移动终端图像质量测量方法研究

孙 三，吴蔚华，陈 宇

（北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司，北京 100015）

0 引 言

随着互联网和智能终端的快速发展，移动终端产品已经成为人们生活的重要工具。除满足消费者基本的通话需求外，移动终端还能提供新闻浏览、网络学习、线上会议、视频观看、购物、导航及游戏等功能。尤其是在年轻消费人群中，移动终端逐渐代替电视和电脑，成为工作和生活的重要组成部分。为了满足消费者的观看需求，移动终端行业在近些年的发展中，处理器速度不断提升，显示屏幕也朝着高分辨率、高对比度、低能耗以及大尺寸等方向不断发展，以提升移动终端的观看效果。

根据应用环境，在观看移动终端时，终端和眼睛的距离需在50 cm以内。图像质量的差异会直接影响消费者的观看体验。长时间观看势必会造成使用者的用眼疲劳，影响使用者的视觉健康。本文在介绍相关显示技术原理的基础上，重点介绍影响移动终端图像质量的关键性指标及其测量方法。

1 显示技术原理

目前，市场上各种移动终端宣称其屏幕材质类型有TFT LCD、TFT、IPS、LTPS、OLED及AMOLED等。实际上，移动终端屏幕的主流显示方式可分为LCD（液晶显示）和OLED（有机发光二极管显示）两种。LCD面板市场总额占比比OLED面板略高，但是高端移动终端已普遍转向OLED面板。根据TrendForce的预测，2021年将有39.8%的移动终端产品采用OLED面板，2022年预计达到45%。

LCD屏本身是不会发光的，LCD面板主要由两个偏光板、两个玻璃基板、彩色滤光片和TFT（薄膜晶体管）、配向膜、液晶及背光板组成。通过在两个偏光板之间充满液晶，之后利用电场的大小来控制液晶分子的旋转，以改变光的行进方向，控制每个像素点是否出射偏振光来达到显示的目的。市场上宣传的IPS和TFT-LCD等都属于LCD显示技术。IPS是将液晶分子颗粒水平排列，从而加快液晶分子的偏转速度，减少了运动画面显示容易出现的“拖尾”“残影”等现象。TFT通过点脉冲控制屏幕上的各个独立像素，从而提高显示屏的响应速度和色彩表现能力等。

OLED是一种自发光的有机发光二极管，由有机发光材料涂层、金属电极及玻璃基板组成。在有机发光层中，电子和空穴复合成激子，而后进行能量释放，产生发光现象。OLED按驱动方式可分为AMOLED（主动驱动）PMOLED（被动驱动）两种方式。消费者接触比较多的OLED屏幕基本都是AMOLED屏幕。

LCD和OLED两种显示方式都有各自的优缺点：LCD屏亮度高、寿命长、成本低，而OLED屏则具有更加轻薄、对比度高、广色域、响应时间快、柔性好、可弯曲以及发光效率高等优点。本文将在这两种显示方式的移动终端上进行测评。

2 测评指标

结合移动终端显示的技术特点和用户实际使用情况，北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司开展对移动终端的测评研究，研究内容包括影响画质好坏的关键性光学显示性能指标。影响移动终端显示性能的关键性指标包含亮度、黑色亮度、对比度、亮度均匀性、色域覆盖率（NTSC）、白平衡误差、闪烁、串扰以及响应时间。

2.1 测试条件

为了能更好地评价移动终端显示屏本身的显示性能，排除环境光给移动终端显示性能带来的影响，显示性能的测试均在暗室条件下进行。将移动终端的图像显示设置恢复到默认状态，并将“亮度”菜单设置在最大位置，确保测评内容可以真正表现出移动终端能够达到的能力。同时对于具备环境光控制功能的移动终端，为了避免移动终端的环境光感应器对显示屏显示效果造成影响，测评时应将此功能关闭。

2.2 测试信号

测试信号图以bmp或jpg格式输入到被测移动终端中，信号格式与被测移动终端的固有分辨力一致[2]。

2.3 测试位置

除对应项目特殊规定外，光学测试设备应放置在与测试点正交垂直线上。考虑到移动终端的实际使用距离一般在50 cm以内，且距离太近会导致人眼观看不适，因此测试距离选定为50 cm，如图1所示。

