环境照度对手机亮度最优值的影响

叶 程，刘 真＊，张建青，吴明光

（1.上海理工大学，上海 200093；2.南京师范大学 虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 200046）

1 引 言

智能手机凭借着其日渐强大的功能和轻便、易随身携带的优点，已成为当今人们日常生活工作不可或缺的重要工具，手机屏幕作为一种新型的视觉显示器，其分辨率和图像再现能力不断提高，已成为显示设备领域的重要组成部分。和其他显示设备类似，手机屏幕的显示效果会受到诸多自身和环境因素的影响。根据韦伯定律的原理，周围环境的变化会对人眼对比度敏感视觉特性产生影响，不同环境照度和空间频率下人眼的敏感程度不同［1］。M.R.Luo等研究者指出，不同手机亮度下手机屏幕的显示特性不同、显示色域存在差异，不同环境照度下手机屏幕的显示会有不同的色貌表现［2－3］。上海理工大学的张建青等人的研究指出，在不同手机亮度下手机屏幕的色域、色域覆盖率、通道独立性及色品稳定性均有不同［4］。然而以往的研究往往是单一的考虑环境照度或者手机亮度的改变对手机显示效果的影响，很少综合考虑环境照度和手机亮度之间的关系，并且研究方法主要集中在相应理论模型的推导和硬件测试上，很少采取主观评价实验研究环境照度和手机亮度对显示效果的影响。

针对手机使用环境多变的特点，目前世界上主要手机厂商生产的手机设备均具备亮度随环境照度变化的自动调节功能。然而不同品牌手机之间的屏幕亮度自动调节方法不同，并没有形成统一的标准，不同环境照度下手机自动调节的屏幕亮度是否能达到最优的显示效果还存在疑问。本文首先对常见的手机使用环境照度进行测量，在测量的基础上将三星Galaxy S3、诺基亚920和iPhone 4S三款手机分别置于14组不同的环境照度水平下对其亮度自动调节功能进行测试。在测试的基础上综合三款手机的亮度自动调节效果，在6个有代表性的环境照度水平下分别选取4个手机亮度，并在这24个不同环境照度水平、不同手机亮度水平下进行手机屏幕显示质量主观评价实验。根据主观评价实验的结果，在上述6个环境照度水平下分别将手机亮度调整至主观评价得分最高的手机亮度水平与手机自动调节的亮度水平，对手机的亮度对比度、显示颜色的饱和度以及色域范围等客观显示质量参数进行测量比较。最后结合主观评价与参数测量的结果确定不同环境照度下手机屏幕亮度的最优建议值。

2 实验方案

2.1 实验设备及环境

测试目标为三星Galaxy S3、诺基亚920和iPhone 4S。测量仪器为CS2000分光辐射亮度计、环境照度计。色彩管理软件为ProfileMaker、Photoshop。数据分析软件为Matlab、Excel。

实验环境：标准暗室、GTI标准灯箱。

2.2 实验过程及数据采集

（1）对常见的手机使用环境的照度进行测量并记录数据。常见使用环境的照度见表1。

表1 手机常见使用环境的照度Tab.1 Environmental illumination of common used mobile phone environment

（2）将被测手机的各项参数调整到出厂时的预设状态，手机亮度调节方式调整至自动调节状态。打开GTI标准灯箱的D65光源，通过灯箱的光源照度调节按钮调节实验室的环境照度，选取1000、900、800、700、600、500、400、300、250、200、150、100、50、0lx共14个环境照度水平用于模拟手机使用环境的照度。分别将3款被测手机放置在这14个环境照度水平下并让手机全屏显示标准白色块，使用CS2000分光辐射亮度计测量手机所显示白色块的亮度值（Y刺激值）并记录。

（3）将（2）中测得的数据采用多项式拟合的方法拟合出3款手机的自动调节亮度随环境照度变化的关系曲线。

（4）在GTI标准灯箱的D65光源下选取800、600、400、300、150、0lx共6个环境照度水平作为手机屏幕显示质量主观评价实验的环境自变量。其中，照度800lx用于模拟室外明亮环境，照度600lx模拟室外阴暗环境，照度400、300、150lx分别用于模拟室内明亮、中等和阴暗环境，照度0lx则用于模拟夜晚黑暗环境。在选取的6个环境照度水平下再分别选取4个手机亮度水平作为图像质量主观评价实验的手机亮度自变量。不同环境照度下选取的手机亮度水平如表2所示，其中手机亮度3为对应环境照度下iPhone 4S的自动调节亮度，亮度值1和2高于亮度值3，亮度值4低于亮度值3。主观实验中环境照度为被试间变量，手机屏幕亮度为被试内变量。

