劉金元，賀書(shū)芳，曹 斌，董淑雯，吝 凱，呂 航

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

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大尺寸彩色LED顯示屏視覺(jué)舒適性的研究

劉金元1，賀書(shū)芳2，曹 斌2，董淑雯2，吝 凱2，呂 航2

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

采用國(guó)際通用的心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)點(diǎn)間距為1.67mm，總尺寸為1600mm×1200mm的大尺寸彩色LED顯示屏進(jìn)行視覺(jué)舒適性的主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，得到了不同環(huán)境照度下的LED顯示屏的最佳顯示亮度的主觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用數(shù)據(jù)擬合等算法建立了與環(huán)境照度相匹配的大尺寸彩色LED顯示屏亮度調(diào)節(jié)模型，實(shí)現(xiàn)了將主觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)客觀化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：擬合數(shù)據(jù)模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，該模型能較好地反映環(huán)境照度與大尺寸彩色LED顯示屏最佳顯示亮度的對(duì)應(yīng)關(guān)系；采用該數(shù)據(jù)模型，在同等觀看條件下，大尺寸彩色LED顯示屏與液晶LCD電視的視覺(jué)舒適性沒(méi)有明顯差異。

大尺寸彩色LED顯示屏；視覺(jué)舒適性；心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)；亮度調(diào)節(jié)模型

引言

大尺寸LED點(diǎn)陣彩色顯示屏不同于以往的液晶(LCD)電視和等離子(PDP)電視，也區(qū)別于現(xiàn)在廣泛提及的LED背光電視。它是由LED模組拼接而成的真正意義上的LED顯示屏，因其特有的高亮度、廣色域、高對(duì)比度等優(yōu)勢(shì)在眾多場(chǎng)合中受到人們青睞[1]。因此，其圖像的主觀視覺(jué)舒適性也越來(lái)越受到重視。而圖像的主觀視覺(jué)舒適度與實(shí)際使用條件密切相關(guān)。當(dāng)環(huán)境照度等條件發(fā)生變化時(shí)，人眼感知的圖像質(zhì)量和舒適度也隨之變化。所以，研究一種與環(huán)境照度相匹配的大尺寸彩色LED顯示屏亮度調(diào)節(jié)方法變得尤為重要。

而目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)鮮有針對(duì)大尺寸彩色LED顯示屏該方面的研究。在該領(lǐng)域的實(shí)際做法多是根據(jù)環(huán)境照度的變化，手動(dòng)調(diào)節(jié)大尺寸彩色LED顯示屏的亮度。進(jìn)一步的做法是，根據(jù)環(huán)境照度，分段設(shè)置固定值調(diào)節(jié)顯示屏的亮度，此方法改善圖像質(zhì)量和主觀舒適度效果不甚明顯。

文獻(xiàn)[2,3]指出，視覺(jué)圖像感知舒適性和人眼視疲勞度與環(huán)境照度，以及顯示器的亮度本身有很大關(guān)系。本文采用國(guó)際通用的心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)某型號(hào)的大尺寸彩色LED顯示屏進(jìn)行視覺(jué)舒適性的主觀評(píng)價(jià)，研究不同的環(huán)境照度下，符合人眼視覺(jué)舒適性的大尺寸彩色LED顯示屏的最佳亮度設(shè)置。

1 大尺寸彩色LED顯示屏視覺(jué)舒適性的主觀評(píng)價(jià)方法

視覺(jué)圖像舒適性，是指人眼獲知被測(cè)圖像的主觀感覺(jué)。本文主要從獲知被測(cè)圖像的亮度、對(duì)比度、清晰度、分辨率、色度等方面綜合評(píng)估。

文獻(xiàn)[2]中提到，目前常用的色貌分度實(shí)驗(yàn)法有：雙目合成匹配、記憶匹配、主觀(強(qiáng)度)評(píng)價(jià)。本文采用主觀(強(qiáng)度)評(píng)價(jià)法，觀察者采用正常的雙目觀察方法，對(duì)所觀察的顏色刺激的各種色貌屬性進(jìn)行直接評(píng)價(jià)并給予恰當(dāng)?shù)臄?shù)值。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，觀察者觀察時(shí)眼睛呈自然適應(yīng)穩(wěn)定狀態(tài)，得到的評(píng)價(jià)量更能代表真實(shí)的心理知覺(jué)情況。表1所示為本次實(shí)驗(yàn)所用的心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)量化標(biāo)準(zhǔn)。

表1 心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)量化標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Psychophysics experiment score table

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

選取23名年齡在21～53歲的觀察者，其中男性11名，女性12名。所有觀察者的視力或者矯正視力均正常，且經(jīng)過(guò)色彩辨識(shí)能力測(cè)試，均不存在色盲、色弱等情況。所有觀察者中9名為具有顏色領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)的研究生或者科研人員；剩余14名不具有該領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，但是實(shí)驗(yàn)前都經(jīng)過(guò)訓(xùn)練。

采用點(diǎn)間距為1.67mm的表貼大尺寸彩色LED顯示屏。它由4×4個(gè)LED箱體拼接而成，總尺寸為1600mm×1200mm，分辨率為960×720。