图1 测试位置

2.4 测试步骤

2.4.1 亮 度

亮度反映显示屏的画面明亮程度，表征显示屏亮度的最大能力。亮度过低容易引起眼部疲劳，影响眼睛的健康。

测评时采用10%窗口信号，可以体现移动终端屏幕某区域最大可能的亮度，如图2所示，亮度计测量屏幕中心10%白窗口的亮度值。

图2 10%窗口信号

2.4.2 黑色亮度

黑色亮度反映显示屏最低显示亮度的能力。黑色亮度越低，说明移动终端在显示低亮画面时细节更加丰富。

测试信号如图3所示，每个白窗口占整幅图像的面积比例为2.5%。采用该信号是为了保证显示屏处于长亮状态，避免在采用全黑场信号时，有些移动终端自动关闭背光。测量时，亮度计测量屏幕中心的亮度值。

图3 黑色亮度测试信号

2.4.3 对比度

对比度反映显示屏在显示同一画面时的明暗程度。对比度高的产品显示的画面层次感好，亮暗分明。

值得提出的是，在显示终端行业，很多制造商定义的对比度概念都是全白场与全黑场的比值，因此市场上出现了宣称的对比度达到上万或者几十万的数值，实际上是全白与全黑两幅画面的比值，这个数值的高低并不能真正体现屏幕对比度的意义。因此，本文提出的对比度，测量时采用黑白5窗口信号，如图4所示，测试仪器放置在5个窗口的正交垂直线上，并分别测量黑白窗口的亮度值，然后计算对比度。

图4 对比度测试信号

2.4.4 亮度均匀性

亮度均匀性反映了用户在观看移动终端屏幕时，整体画面的均匀程度。亮度均匀性越大，表示移动终端均匀显示各点亮度的能力越强。

亮色度均匀性测试信号采用全白场信号，全屏幕的测量点如图5所示。

图5 均匀性测量位置图

测量时，亮度计与屏幕中心点P0的法线方向正交垂直，保持亮度计的位置不动，旋转亮度计的角度测量P1～P8点。

采用旋转方式测量亮度均匀性，主要是考虑移动终端的屏幕尺寸较小，在进行观看时，可将整个屏幕画面尽收眼底。相对而言，旋转着测量更接近移动终端的实际使用情况。

2.4.5 色域覆盖率（NTSC）

色域覆盖率体现移动终端在显示画面时的色彩表现能力。色域覆盖率值越高，画面颜色更鲜艳，越能呈现自然界的更多色彩。测量时，采用全红场、全绿场及全蓝场信号，测量移动终端显示的红、绿、蓝形成的三角形面积占NTSC三角形面积的比值。NTSC三角形和被测移动终端三角形在CIE1931色空间的分布如图6所示，主要考量实际移动终端显示三基色所能重现的彩色范围占NTSC色域面积的百分比。

图6 NTSC色域三角形

2.4.6 白平衡误差

白平衡误差衡量移动终端在显示图像时，对应不同的亮度图像电平，色调不会发生畸变。白平衡误差小，说明移动终端的色彩还原良好。

测试时，采用白窗口信号，如图7所示。改变窗口信号电平，从10%～100%，以10%为步长依次改变，用测量设备测量白色窗口的色度坐标（x，y）。计算每个电平的色度坐标与50%灰电平时的色度坐标之差，测量结果用Δx和Δy的最差值表示。

图7 白窗口信号

2.4.7 闪 烁

闪烁是指显示屏亮度快速变化引起使用者视觉感知的变化。显示屏的闪烁可能会导致易感个体的不适、疾病甚至抽搐。

测量时，参考YD/T 1607—2016标准的测试信号，采用如图8所示的测试信号，并持续显示。使用具备光电转换的亮度计和频谱分析仪进行测量，将曲线进行FFT，找出最大频率点并记录其电平，计算最大频率处电平和直流分量电平的比值[1]。

图8 闪烁测试信号

2.4.8 串 扰

串扰是指在显示屏中某一位置的显示影响了另一位置，造成了画面失真。显示屏幕在显示某些灰场画面时，人眼会相对较容易观察到串扰现象。

测量时，参考YD/T 1607—2016中的测试信号，采用如图9和图10所示的行列间串扰工字图及行列间串扰回字图。分别选取图8和图9两种类型的测试图，是为了模拟可能发生串扰的不同情况。对图8的测试图来说，要考察上、下、左、右不同亮度电平信号对中心区域亮度的影响；而对图9来说，则要考察中心区域不同亮度电平信号对边缘区域亮度的影响，选取影响最大的测试结果作为串扰值。串扰值越小，说明受到周围信号影响越小，画质越清晰。

