Контрастность дисплея

Контраст в физике и цифровых изображениях — это количественное свойство, используемое для описания разницы во внешнем виде между элементами в поле зрения . Он тесно связан с воспринимаемой яркостью объектов и обычно определяется специальными формулами, включающими яркость стимулов. Например, контраст может быть определен количественно как ΔL/L вблизи порога яркости, известный как контраст Вебера . ^[1] или как L _H /L _L при гораздо более высокой яркости. ^[2] Кроме того, контраст может быть результатом различий в цветности , которые определяются колориметрическими характеристиками, такими как цветовая разница ΔE в CIE 1976 UCS (унифицированное цветовое пространство).

Понимание контраста имеет решающее значение в таких областях, как технологии обработки изображений и отображения , где оно существенно влияет на качество рендеринга визуального контента . На контраст электронных визуальных дисплеев влияет тип используемого механизма подачи сигнала , который может быть аналоговым или цифровым. Этот механизм напрямую влияет на то, насколько хорошо дисплей отображает изображения в различных условиях. Кроме того, на контрастность влияют окружающее освещение и направление наблюдения зрителя , что может изменить воспринимаемую яркость и точность цветопередачи.

Яркостный контраст

«Яркостной контраст» представляет собой соотношение между более высокой яркостью L _H и более низкой яркостью L _L , которые определяют обнаруживаемый признак. Это соотношение, часто называемое коэффициентом контрастности , CR (на самом деле это яркости коэффициент ), часто используется для высокой яркости и для определения контрастности электронных устройств визуального отображения . Яркостный контраст (отношение), CR, представляет собой безразмерное число , которое часто обозначается добавлением «:1» к значению частного (например, CR = 900:1).

$CR={\frac {L_{H}}{L_{L}}}$ при 1 ≤ CR ≤ $\infty$

«Коэффициент контрастности» CR = 1 означает отсутствие контраста.

Контраст также можно определить с помощью контрастной модуляции (или контраста Майкельсона ), _CM , определяемой как:

$C_{M}={\frac {(L_{H}-L_{L})}{(L_{H}+L_{L})}}$ при 0 ≤ C _M ≤ 1.

C _M = 0 означает отсутствие контраста.

Другое определение контраста представляет собой практическое применение контраста Вебера . ^[3] В области электронных дисплеев иногда встречается K или _CW :

$C_{W}={\frac {(L_{H}-L_{L})}{L_{H}}}$ при 0 ≤ C _W ≤ 1.

C _W = 0 означает отсутствие контраста, тогда как максимальный контраст C _Wmax равен единице или, чаще всего, описывается как процент, как у Майкельсона, 100%.

Модификация Weber, разработанная Хваунгом/Пели, добавляет к знаменателю смещение бликов для более точного моделирования компьютерных дисплеев. ^[4] Таким образом, модифицированный Вебер :

$C_{m}W={\frac {(L_{H}-L_{L})}{(L_{H}+0.05)}}$

Это более точно моделирует потерю контрастности, которая возникает при более темной яркости дисплея из-за условий окружающего освещения.

Цветовой контраст

Две части поля зрения могут иметь одинаковую яркость, но их цвет ( цветность ) различен. Такой цветовой контраст можно описать расстоянием в подходящей системе цветности (например, CIE 1976 UCS, CIELAB , CIELUV).

Показателем цветового контраста, часто используемым в области электронных дисплеев, является цветовая разница ΔE*uv или ΔE*ab.

Полноэкранный контраст

Во время измерения значений яркости, используемых для оценки контрастности, активная область экрана дисплея часто полностью устанавливается в одно из оптических состояний, для которых необходимо определить контрастность, например, полностью белая (R=G=B=100 %) и полностью черный (R=G=B=0%), а яркость измеряется один за другим (последовательно во времени).