實(shí)驗(yàn)在具有穩(wěn)定環(huán)境照度的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室用非反光材料搭建，環(huán)境照度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。觀察距離等實(shí)驗(yàn)條件參照國(guó)標(biāo)GY/T 134—1998[5]。

實(shí)驗(yàn)前，將LED顯示屏開(kāi)機(jī)色溫預(yù)熱至穩(wěn)定狀態(tài)后調(diào)至6500K色溫，并對(duì)觀察者進(jìn)行培訓(xùn)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，每名觀察者獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并經(jīng)過(guò)5分鐘的環(huán)境適應(yīng)，觀察者先進(jìn)行一組不計(jì)入實(shí)驗(yàn)結(jié)果的訓(xùn)練測(cè)試；正式實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，每輪測(cè)試中間觀察者有至少5分鐘的休息時(shí)間。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

固定實(shí)驗(yàn)室環(huán)境照度，每輪測(cè)試中，每名觀察者要完成如下實(shí)驗(yàn)：

用LED顯示屏播放紅色色塊，用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制逐次改變LED顯示屏的亮度請(qǐng)觀察者根據(jù)實(shí)際感知的視覺(jué)舒適性參照表1進(jìn)行打分，并記錄數(shù)據(jù)，完成一個(gè)循環(huán)。其中，參照文獻(xiàn)[6]，LED顯示屏亮度在0～100%范圍內(nèi)以10%步長(zhǎng)等間隔進(jìn)行改變，并采用最小變化法(minimal-change method)確定感覺(jué)閾限值，共14個(gè)數(shù)據(jù)。

然后設(shè)置LED顯示屏顏色，依次完成綠色、藍(lán)色和白色色塊的循環(huán)測(cè)試。最后，用LED顯示屏依次播放含膚色、天藍(lán)色、草綠色、紅旗色等特征的3幅靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)圖像和1段動(dòng)態(tài)視頻(10s)，采用上述相同的方法進(jìn)行循環(huán)測(cè)試。

每個(gè)循環(huán)中間，觀察者需要休息至少5分鐘以上，待視覺(jué)感知恢復(fù)正常后開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)的測(cè)試。以上所有循環(huán)完成后為一輪測(cè)試。

改變環(huán)境照度，重復(fù)上述步驟，共測(cè)得5種環(huán)境照度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為避免每輪實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響觀察者的視覺(jué)感知情況，實(shí)驗(yàn)會(huì)安排在多天進(jìn)行，每名觀察者每次實(shí)驗(yàn)控制在40分鐘左右完成。

統(tǒng)計(jì)所有觀察者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，共得到14(每個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù))×8(每輪循環(huán)數(shù))×23(觀察者人數(shù))×5(不同環(huán)境照度)=12880個(gè)數(shù)據(jù)。對(duì)其進(jìn)行分析總結(jié)，得出環(huán)境照度和人眼感知最佳LED顯示屏亮度的關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、建模及比對(duì)

3.1 主觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)2.2節(jié)中觀察者的打分求取平均值、方差及總體均方差，對(duì)均方差差異較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，如屬觀察者個(gè)人問(wèn)題，應(yīng)予以剔除?？偨Y(jié)數(shù)據(jù)可以得到某一環(huán)境照度下的LED顯示屏主觀舒適性的評(píng)價(jià)結(jié)果，見(jiàn)圖1。

圖1 在65lx的環(huán)境照度下，LED顯示屏亮度 和人眼主觀評(píng)價(jià)分值分布曲線Fig.1 Curve: Psychophysics experiment score distribution of LED screen at 65lx ambient luminance

定義在某一照度下平均分?jǐn)?shù)最高時(shí)所對(duì)應(yīng)的大尺寸彩色LED顯示屏的亮度為“最佳值”，分析觀察者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到表2所示統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：

表2 在不同環(huán)境照度下基于視覺(jué)舒適性的大尺寸 彩色LED顯示屏的最佳亮度Table 2 Optimal brightness of LED screen at different ambient luminance

3.2 彩色LED顯示屏亮度調(diào)節(jié)客觀模型的建立

提取出表2中各環(huán)境照度下的最佳亮度值，以環(huán)境照度為橫坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)的最佳亮度值為縱坐標(biāo)，畫(huà)散點(diǎn)圖可以看出環(huán)境照度與最佳顯示亮度的走向趨勢(shì)符合y=axb模型。

采用數(shù)據(jù)擬合算法，根據(jù)最小二乘法構(gòu)建模型，將上述主觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)客觀化，可以得到式(1)：

(1)

其中，x為環(huán)境照度，單位為lx；y為該環(huán)境照度下的最佳亮度值，單位為cd/m2。

圖2顯示了擬合模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分布曲線，兩者能較好的吻合，可見(jiàn)該模型能客觀的反映環(huán)境照度和LED顯示屏最佳顯示亮度的匹配關(guān)系。

