IPAD IPHONE显示性能测试研究

张建青，刘 真，卢智平，张 茜

（1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093；2.曲阜师范大学 印刷学院，山东 日照276826；3.上海理工大学 出版印刷与艺术设计学院，上海200093）

1 引 言

平板电脑、智能手机这类移动终端，以其携带、使用方便，逐渐完善的网络功能以及色彩再现能力增强的特色，逐渐成为重要的显示设备，弥补了专业显示器受使用场所限制的不足。已有设计师通过平板电脑给顾客看设计样品，小尺寸的设计样品也可通过智能手机观看 ，YungKyung Park等，针对手机在不同亮度环境使用的特点，提出了Refined CIECAM02 模型，预测不同亮度环境下手机显示的颜色与图像的色貌值［1］。然而客户通过移动终端或显示器看到的显示结果是否一致，移动终端是否达到专业显示设备的要求，有待进一步研究。目前国内外针对移动终端显示性能的研究较少。苹果公司在其移动终端产品中采用了Retina Display技术后，这些移动终端显示的图片层次细腻，边缘清晰、色彩饱和度较高，因此本研究以某液晶专业显示器A 为参照以采用了Retina Display技术的iPhone4s（下文中简称iPhone）和the new ipad（下文简称ipad）为研究个案，分析移动终端的显示性能。IEC（国际电工委员会）61966－4专门针对跨媒体颜色测量及管理中的液晶显示器性能评价方法做了规范，VESA（视频电子标准协会）也定义了用于显示器性能测试的规范［2－3］，本文以此为主要依据，结合移动终端显示设备的特点，设计了一套显示设备性能测试方法，对移动终端显示设备显示性能进行评价对比［4－8］。本文分析了显示设备预热时间的稳定性；考虑到移动终端只有亮度可调节，而亮度对色貌以及显示设备的色域覆盖率影响较大等因素，本文分析了亮度对颜色显示均匀性和对色域覆盖率的影响；分析了特定亮度下色品恒定性以及通道相加性；最后分析比较了特定亮度下显示设备的色域。

2 主要研究内容与结果

2.1 实验设备及软件

主要实验设备有专业液晶显示器A，Iphone以及ipad；测量仪器：x－rite公司的分光光度计Eye－one pro；软 件 有Profilemaker5.05，Matlab2011，EXCEL。

2.2 显示设备预热时间稳定性实验及结果分析

预热时间稳定性是指显示设备从开机时刻起，显示颜色的色度信息随时间的变化情况。显示设备色度信息随时间的变化越小，显示设备的预热时间稳定性越好［3，8］。测量位置均为显示屏中间点。对于专业显示器A，从开机起的4h内，每分钟测试一次显示器上全屏显示的白色块，ipad从待机状态开机起的连续4h内，每分钟测试一次全屏显示的白色块，Iphone由黑屏的屏幕保护状态开启后，连续4h内，每分钟测试一次全屏显示的白色块。

图1 三个显示设备的白色色差随时间变化曲线Fig.1 White color difference of three displays varied with time

各显示设备的白色色差随时间的变化情况见图1，其中参考L＊a＊b＊值为显示设备最后100min测量值的平均值。由图1可知，3个显示设备的色差均随时间的增加而降低，专业显示器A 的稳定性最好，在开机52min之后，色差在0.5以下，100 min 之 后 其 色 差 基 本 接 近0；ipadipad 与iphone在开启屏幕50min之后其色差在1以下；开机100 min 之后其色差均在0.5 以下。开机50min后色差均低于普通观察者的视觉阈值，满足实际应用的需求。

2.3 亮度对显示设备颜色再现均匀性影响的测试及结果分析

Eye－one pro测量自发光体时，测量得到的Y值的单位是亮度单位cd／m2，可测量光谱范围为380～730nm［9］，测量自发光体显示的白色色块Y 值可代表背光源的亮度值［4，10］。

被测设备开机1h预热。在另一台电脑中，打开Profilemaker5.05的measure tool工具进行测量。测量色块为白（R255，G255，B255）、红（R255，G0，B0）绿（R0，G255，B0）蓝（R0，G0，B255）青（R0，G255，B255）品（R255，G0，B255）黄（R255，G255，B0）灰（R128，G128，B128）色块。调整显示设备亮度按钮，在不同亮度下依次全屏显示各色块。以屏幕中心点为参考点，先随机测量计算不同位置与中心点之间的色差，结果表明，测量点距中心点的位置越远，色差越大，这一规律不受亮度以及显示颜色的影响。选择10名年龄在20～40岁的观察者对三个显示设备人眼视觉关注范围做了主观评判，以上述初步测试结果以及主观评判结果为依据，选择了显示屏角点位置附近的点作为测量显示颜色均匀性的测试点。具体选择位置如下：The new pad的4个测试点为距离屏幕边缘2.5cm 的交叉点，Iphone4s的4个测试点距离屏幕边缘1.5cm 的交叉点，专业显示器A 的测试点为距离屏幕边缘4cm 的交叉点。左上角、右上角、左下角和右下角的测试点分别为位置1、2、3和4（开关所在位置为下）。测量数据见表1～表3。