表2 主观实验环境照度及手机屏幕亮度Tab.2 Environment illumination and mobile phone brightness for subjective experiment

（5）在ISO标准图像库中选取ISO300N3、N4、N5、N6、N7共5幅标准图像，这5幅图涵盖了人眼基本记忆色并能用于评价各项图像质量指标。选取iPhone 4S作为手机屏幕显示质量主观评价实验的手机屏幕显示器，相比于其他两款被测手机，iPhone 4S的手机亮度可变范围更大并且能够方便地手动调节屏幕亮度。主观实验所选用标准测试图如图1所示。

（6）选取8名年龄在20岁到25岁之间、男女各半、颜色视觉正常的观察者进行手机屏幕显示质量主观评价实验。观察者在选取的不同环境照度、不同手机亮度下观看iPhone 4S显示的5幅标准图像，并对屏幕显示图像的阶调层次、色彩饱和度、图像清晰度和人眼舒适度进行评分，评价采用5级评分，5分表示优秀、4分表示良好、3分表示中等、2分表示不良、1分表示极差。

图1 主观实验所用ISO300标准测试图像Fig.1 ISO300standard test image for subjective experiment

（7）将主观实验所得的数据使用Excel和Matlab软件进行处理，分别统计5幅标准图像在不同环境照度、不同手机亮度下的阶调层次、色彩饱和度、图像清晰度和人眼舒适度得分。在数据统计时，依据3个标准差原则将异常数据删除以保证数据准确度。

（8）根据手机屏幕显示质量主观评价实验的评分结果，在（4）中所述的6个不同环境照度下分别将iPhone 4S的亮度调整至主观评价实验中综合得分最高的亮度与手机自动调节的亮度，共得到12组不同的环境照度与手机亮度组合，并在这12组环境照度与手机亮度组合下分别显示ProfileMaker色彩管理软件内置的99个LCD显示器特征化色块，使用CS2000分光辐射亮度计测量各色块的色度数据，利用测得的数据计算iPhone 4S在这两个手机亮度下的亮度对比度、颜色饱和度。亮度对比度计算公式为：

式中：C表示亮度对比度，YW与YK分别为白色块与黑色块的Y刺激值。颜色饱和度的计算公式为：

式中：S表示颜色饱和度，a＊与b＊分别为所测色块的CIE 1976LAB色度值。此外，将所测各色块的色度数据读入ProfileMaker中，并比较这两个手机亮度下的色域范围。

3 实验结果与分析

3.1 手机常见使用环境照度测量

从表1的数据可以看到，除了某些特殊室外环境下的环境照度过高之外，手机常见的使用环境照度集中在0～1000lx，无阳光直射的室外环境下的照度在600～1000lx，室内环境的照度则在0～600lx变化。

3.2 手机自动亮度调节功能测试

将CS2000分光辐射亮度计所测得的手机在14组不同环境照度下的自动调节亮度数据进行多项式拟合处理，得到被测3款手机屏幕自动调节亮度随环境照度变化的关系见图2。

图2 手机自动调节亮度随环境照度变化曲线Fig.2 Changing curves of mobile phone brightness with environmental illumination

从图2中可以看出，随着外界环境照度的增加，手机自动调节亮度总体呈上升趋势，但3款手机的亮度变化趋势又有不同。iPhone 4S的自动亮度可调节范围大，在0～1000lx的环境照度范围下，自动调节亮度范围在14～496cd／m2，随着环境照度的增加，iPhone 4S的手机亮度上升趋势明显，并且总体表现出线性上升的态势。诺基亚920的自动亮度调节范围较小，在0～1000lx的环境照度范围下，自动调节亮度范围在27～169 cd／m2，在环境照度大于400lx后，其自动调节亮度上升缓慢。三星Galaxy S3则介于前两者之间，在0～1000lx的环境照度范围下，自动调节亮度范围在8～356cd／m2，环境照度在300lx以下时屏幕亮度上升趋势明显，环境照度在300～600lx时亮度上升趋势趋缓，在环境照度高于600lx之后手机亮度的上升趋势再一次加强。