式(1)與文獻(xiàn)[2]中CIE明度指數(shù)函數(shù)W*=25Y1/3-17(1≤Y≤100，W*為CIE1964色差公式中的明度值)匹配較好，說(shuō)明式(1)客觀模型能較好地反映人眼視知覺(jué)特性。

圖2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合模型數(shù)據(jù)的分布對(duì)比Fig.2 Curves: optimal brightness curves comparison of psychophysics experiment data and fitting data

3.3 大尺寸LED顯示屏與液晶LCD顯示屏視覺(jué)舒適性比對(duì)

文獻(xiàn)[3]指出視覺(jué)圖像感知舒適性和人眼視疲勞度還與觀看時(shí)長(zhǎng)相關(guān)。本實(shí)驗(yàn)旨在研究在較長(zhǎng)觀看時(shí)間的情況下，LED顯示屏和液晶LCD顯示屏的視覺(jué)舒適性的差異。

在同一實(shí)驗(yàn)室，同樣的室內(nèi)照度下，采用式(1)模型調(diào)節(jié)大尺寸LED顯示屏的亮度后，觀看一部時(shí)長(zhǎng)為150分鐘的電影；隔天用液晶LCD顯示屏播放同一部電影。其中，LED顯示屏和LCD顯示屏均設(shè)置6500K色溫，幀頻均為60Hz。

將上述23名觀察者隨機(jī)分為兩組，一組11人，另一組12人。再抽取20名(10名男生，10名女生)未參加過(guò)2.2節(jié)實(shí)驗(yàn)的新觀察者，分別加入第一組和第二組，每組各加入5名男生和5名女生。新觀察者的視力或矯正視力正常，具有正常的色辨識(shí)能力，年齡在19～25歲。其中，第一組觀看用LED大屏幕播放的電影，第二組觀看用LCD顯示屏播放的電影。所有觀察者實(shí)驗(yàn)前都未曾觀看過(guò)該電影，并且對(duì)兩臺(tái)被測(cè)顯示屏無(wú)任何傾向性。

注意力不集中或者觀察者出現(xiàn)的其他不適癥狀參照文獻(xiàn)[4]。觀察距離等實(shí)驗(yàn)條件參照國(guó)標(biāo)GY/T 134—1998[5]。視覺(jué)舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)和量化標(biāo)準(zhǔn)如表3所示：觀看過(guò)程中，在第5分鐘，15分鐘，30分鐘，60分鐘，90分鐘，120分鐘，影片結(jié)束(150分鐘)，以及影片結(jié)束后休息15分鐘(第165分鐘)，分別從眼睛不適、視物困難、惡心嘔吐和身體不適等方面做出評(píng)價(jià)。其中，眼睛不適主要包括眼睛干澀，脹痛，異物感，流淚感，眼睛疲勞，瞬目(眨眼)次數(shù)增加明顯等眼睛癥狀；視物困難主要包括近距離視線模糊、近距離視物聚焦困難、遠(yuǎn)距離視物聚焦困難、視物重影等癥狀；惡心嘔吐主要包括視覺(jué)疲勞導(dǎo)致的頭暈、惡心、反胃、嘔吐等癥狀；身體不適主要包括頭疼、肩頸僵硬、頭部沉重。

表3 視覺(jué)舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)和量化標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Visual comfort evaluation aspects and score standard

圖3 大尺寸LED顯示屏和LCD顯示屏視覺(jué)舒適性主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)得分比對(duì)Fig.3 Curves: psychophysics experiment comparisons of LED and LCD

主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，觀察者對(duì)兩組被測(cè)LED顯示屏和LCD顯示屏都未出現(xiàn)惡心嘔吐和身體不適的癥狀。在“眼睛不適”和“視物困難”中，兩組得分分布如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，采用式(1)數(shù)據(jù)模型后，在同等觀看條件下，長(zhǎng)時(shí)間使用(不間斷150分鐘)大尺寸彩色LED顯示屏與液晶LCD顯示屏，都存在幾乎察覺(jué)不到“視物困難”的情況以及情況較弱的可輕微察覺(jué)的“眼睛不適”；休息15分鐘后，兩者皆可恢復(fù)到幾乎察覺(jué)不到不適的狀態(tài)；無(wú)惡心嘔吐、身體不適等癥狀。可見(jiàn)，兩者的視覺(jué)舒適性沒(méi)有明顯差異。

4 結(jié)論

通過(guò)心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)擬合算法，建立了與環(huán)境照度相匹配的大尺寸彩色LED顯示屏亮度調(diào)節(jié)模型，實(shí)現(xiàn)了將主觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)客觀化：擬合數(shù)據(jù)模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，該模型能較好地反映環(huán)境照度與大尺寸彩色LED顯示屏最佳顯示亮度的對(duì)應(yīng)關(guān)系；擬合數(shù)據(jù)模型與CIE明度指數(shù)函數(shù)相匹配，該模型能較好的反映人眼的視知覺(jué)特性；采用該數(shù)據(jù)模型，在同等觀看條件下，大尺寸彩色LED顯示屏與液晶電視的視覺(jué)舒適性沒(méi)有明顯差異。

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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