊與b＊分別為所測色塊的CIE 1976LAB色度值。此外，將所測各色塊的色度數據讀入ProfileMaker中，并比較這兩個手機亮度下的色域范圍。

3 實驗結果與分析

3.1 手機常見使用環境照度測量

從表1的數據可以看到，除了某些特殊室外環境下的環境照度過高之外，手機常見的使用環境照度集中在0～1000lx，無陽光直射的室外環境下的照度在600～1000lx，室內環境的照度則在0～600lx變化。

3.2 手機自動亮度調節功能測試

將CS2000分光輻射亮度計所測得的手機在14組不同環境照度下的自動調節亮度數據進行多項式擬合處理，得到被測3款手機屏幕自動調節亮度隨環境照度變化的關系見圖2。

圖2 手機自動調節亮度隨環境照度變化曲線Fig.2 Changing curves of mobile phone brightness with environmental illumination

從圖2中可以看出，隨著外界環境照度的增加，手機自動調節亮度總體呈上升趨勢，但3款手機的亮度變化趨勢又有不同。iPhone 4S的自動亮度可調節范圍大，在0～1000lx的環境照度范圍下，自動調節亮度范圍在14～496cd／m2，隨著環境照度的增加，iPhone 4S的手機亮度上升趨勢明顯，并且總體表現出線性上升的態勢。諾基亞920的自動亮度調節范圍較小，在0～1000lx的環境照度范圍下，自動調節亮度范圍在27～169 cd／m2，在環境照度大于400lx后，其自動調節亮度上升緩慢。三星Galaxy S3則介于前兩者之間，在0～1000lx的環境照度范圍下，自動調節亮度范圍在8～356cd／m2，環境照度在300lx以下時屏幕亮度上升趨勢明顯，環境照度在300～600lx時亮度上升趨勢趨緩，在環境照度高于600lx之后手機亮度的上升趨勢再一次加強。

3.3 手機屏幕顯示質量主觀評價實驗

在表2所示的不同環境照度和手機亮度水平下使用iPhone 4S分別顯示選取的5幅ISO標準圖像，由測試者觀察圖像并對手機的顯示效果從階調層次、色彩飽和度、圖像清晰度和人眼舒適度4個方面進行評分。通過分析數據發現，在所選取的6個環境照度水平下，iPhone 4S在手機亮度1和2下的各項質量指標得分高于亮度3和4下的得分，在亮度1和亮度2下除了人眼舒適度得分大致相同外，亮度1的其他3項得分均高于亮度2下的對應得分。由于篇幅所限，下面以ISO300N5標準圖的得分情況為例進行具體說明，其它標準圖的得分情況類似。

表3是不同環境照度、不同手機亮度下被試圖像ISO300N5所得的階調層次平均分及數據標準差。從表中可以看出，在環境照度不變的情況下手機亮度4至亮度1的階調層次得分依次上升，可見隨著手機亮度的升高，手機屏幕的階調層次再現能力增強。被試手機在所測環境照度下自動調節的亮度值偏暗，并非再現圖像階調層次的最優亮度值。

表3 不同環境照度、手機亮度下ISO300N5的階調層次得分Tab.3 Scores of tone under different environmental illumination and different mobile phone brightness

表4是不同環境照度、不同手機亮度下被試圖像ISO300N5所得的色彩飽和度平均分及數據標準差。從表中可以看出，在環境照度不變的情況下手機亮度4至亮度1的色彩飽和度得分依次上升，可見隨著手機亮度的升高，手機屏幕的色彩再現能力增強。被試手機在所測環境照度下自動調節的亮度值偏暗，并非再現圖像色彩的最優亮度值。

表4 不同環境照度、手機亮度下ISO300N5的色彩飽和得分Tab.4 Scores of color saturation under different environmental illumination and different mobile phone brightness

表5 不同環境照度、手機亮度下ISO300N5的清晰度得分Tab.5 Scores of color clarity under different environmental illumination and different mobile phone brightness

表5是不同環境照度、不同手機亮度下被試圖像ISO300N5所得的圖像清晰度平均分及數據標準差。從表中可以看出，在環境照度不變的情況下手機亮度4至亮度1的圖像清晰度得分依次上升，可見隨著手機亮度的升高，手機屏幕顯示圖像的清晰度增強。被試手機在所測環境照度下自動調節的亮度值偏暗，并非獲得優秀圖像清晰度的最優亮度值。

表6是不同環境照度、不同手機亮度下被試圖像ISO300N5所得的人眼舒適度平均分及數據標準差。從表中可以看出，在環境照度不變的情況下手機亮度1和2的人眼舒適度得分大致相當，均高于亮度3和4下的得分?？梢娫谕饨绛h境照度不變的情況下，在一定亮度范圍內隨著手機屏幕亮度的增加，被試者的人眼舒適度增加。但手機亮度并非越高越好，手機亮度增加到一定值后，人眼舒適度的改善趨勢變緩，甚至會出現人眼舒適度降低的情況。被試手機在所測環境照度下自動調節的亮度值偏暗，并非獲得良好人眼舒適感受的最優亮度值。