图9 行列间串扰工字图

图10 行列间串扰回字图

2.4.9 响应时间

响应时间反映显示屏对输入信号的反应速度，即从黑到白再到黑的反应时间。响应时间过慢，会使观看者明显感觉到画面的卡顿。响应时间是亮度从10%变化到90%的上升时间与亮度从90%变化到10%的下降时间之和，响应时间曲线如图11所示。通常，OLED显示屏的响应时间比LCD的响应时间小一些，在几毫秒内，而有些LCD显示屏的响应时间在10～20 ms，甚至更大。

图11 响应时间曲线

3 摸底数据分析

3.1 测试样机

参与测评的22部移动终端包含LCD和OLED两种显示方式，其中19部LCD和3部OLED，尺寸多分布在5～6英寸，仅有4部终端的尺寸在6～8英寸，分辨率多分布在1 920×1 080、1 920×1 200及2 560×1 440。在下面分析的所有测试结果图表中，前19个数据为19部LCD终端的测试数据，后3个数据为3部OLED终端的测试数据。

3.2 亮 度

亮度测试结果如图12所示。可以看出，选取的22部移动终端中，亮度最低的在300 cd·m-2以下，最高的可以达到727 cd·m-2，为LCD移动终端。22部移动终端的亮度平均值为480 cd·m-2，OLED移动终端的亮度值均未达到平均值。

图12 亮度测试结果

3.3 黑色亮度

从被测移动终端的测试结果看，OLED移动终端的黑色亮度最好可达到0.001 cd·m-2，LCD移动终端的黑色亮度基本分布在0.1～0.2 cd·m-2。可以看出，OLED在低亮细节表现上比LCD好。

3.4 对比度

对比度测试结果如图13所示，可以看出，移动终端对比度值分布在500倍～2 000倍，平均值为1 263倍，最大值为1 945倍。OLED屏幕的对比度明显高于大多数LCD移动终端。

图13 对比度测试结果

3.5 亮度均匀性

亮度均匀性测试结果如图14所示。所有被测移动终端的测试结果均在77%以上，平均值在87%，最高可到97%。OLED的均匀性结果最低为91.4%，均在平均值以上，这说明OLED的有机材料涂层均匀，LCD背光源在均匀性方面略显劣势。

图14 亮度均匀性测试结果

3.6 色域覆盖率

色域覆盖率的测试结果如图15所示。色域覆盖率的数据差异较大，最大值为107%，最小值为53%。这与移动终端采用的面板的性能密切相关，最终呈现的画质也会有显著差异。OLED显示屏的色域覆盖率比LCD的偏高。

图15 色域覆盖率测试结果

3.7 白平衡误差

白平衡误差测试结果如图16所示，平均值在-0.002～-0.004。从图16可以看出，有一款产品的白平衡误差测试结果明显很差，说明其色彩还原能力非常差。除这一款外，其他终端的白平衡误差均在-0.020～+0.020。

图16 白平衡误差测试结果

3.8 闪 烁

闪烁测试结果如图17所示。可以看到，有些移动终端的闪烁值相差将近30 dB，平均值在-40 dB左右，说明闪烁值差的移动终端在长时间观看时，必然会使眼睛疲劳，或者对眼睛造成伤害。从本次测试结果看，3部OLED终端的表现比LCD的稍好一些。

图17 闪烁测试结果

3.9 串 扰

串扰测试结果如图18所示。从图18可以看出，有11款终端的串扰测试结果≤10%，平均值在11%左右。其中串扰最大的值达到35%，说明该部移动终端较其他终端画面失真明显。

图18 串扰测试结果

3.10 响应时间

响应时间测试结果如图19所示。从测试结果看，响应时间的平均值在15 ms左右，最小可到2 ms。OLED的响应时间都小于5 ms，比LCD低很多。LCD的响应时间最差超过35 ms，这也是由OLED显示原理决定的。与LCD相比，OLED没有液晶分子运动的时间，大大降低了响应时间。

图19 响应时间测试结果

4 结 语

移动终端已经成为人们生活和工作不可缺少的重要组成部分，移动终端的图像质量会直接影响使用者的视觉体验，因此使用者越来越关注显示的图像质量。本文针对移动终端的应用和关注点，提出了针对图像质量的测量研究。LCD和OLED各有各的优缺点：LCD良品率高、成本低占很大优势，市场份额占比高；OLED的对比度、响应时间和色彩表现好，但是寿命短，会出现烧屏的问题。鉴于目前移动终端显示方式基本为LCD和OLED两种，本文仅研究了针对这两种类型的测量。