Этот способ действия подходит только в том случае, когда устройство отображения не проявляет эффектов нагрузки , что означает, что яркость тестового изображения меняется в зависимости от размера тестового изображения. Подобные эффекты загрузки можно встретить в ЭЛТ -дисплеях и плазменных дисплеях . Небольшой тестовый шаблон (например, 4%-ный шаблон окна), отображаемый на этих устройствах, может иметь значительно более высокую яркость, чем соответствующий полноэкранный шаблон, поскольку ток питания может быть ограничен специальными электронными схемами. ^{[ нужна ссылка ]}

Полный контраст

Любые два тестовых шаблона, которые не являются полностью идентичными, можно использовать для оценки контраста между ними. Когда один тестовый шаблон содержит полностью яркое состояние (полностью белый, R=G=B=100%), а другой — полностью темное состояние (полностью черный, R=G=B=0%), результирующий контраст называется полный контраст . Этот контраст является наивысшим (максимальным) контрастом, которого может достичь дисплей. Если в технических характеристиках вместе с указанием контраста не указан тестовый шаблон, скорее всего, это будет относиться к полному контрасту . ^{[ нужна ссылка ]}

Статический контраст

Стандартная процедура оценки контрастности следующая: ^{[ нужна ссылка ]}

Примените первый тестовый шаблон к электрическому интерфейсу тестируемого дисплея и подождите, пока оптический отклик не установится в стабильное устойчивое состояние.
Измерьте яркость и/или цветность первого тестового шаблона и запишите результат.
Примените второй тестовый шаблон к электрическому интерфейсу тестируемого дисплея и подождите, пока оптический отклик не установится в стабильное устойчивое состояние.
Измерьте яркость и/или цветность второго тестового шаблона и запишите результат.
Рассчитайте результирующий статический контраст для двух тестовых таблиц, используя одну из перечисленных выше метрик (CR, CM _или K).

Когда яркость и/или цветность измеряются до того, как оптический отклик достиг стабильного устойчивого состояния, своего рода переходный контраст измеряется вместо статического контраста . ^{[ нужна ссылка ]}

Переходный контраст

Когда содержимое изображения быстро меняется, например, во время отображения видео или киноконтента, оптическое состояние дисплея может не достичь запланированного стабильного устойчивого состояния из-за медленного отклика, и, таким образом, видимый контраст снижается по сравнению со статическим контрастом . ^{[ нужна ссылка ]}

Повторяющаяся импульсная характеристика ЖК-монитора	На этом рисунке показан повторяющийся импульсный отклик между несколькими состояниями серого, когда каждое состояние применяется только для одного кадра. Очевидно, что стационарные уровни яркости (обозначенные пунктирными горизонтальными линиями) не достигаются в пределах одного кадра.

Динамический контраст

Это прием расширения контрастности LCD-экранов.

ЖК-экраны состоят из блока подсветки, излучающего постоянный свет, и ЖК-панели перед ним, которая модулирует пропускание света по интенсивности и цветности. Чтобы увеличить контрастность таких ЖК-экранов, подсветка может быть (глобально) затемнена, когда отображаемое изображение темное (т. е. не содержит данных изображения высокой интенсивности), в то время как данные изображения численно корректируются и адаптируются к уменьшенной интенсивности задней подсветки. . Таким образом можно улучшить темные области на темных изображениях и существенно увеличить контраст между последующими кадрами. ^[5] Также контраст в пределах одного кадра можно намеренно увеличить в зависимости от гистограммы изображения (некоторые спорадические блики на изображении могут быть вырезаны или подавлены). человека, требуется определенная цифровая обработка сигнала Для реализации метода динамического управления контрастностью , который приятен для зрительной системы (например, не должно вызываться эффектов мерцания).

Контрастность отдельных кадров ( одновременный контраст ) можно увеличить, если подсветку можно локально затемнить. Этого можно достичь с помощью блоков подсветки, реализованных на основе массивов светодиодов. ^[6] ЖК-дисплеи с расширенным динамическим диапазоном (HDR) используют этот метод для реализации (статических) значений контрастности в диапазоне CR > 100 000. ^[7]

Контраст темной комнаты

Для измерения максимально возможной контрастности темное состояние тестируемого дисплея не должно искажаться светом из окружающей среды, поскольку даже небольшие приращения ΔL в знаменателе отношения (L _H + ΔL) / (L _L + ΔL ) приводят к значительному уменьшению этого коэффициента. По этой причине большинство коэффициентов контрастности, используемых в рекламных целях, измеряются в условиях темной комнаты (освещенность E _DR ≤ 1 лк). ^{[ нужна ссылка ]}

Все излучающие электронные дисплеи (например, ЭЛТ, плазменные дисплеи) теоретически не излучают свет в черном состоянии (R=G=B=0%) и, следовательно, в условиях темной комнаты, когда окружающий свет не отражается от поверхности дисплея в светоизмерительное устройство, яркость черного состояния равна нулю, и, таким образом, контраст становится бесконечным. ^{[ нужна ссылка ]}