分析3个设备的测试数据可知，3个显示设备测量点与中心点的色差值ΔEab均小于5，表明3个显示设备显示颜色的均匀性都较好；其中：测试点位置对色差影响：由表1可知，专业显示器A 显示器位置1和3与中心点的色差略大，位置2、4与中心点的色差略小；由表2可知，the new ipad测量点与中心点之间的色差由大到小的顺序是位置1、2、3和4；由表3可知iphone测量点与中心点之间的色差是位置2色差最大，位置1次之，位置3和4与中心点之间的色差较小，且其色差值接近。亮度对色差影响：3个显示设备不同测量位置与中心点之间的色差基本随亮度的降低略有减小。颜色对色差的影响：专业显示器A 红色色差值偏大，蓝色色差值偏小，其余色差值相近；the new ipad颜色对其色差的影响不明显；iphone白色、红色、黄色和品红色色差略大，其余颜色色差值相近。不同设备间的比较：整体而言，Iphone的色差最小，专业显示器A 的色差最大。

选择10名年龄在20～40岁，具有色彩科学基础理论知识的观察者对3 个显示设备全屏显示各色块进行了主观评价，评价结果为感觉不到屏幕不同位置有明显颜色差异。

所选3个设备颜色再现的均匀性都可以满足视觉要求。

表1 测试点与中心点之间的色差（专业显示器A）Tab.1 Color difference between test points and the center（professional display A）

续表

表2 不同测试点与中心点之间的色差（ipad）Tab.2 Color difference between test points and the center（ipad）

表3 不同测试点与中心点之间的色差（iPhone）Tab.3 Color difference between test points and the center（iPhone）

续表

2.4 亮度对显示设备色域覆盖率影响的测试及结果分析

CIE1976 L＊u＊v＊是 均 匀 色 度 空 间，与CIE1976 L＊a＊b＊描述颜色感觉的方式相同，视觉均匀性上也很接近，主要应用加色法的色光混合，比如显示器、电视等应用领域［9］。

CIE1931色度图的x，y 表示的色度空间不是均匀的色度空间，无法用（x，y）色度图准确表示显示设备所显示的色域，因此，需要将其转换到均匀色度空间CIE1976L＊u＊v＊下表示设备的色域，其坐标系为（u′，v′），u′，v′与三刺激值X、Y、Z 之间的换算关系是：

色域覆盖率是指：在CIE1976均匀色度空间（u′，v′）显示设备显示的色域面积（即三基色R、G、B三角形的面积）与占（u′，v′）色度空间全部光谱（380～780 nm）面积（0.1952）的百分数，用Gp表示［5，7］。

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

通过测量不同亮度下白、红、绿和蓝色块的三刺激值，即可用公式（1）～（4）计算不同亮度下显示设备的色域覆盖率Gp。计算出各显示设备每一亮度下的Gp值，用cftool工具拟合了Gp随亮度变化的曲线，如图2所示：ipad的Gp范围为33.9%～34.7%，Y 值增大时，Gp急剧下降，Y 到20%之后，Gp变化平缓，Y 在50%～100%时，Gp基本保持34%不变；iPhone 的Gp值范围为18.42%～18.52%，Y 变大时Gp急剧增加，Y 到20%之后，Gp变化平缓，Y 在50%～100%时，Gp基本保持18.5%左右；专业显示器A 的Gp范围在28.4%～28.9%之间，Y 小于30%时，Gp值快速上升，Y 在50%～85%范围时，Gp基本保持28.72%左右，Y 大于85%范围后，Gp值快速上升，其稳定性比较见表4。

图2 三个显示设备色域覆盖率随亮度变化曲线Fig.2 Curves of Gpchanged with the brightness of three displays

表4 三个显示设备的色域覆盖率稳定性比较Tab.4 Device’s Gpstability comparison of the three displays

2.5 色品恒定性的测试及结果分析

显示设备的色品恒定性是指主色、二次色或三次色在不同驱动值情况下，所显示色块对应色品坐标的变化情况。显示设备的色品恒定性越好，显示 设 备 的 显 色 越 准 确［8，10－11］。在 显 示 设 备上全屏显示红、绿、蓝、黄、品红、青以及灰色渐变色块，色块的R、G、B 值分别以0、16、32、64、96、128、160、192、224、240、255变化。测量显示屏中心点位置的色度值X、Y、Z，测量三次取平均值。记录测量结果。在uv 均匀色空间中画出其色品图，如图3所示。

图3 三个显示设备红、绿、蓝、黄、品红、青、灰色的色品坐标图Fig.3 Chroma coordinates distribution of R，G，B，Y，M，C and K of three displays