表6 不同環境照度、手機亮度下ISO300N5的人眼舒適得分Tab.6 Scores of color clarity under different environmental illumination and different mobile phone brightness

3.4 手機屏幕顯示質量參數測量

在主觀實驗所用的6個環境照度下將iPhone 4S的屏幕亮度分別調整至主觀實驗中綜合得分最高的手機亮度值（以下簡稱主觀亮度）與手機自動調整的亮度值（見表2，以下簡稱自動亮度）并對手機在這兩種亮度下的亮度對比度、顏色飽和度和色域范圍進行測量。測量結果表明，相比于手機在自動亮度下的顯示效果，不同環境照度下iPhone 4S的屏幕亮度為主觀亮度時的亮度對比度、顏色飽和度和色域范圍均有明顯的改善。下面對iPhone 4S在兩個不同手機亮度下的亮度對比度變化做具體說明；以紅、青色塊為例對iPhone 4S在兩個不同手機亮度下的顏色飽和度變化做具體說明，其他被測的顏色飽和度變化情況類似；以800lx的環境照度下手機的色域范圍為例對兩個不同手機亮度下的色域范圍變化做具體說明，其他環境照度下的色域變化情況類似。不同環境照度下的主觀亮度如表7所示。

表7 主觀實驗中綜合得分最高的屏幕亮度值Tab.7 Optimal values of mobile phone screen brightness in subjective experiments

圖3所示為iPhone 4S在6個環境照度下手機屏幕亮度分別為主觀亮度和自動亮度時亮度對比度數值，圖中數據顯示手機在主觀亮度下的亮度對比度均高于自動亮度下的亮度對比度數值，可見當手機亮度調整至主觀亮度時將會獲得更好的圖像清晰度與更大的階調變化范圍。

圖3 不同環境照度、手機亮度下的屏幕亮度對比度Fig.3 Contrast value of mobile phone under different environmental illumination and mobile phone brightness

圖4中上、下方兩組數據分別為iPhone 4S在6個環境照度下手機屏幕亮度分別為主觀亮度和自動亮度時所顯示紅、青色塊的顏色飽和度，可以看出紅、青色塊在主觀亮度下的顏色飽和度高于自動亮度下的顏色飽和度數值，可見當手機亮度調整至主觀亮度時將會獲得更好的色彩再現效果。

圖4 不同環境照度、手機亮度下的紅、青色塊顏色飽和度Fig.4 Saturation values of red and cyan under different environmental illumination and mobile phone brightness

圖5所示為iPhone 4S在800lx的環境照度下亮度調整至主觀亮度與自動亮度時的色域范圍，為了直觀地比較二者的差異，圖中主觀亮度下的色域采用散點進行表示，自動亮度下的色域范圍則采用深灰色多面體進行表示，可以看出手機在主觀亮度下的色域基本包含了自動亮度下的色域，可見當手機亮度調整至主觀亮度時能顯示更多的顏色。

圖5 800lx環境照度下兩種手機亮度對應的色域范圍Fig.5 Gamut range of two different mobile phone brightness corresponding to the 800lx environment illumination

綜合不同環境照度與手機亮度組合下手機屏幕顯示質量主觀評價實驗中iPhone 4S所顯示5幅標準圖像的階調層次、色彩飽和度、圖像清晰度、人眼舒適度的得分以及測得的亮度對比度、顏色飽和度、色域范圍等客觀顯示質量參數，分析得出不同環境照度下的手機亮度最優值。將得到的最優值數據進行多項式擬合，并與iPhone 4S在亮度自動調節狀態下的亮度曲線進行比較。擬合后的手機最優亮度曲線見圖6。

圖6 不同環境照度下手機亮度最優值Fig.6 Optimal values of mobile phone brightness under different environment illumination brightness

4 結 論

本文研究結果表明，外界環境照度的改變和手機亮度的變化均會影響到手機屏幕的顯示質量，在環境照度不變的情況下，適當提高手機屏幕的顯示亮度能有效地改善手機屏幕的階調層次、色彩飽和度和清晰度的再現能力，獲得更好的顯示質量，并能提高人眼觀看的舒適度。在800lx的環境照度下，手機屏幕最優亮度值為496cd／m2，在600lx的環境照度下，手機屏幕最優亮度值為470cd／m2，在400lx的環境照度下，手機屏幕最優亮度值為436cd／m2，在300lx的環境照度下，手機屏幕最優亮度值為308 cd／m2，在150lx的環境照度下，手機屏幕最優亮度值為170cd／m2，在0lx的環境照度下，手機屏幕最優亮度值為55cd／m2。

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