大尺寸彩色LED显示屏视觉舒适性的研究

刘金元，贺书芳，曹 斌，董淑雯，吝 凯，吕 航

(1.中国计量科学研究院，北京 100029；2.北京理工大学，北京 100081)



大尺寸彩色LED显示屏视觉舒适性的研究

刘金元1，贺书芳2，曹 斌2，董淑雯2，吝 凯2，吕 航2

(1.中国计量科学研究院，北京 100029；2.北京理工大学，北京 100081)

采用国际通用的心理物理学实验，通过对点间距为1.67mm，总尺寸为1600mm×1200mm的大尺寸彩色LED显示屏进行视觉舒适性的主观评价实验，得到了不同环境照度下的LED显示屏的最佳显示亮度的主观实验数据。采用数据拟合等算法建立了与环境照度相匹配的大尺寸彩色LED显示屏亮度调节模型，实现了将主观实验数据客观化。实验结果表明：拟合数据模型与实验数据吻合较好，该模型能较好地反映环境照度与大尺寸彩色LED显示屏最佳显示亮度的对应关系；采用该数据模型，在同等观看条件下，大尺寸彩色LED显示屏与液晶LCD电视的视觉舒适性没有明显差异。

大尺寸彩色LED显示屏；视觉舒适性；心理物理学实验；亮度调节模型

引言

大尺寸LED点阵彩色显示屏不同于以往的液晶(LCD)电视和等离子(PDP)电视，也区别于现在广泛提及的LED背光电视。它是由LED模组拼接而成的真正意义上的LED显示屏，因其特有的高亮度、广色域、高对比度等优势在众多场合中受到人们青睐[1]。因此，其图像的主观视觉舒适性也越来越受到重视。而图像的主观视觉舒适度与实际使用条件密切相关。当环境照度等条件发生变化时，人眼感知的图像质量和舒适度也随之变化。所以，研究一种与环境照度相匹配的大尺寸彩色LED显示屏亮度调节方法变得尤为重要。

而目前国际和国内鲜有针对大尺寸彩色LED显示屏该方面的研究。在该领域的实际做法多是根据环境照度的变化，手动调节大尺寸彩色LED显示屏的亮度。进一步的做法是，根据环境照度，分段设置固定值调节显示屏的亮度，此方法改善图像质量和主观舒适度效果不甚明显。

文献[2,3]指出，视觉图像感知舒适性和人眼视疲劳度与环境照度，以及显示器的亮度本身有很大关系。本文采用国际通用的心理物理学实验，通过对某型号的大尺寸彩色LED显示屏进行视觉舒适性的主观评价，研究不同的环境照度下，符合人眼视觉舒适性的大尺寸彩色LED显示屏的最佳亮度设置。

1 大尺寸彩色LED显示屏视觉舒适性的主观评价方法

视觉图像舒适性，是指人眼获知被测图像的主观感觉。本文主要从获知被测图像的亮度、对比度、清晰度、分辨率、色度等方面综合评估。

文献[2]中提到，目前常用的色貌分度实验法有：双目合成匹配、记忆匹配、主观(强度)评价。本文采用主观(强度)评价法，观察者采用正常的双目观察方法，对所观察的颜色刺激的各种色貌属性进行直接评价并给予恰当的数值。该方法的优点是，观察者观察时眼睛呈自然适应稳定状态，得到的评价量更能代表真实的心理知觉情况。表1所示为本次实验所用的心理物理学实验评价量化标准。

表1 心理物理学实验评价量化标准Table 1 Psychophysics experiment score table

2 实验

2.1 实验系统

选取23名年龄在21～53岁的观察者，其中男性11名，女性12名。所有观察者的视力或者矫正视力均正常，且经过色彩辨识能力测试，均不存在色盲、色弱等情况。所有观察者中9名为具有颜色领域专业知识的研究生或者科研人员；剩余14名不具有该领域的专业知识，但是实验前都经过训练。