Когда эти экраны используются вне полностью темного помещения, например, в гостиной (освещенность около 100 лк) или в офисе (освещенность минимум 300 лк), окружающий свет отражается от поверхности дисплея, увеличивая яркость. темного состояния и, таким образом, значительно уменьшая контраст. ^{[ нужна ссылка ]}

Совершенно новый телевизионный экран, реализованный по технологии OLED, имеет коэффициент контрастности в темной комнате CR = 1 000 000 (один миллион). В реальной ситуации применения при освещенности 100 лк контрастность снижается до ~350, при 300 лк — до ~120. ^[8]

«Окружающий контраст»

Контраст, который можно ощутить или измерить в присутствии окружающего освещения, кратко называют «контрастом окружающей среды». ^[9] Особым видом «контраста окружающей среды» является контраст в условиях наружного освещения, когда освещенность может быть очень интенсивной (до 100 000 лк). Контраст, наблюдаемый в таких условиях, называется «контрастом дневного света». ^[10]

Поскольку темные области дисплея всегда искажаются отраженным светом, разумные значения «окружающего контраста» могут поддерживаться только тогда, когда дисплей снабжен эффективными мерами по уменьшению отражений с помощью антиотражающих и/или антибликовых покрытий. ^{[ нужна ссылка ]}

Параллельный контраст

Когда отображается тестовое изображение, которое содержит области с различной яркостью и/или цветностью (например, шахматный узор), и наблюдатель видит разные области одновременно, видимый контраст называется параллельным контрастом (термин «одновременный контраст» уже используется для другого эффект). Значения контрастности, полученные из двух последовательно отображаемых полноэкранных шаблонов, могут отличаться от значений, оцененных из шахматного шаблона с теми же оптическими состояниями. Это несоответствие может быть связано с неидеальными свойствами экрана дисплея (например, перекрестными помехами, ореолами и т. д.) и/или из-за проблем с рассеянным светом в светоизмерительном устройстве. ^{[ нужна ссылка ]}

Последовательный контраст

Когда между двумя оптическими состояниями, которые воспринимаются или измеряются одно за другим, устанавливается контраст, этот контраст называется последовательным контрастом . Контраст между двумя полноэкранными шаблонами (полноэкранный контраст) всегда является последовательным контрастом . ^{[ нужна ссылка ]}

Методы измерения

контрастность дисплеев прямого обзора
контрастность проекционных дисплеев

В зависимости от типа тестируемого дисплея (прямого обзора или проекции) контрастность оценивается как частное от значений яркости (прямой обзор) или как частное от значений освещенности (проекционные дисплеи), если свойства экрана проекционного отделен от проектора. В последнем случае проецируется шахматный узор с полностью белыми и полностью черными прямоугольниками, а освещенность измеряется в центре прямоугольников. ^[11] Стандарт ANSI IT7.215-1992 определяет схемы испытаний и места измерения, а также способ получения светового потока на основе измерений освещенности, однако он не определяет величину, называемую «ANSI люмен». ^{[ нужна ссылка ]}

Если в измерение включены отражающие свойства проекционного экрана (обычно в зависимости от направления), то яркость, отраженную от центров прямоугольников, должна быть измерена для (набора) конкретных направлений наблюдения .

Яркость , контрастность и цветность обычно ЖК-экранов меняются в зависимости от направления наблюдения (т.е. направления просмотра ). Изменение электрооптических характеристик в зависимости от направления наблюдения можно измерить последовательно путем механического сканирования конуса наблюдения ( гониоскопический подход) или путем одновременных измерений на основе коноскопии . ^[12]