由图3 可知，3 个显示设备的不同色系对的色品坐标都有一定的波动性，但总体上专业显示器A 的最好，ipad与专业显示器A 的基本相近，两者都是有更多的颜色点在色品图上重合，iphone较差，但其离散点基本分布在该点所属色系色品坐标与白色色品坐标的连线上。

2.6 通道可加性的测试及结果分析

显示器的通道可加性也称为通道独立性，指混合通道下的三刺激值等于各个通道分别单独作用时三刺激值之和。大部分显示设备通道间存在干扰，只能近似满足通道相加性。但显示器满足通道相加性是其特征化时的重要假设前提条件，因 此 通 道 相 加 性 的 色 差 越 小 越 好［7，11，12］。图4为利用红、绿、蓝、黄、品、青、灰色块测量计算得到的三类显示设备的通道相加性色差图。由图4可知，专业显示器A 的通道相加性最好，其色差在1.5 以下，且各颜色间色差差别不大，ipad通道相加性色差3.0 以下，iphone的为4.0以下，ipad和iphone的灰色和品红色的色差较大。ipad通道相加性好于参考文献［8］中的专业显示器A 的通道相加性。

2.7 显示设备显示色域实验及结果分析

图4 三类显示设备青、品红、黄和灰色的相加性色差Fig.4 Accumulative color difference of C，M，Y and K of three kinds displays

显示设备色域指显示设备所能显示的颜色范围［8，13］。目前大部分的设计制作行业以sRGB为标准颜色空间，显示设备再现sRGB 色空间的颜色越多越好；而在印刷行业中，专业显示设备主要用于软打样，显示设备的色域能否完全包含印刷输出色域决定着软打样的准确程度，因此，本研究将显示设备的色域与sRGB 色域、较大色域的多色打印机HPZ3200色域以及较大色域的印刷输出webcoatedFOGRA 色域进行了比较。在MATlab中编程制作1 331个色块，其R、G、B值分别以0、16、32、64、96、128、160、192、224、240、255变化。色块在显示设备中全屏显示，将显示设备的亮度调整在稳定的Gp对应的亮度范围并固定。测量显示屏中心点位置的色度值X、Y、Z，记录测量结果。在Profilemaker5.05 软件中，利用1 331色块的色度值制作各显示设备的.icc特性文件。用ProfileEditer分析比较各显示设备色域，图5为3个显示设备色域与sRGB 色域比较的立体图，图中灰色代表sRGB 色域。可见，专业显示器A 和iThe new pad各有部分颜色在sRGB 色域之外，sRGB 有部分颜色在专业显示 器A 和The new ipad 色 域 之 外，iphone4s色域除很小一部分颜色外，基本被sRGB 色域包含在内。

图5 三个显示设备色域与SRGB色域的比较Fig.5 Comparison of three displays with sRGB in color gamut

图6 为3 个显示设备的色域与sRGB、HPZ3200 色域以及webcoatedFOGRA28色域在L＝50时的二维平面比较图，如图6所示，专业显示器A 色域以及ipad色域较大，包含了绝大部分的sRGB色域，但在左上角黄绿色区域有部分sRGB 颜色超出其范围，而此颜色位置基本是ipad的色域最大，而图右上角专业显示器A 的色域范围大，右下角ipad的色域大，iphone色域基本被包含在sRGB色域内；较大色域的印刷颜色大部分在显示设备的色域内但在蓝绿色区域，如图6左侧所示，有大量的可印刷颜色在这3个显示设备的色域之外，即这些颜色可印刷、打印输出，但在这3个显示设备上无法准确显示。

图6 三个显示设备色域与SRGB、HPZ3200、webcoated－FOGRA 色域比较Fig.6 Comparison of three displays with sRGB，HPZ3200，webcoatedFOGRA28in color gamut

3 结 论

实验结果表明ipad和iPhone时间稳定性都较好，略次于专业显示器A 的时间稳定性；ipad和iPhone的颜色再现均匀性都较好，略好于专业显示器A 的，ipad各颜色间显示均匀性一致性最好；专业显示器A 稳定的Gp为28.72%，ipad稳定的Gp为34%，大于28.72%，iPhone稳定的Gp值为18.5%小于28.72%；ipad色品恒定性与专业显示器A 的基本相近，iPhone的次于专业显示器A 的；ipad的通道相加性略次于专业显示器A的，iPhone的通道相加性略次于ipad的；ipad的显示色域较大，基本包含了sRGB 色域，iPhone的色域较小，基本被sRGB、ipad以及专业显示器A 的色域包含。

以上结果表明，ipad可以考虑作为专业显示设备的辅助设备使用，iPhone色域较小，色品恒定性与通道相加性不是很好，故不适合彩色打样，因此不适合作为专业显示设备的辅助设备使用。

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