采用点间距为1.67mm的表贴大尺寸彩色LED显示屏。它由4×4个LED箱体拼接而成，总尺寸为1600mm×1200mm，分辨率为960×720。

实验在具有稳定环境照度的实验室进行，实验室用非反光材料搭建，环境照度可根据需要进行调节。观察距离等实验条件参照国标GY/T 134—1998[5]。

实验前，将LED显示屏开机色温预热至稳定状态后调至6500K色温，并对观察者进行培训。实验开始时，每名观察者独立进行实验，并经过5分钟的环境适应，观察者先进行一组不计入实验结果的训练测试；正式实验开始后，每轮测试中间观察者有至少5分钟的休息时间。

2.2 实验设置

固定实验室环境照度，每轮测试中，每名观察者要完成如下实验：

用LED显示屏播放红色色块，用计算机自动控制逐次改变LED显示屏的亮度请观察者根据实际感知的视觉舒适性参照表1进行打分，并记录数据，完成一个循环。其中，参照文献[6]，LED显示屏亮度在0～100%范围内以10%步长等间隔进行改变，并采用最小变化法(minimal-change method)确定感觉阈限值，共14个数据。

然后设置LED显示屏颜色，依次完成绿色、蓝色和白色色块的循环测试。最后，用LED显示屏依次播放含肤色、天蓝色、草绿色、红旗色等特征的3幅静态标准图像和1段动态视频(10s)，采用上述相同的方法进行循环测试。

每个循环中间，观察者需要休息至少5分钟以上，待视觉感知恢复正常后开始下一个循环的测试。以上所有循环完成后为一轮测试。

改变环境照度，重复上述步骤，共测得5种环境照度下的实验数据。为避免每轮实验时间过长，影响观察者的视觉感知情况，实验会安排在多天进行，每名观察者每次实验控制在40分钟左右完成。

统计所有观察者的实验数据，共得到14(每个循环的数据)×8(每轮循环数)×23(观察者人数)×5(不同环境照度)=12880个数据。对其进行分析总结，得出环境照度和人眼感知最佳LED显示屏亮度的关系。

3 实验结果分析、建模及比对

3.1 主观实验结果分析

对2.2节中观察者的打分求取平均值、方差及总体均方差，对均方差差异较大的数据进行进一步分析，如属观察者个人问题，应予以剔除。总结数据可以得到某一环境照度下的LED显示屏主观舒适性的评价结果，见图1。

图1 在65lx的环境照度下，LED显示屏亮度 和人眼主观评价分值分布曲线Fig.1 Curve: Psychophysics experiment score distribution of LED screen at 65lx ambient luminance

定义在某一照度下平均分数最高时所对应的大尺寸彩色LED显示屏的亮度为“最佳值”，分析观察者的实验数据，可以得到表2所示统计数据：

表2 在不同环境照度下基于视觉舒适性的大尺寸 彩色LED显示屏的最佳亮度Table 2 Optimal brightness of LED screen at different ambient luminance

3.2 彩色LED显示屏亮度调节客观模型的建立

提取出表2中各环境照度下的最佳亮度值，以环境照度为横坐标，以对应的最佳亮度值为纵坐标，画散点图可以看出环境照度与最佳显示亮度的走向趋势符合y=axb模型。

采用数据拟合算法，根据最小二乘法构建模型，将上述主观实验数据客观化，可以得到式(1)：

(1)

其中，x为环境照度，单位为lx；y为该环境照度下的最佳亮度值，单位为cd/m2。

图2显示了拟合模型和实测数据的分布曲线，两者能较好的吻合，可见该模型能客观的反映环境照度和LED显示屏最佳显示亮度的匹配关系。

式(1)与文献[2]中CIE明度指数函数W*=25Y1/3-17(1≤Y≤100，W*为CIE1964色差公式中的明度值)匹配较好，说明式(1)客观模型能较好地反映人眼视知觉特性。

图2 实测数据与拟合模型数据的分布对比Fig.2 Curves: optimal brightness curves comparison of psychophysics experiment data and fitting data