См. также

Ссылки

^ «Вебер и коэффициенты контрастности» . poynton.ca . Проверено 18 апреля 2024 г.
^ МЭК(50)845-02-47
^ «Яркостной контраст» .
^ Хван, Алекс Д; Пели, Эли (14 февраля 2016 г.). «Приложение для измерения контрастной чувствительности положительной и отрицательной полярности» . Электронная визуализация . 2016 (16): 1–6. doi : 10.2352/ISSN.2470-1173.2016.16.HVEI-122 . ПМЦ 5481843 . ПМИД 28649669 .
^ Сига, Т.; Микошиба, С. (2003). «49.2: Уменьшение мощности подсветки LCTV и улучшение возможностей шкалы серого за счет использования метода адаптивного затемнения». Сборник технических документов симпозиума SID . 34 (1): 1364. дои : 10.1889/1.1832539 . S2CID 62588415 .
^ Чен, Ханфэн; Сун, Чуно; Ха, Тэхён; Пак, Юнджун (2007). «Локальное затемнение подсветки с компенсацией пикселей на ЖК-телевизорах со светодиодной подсветкой». Журнал Общества отображения информации . 15 (12): 981. дои : 10.1889/1.2825108 . S2CID 62621574 .
^ Зитцен, Хельге; Уайтхед, Лорн А.; Уорд, Грег (2003). «54.2: Дисплей с расширенным динамическим диапазоном с использованием модуляторов низкого и высокого разрешения». Сборник технических документов симпозиума SID . 34 (1): 1450. дои : 10.1889/1.1832558 . S2CID 15359222 .
^ СТОП-специализация
^ Э. Ф. Келли: «Измерения диффузного отражения и окружающего контраста с использованием сферы отбора проб», SID ADEAC06 Digest, стр. 1-5
^ Келли, Эдвард Ф.; Линдфорс, Макс; Пенчек, Джон (2006). «Отображение методов измерения контрастности окружающего света при дневном свете и читаемости при дневном свете». Журнал Общества отображения информации . 14 (11): 1019. дои : 10.1889/1.2393026 . S2CID 61094696 .
^ ANSI IT7.215-1992: Оборудование для проецирования данных и дисплеи данных на большом экране. Методы испытаний и эксплуатационные характеристики.
^ М. Е. Беккер: «Анализ ЖК-дисплеев с помощью смотрового конуса: сравнение методов измерения», Proc. СИД'96, стр. 199.

Внешние ссылки

Чарльз Пойнтон: Снижение напряжения глаз при просмотре видео и компьютерных мониторов
Контрастность OLED-экрана Sonys XEL-1 с внешней подсветкой [1]

[1] «Вебер и коэффициенты контрастности» . poynton.ca . Проверено 18 апреля 2024 г.

[2] МЭК(50)845-02-47

[3] «Яркостной контраст» .

[4] Хван, Алекс Д; Пели, Эли (14 февраля 2016 г.). «Приложение для измерения контрастной чувствительности положительной и отрицательной полярности» . Электронная визуализация . 2016 (16): 1–6. doi : 10.2352/ISSN.2470-1173.2016.16.HVEI-122 . ПМЦ 5481843 . ПМИД 28649669 .

[5] Сига, Т.; Микошиба, С. (2003). «49.2: Уменьшение мощности подсветки LCTV и улучшение возможностей шкалы серого за счет использования метода адаптивного затемнения». Сборник технических документов симпозиума SID . 34 (1): 1364. дои : 10.1889/1.1832539 . S2CID 62588415 .

[6] Чен, Ханфэн; Сун, Чуно; Ха, Тэхён; Пак, Юнджун (2007). «Локальное затемнение подсветки с компенсацией пикселей на ЖК-телевизорах со светодиодной подсветкой». Журнал Общества отображения информации . 15 (12): 981. дои : 10.1889/1.2825108 . S2CID 62621574 .

[7] Зитцен, Хельге; Уайтхед, Лорн А.; Уорд, Грег (2003). «54.2: Дисплей с расширенным динамическим диапазоном с использованием модуляторов низкого и высокого разрешения». Сборник технических документов симпозиума SID . 34 (1): 1450. дои : 10.1889/1.1832558 . S2CID 15359222 .

[8] СТОП-специализация

[9] Э. Ф. Келли: «Измерения диффузного отражения и окружающего контраста с использованием сферы отбора проб», SID ADEAC06 Digest, стр. 1-5

[10] Келли, Эдвард Ф.; Линдфорс, Макс; Пенчек, Джон (2006). «Отображение методов измерения контрастности окружающего света при дневном свете и читаемости при дневном свете». Журнал Общества отображения информации . 14 (11): 1019. дои : 10.1889/1.2393026 . S2CID 61094696 .

[11] ANSI IT7.215-1992: Оборудование для проецирования данных и дисплеи данных на большом экране. Методы испытаний и эксплуатационные характеристики.

[12] М. Е. Беккер: «Анализ ЖК-дисплеев с помощью смотрового конуса: сравнение методов измерения», Proc. СИД'96, стр. 199.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]