3.3 大尺寸LED显示屏与液晶LCD显示屏视觉舒适性比对

文献[3]指出视觉图像感知舒适性和人眼视疲劳度还与观看时长相关。本实验旨在研究在较长观看时间的情况下，LED显示屏和液晶LCD显示屏的视觉舒适性的差异。

在同一实验室，同样的室内照度下，采用式(1)模型调节大尺寸LED显示屏的亮度后，观看一部时长为150分钟的电影；隔天用液晶LCD显示屏播放同一部电影。其中，LED显示屏和LCD显示屏均设置6500K色温，帧频均为60Hz。

将上述23名观察者随机分为两组，一组11人，另一组12人。再抽取20名(10名男生，10名女生)未参加过2.2节实验的新观察者，分别加入第一组和第二组，每组各加入5名男生和5名女生。新观察者的视力或矫正视力正常，具有正常的色辨识能力，年龄在19～25岁。其中，第一组观看用LED大屏幕播放的电影，第二组观看用LCD显示屏播放的电影。所有观察者实验前都未曾观看过该电影，并且对两台被测显示屏无任何倾向性。

注意力不集中或者观察者出现的其他不适症状参照文献[4]。观察距离等实验条件参照国标GY/T 134—1998[5]。视觉舒适性评价指标和量化标准如表3所示：观看过程中，在第5分钟，15分钟，30分钟，60分钟，90分钟，120分钟，影片结束(150分钟)，以及影片结束后休息15分钟(第165分钟)，分别从眼睛不适、视物困难、恶心呕吐和身体不适等方面做出评价。其中，眼睛不适主要包括眼睛干涩，胀痛，异物感，流泪感，眼睛疲劳，瞬目(眨眼)次数增加明显等眼睛症状；视物困难主要包括近距离视线模糊、近距离视物聚焦困难、远距离视物聚焦困难、视物重影等症状；恶心呕吐主要包括视觉疲劳导致的头晕、恶心、反胃、呕吐等症状；身体不适主要包括头疼、肩颈僵硬、头部沉重。

表3 视觉舒适性评价指标和量化标准Table 3 Visual comfort evaluation aspects and score standard

图3 大尺寸LED显示屏和LCD显示屏视觉舒适性主观评价实验得分比对Fig.3 Curves: psychophysics experiment comparisons of LED and LCD

主观评价实验结果显示，观察者对两组被测LED显示屏和LCD显示屏都未出现恶心呕吐和身体不适的症状。在“眼睛不适”和“视物困难”中，两组得分分布如图3所示。

由图3可见，采用式(1)数据模型后，在同等观看条件下，长时间使用(不间断150分钟)大尺寸彩色LED显示屏与液晶LCD显示屏，都存在几乎察觉不到“视物困难”的情况以及情况较弱的可轻微察觉的“眼睛不适”；休息15分钟后，两者皆可恢复到几乎察觉不到不适的状态；无恶心呕吐、身体不适等症状。可见，两者的视觉舒适性没有明显差异。

4 结论

通过心理物理学实验和数据拟合算法，建立了与环境照度相匹配的大尺寸彩色LED显示屏亮度调节模型，实现了将主观实验数据客观化：拟合数据模型与实测数据吻合较好，该模型能较好地反映环境照度与大尺寸彩色LED显示屏最佳显示亮度的对应关系；拟合数据模型与CIE明度指数函数相匹配，该模型能较好的反映人眼的视知觉特性；采用该数据模型，在同等观看条件下，大尺寸彩色LED显示屏与液晶电视的视觉舒适性没有明显差异。

[1] 陈元灯.LED制造技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2007：148-198.

[2] 胡威捷，汤顺青，朱正芳.现代颜色技术原理及应用[M].北京：北京理工大学出版社，2007：126-171.

[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.

[4] Kuze J, Ukai K. Subjective evaluation of visual fatigue caused by motion images[J]. DISPLAYS, 2008,29:159-166.

[5] 国家广播电影电视总局标准化规划研究所.GY/T 134—1998数字电视图像质量主观评价方法[S].北京：国家广播电影电视总局标准化规划研究所，1999.

[6] 廖宁放，石俊生，吴文敏.数字图文图像颜色管理系统概论[M].北京：北京理工大学出版社，2009：127-145.

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