3.3 手机屏幕显示质量主观评价实验

在表2所示的不同环境照度和手机亮度水平下使用iPhone 4S分别显示选取的5幅ISO标准图像，由测试者观察图像并对手机的显示效果从阶调层次、色彩饱和度、图像清晰度和人眼舒适度4个方面进行评分。通过分析数据发现，在所选取的6个环境照度水平下，iPhone 4S在手机亮度1和2下的各项质量指标得分高于亮度3和4下的得分，在亮度1和亮度2下除了人眼舒适度得分大致相同外，亮度1的其他3项得分均高于亮度2下的对应得分。由于篇幅所限，下面以ISO300N5标准图的得分情况为例进行具体说明，其它标准图的得分情况类似。

表3是不同环境照度、不同手机亮度下被试图像ISO300N5所得的阶调层次平均分及数据标准差。从表中可以看出，在环境照度不变的情况下手机亮度4至亮度1的阶调层次得分依次上升，可见随着手机亮度的升高，手机屏幕的阶调层次再现能力增强。被试手机在所测环境照度下自动调节的亮度值偏暗，并非再现图像阶调层次的最优亮度值。

表3 不同环境照度、手机亮度下ISO300N5的阶调层次得分Tab.3 Scores of tone under different environmental illumination and different mobile phone brightness

表4是不同环境照度、不同手机亮度下被试图像ISO300N5所得的色彩饱和度平均分及数据标准差。从表中可以看出，在环境照度不变的情况下手机亮度4至亮度1的色彩饱和度得分依次上升，可见随着手机亮度的升高，手机屏幕的色彩再现能力增强。被试手机在所测环境照度下自动调节的亮度值偏暗，并非再现图像色彩的最优亮度值。

表4 不同环境照度、手机亮度下ISO300N5的色彩饱和得分Tab.4 Scores of color saturation under different environmental illumination and different mobile phone brightness

表5 不同环境照度、手机亮度下ISO300N5的清晰度得分Tab.5 Scores of color clarity under different environmental illumination and different mobile phone brightness

表5是不同环境照度、不同手机亮度下被试图像ISO300N5所得的图像清晰度平均分及数据标准差。从表中可以看出，在环境照度不变的情况下手机亮度4至亮度1的图像清晰度得分依次上升，可见随着手机亮度的升高，手机屏幕显示图像的清晰度增强。被试手机在所测环境照度下自动调节的亮度值偏暗，并非获得优秀图像清晰度的最优亮度值。

表6是不同环境照度、不同手机亮度下被试图像ISO300N5所得的人眼舒适度平均分及数据标准差。从表中可以看出，在环境照度不变的情况下手机亮度1和2的人眼舒适度得分大致相当，均高于亮度3和4下的得分。可见在外界环境照度不变的情况下，在一定亮度范围内随着手机屏幕亮度的增加，被试者的人眼舒适度增加。但手机亮度并非越高越好，手机亮度增加到一定值后，人眼舒适度的改善趋势变缓，甚至会出现人眼舒适度降低的情况。被试手机在所测环境照度下自动调节的亮度值偏暗，并非获得良好人眼舒适感受的最优亮度值。

表6 不同环境照度、手机亮度下ISO300N5的人眼舒适得分Tab.6 Scores of color clarity under different environmental illumination and different mobile phone brightness

3.4 手机屏幕显示质量参数测量

在主观实验所用的6个环境照度下将iPhone 4S的屏幕亮度分别调整至主观实验中综合得分最高的手机亮度值（以下简称主观亮度）与手机自动调整的亮度值（见表2，以下简称自动亮度）并对手机在这两种亮度下的亮度对比度、颜色饱和度和色域范围进行测量。测量结果表明，相比于手机在自动亮度下的显示效果，不同环境照度下iPhone 4S的屏幕亮度为主观亮度时的亮度对比度、颜色饱和度和色域范围均有明显的改善。下面对iPhone 4S在两个不同手机亮度下的亮度对比度变化做具体说明；以红、青色块为例对iPhone 4S在两个不同手机亮度下的颜色饱和度变化做具体说明，其他被测的颜色饱和度变化情况类似；以800lx的环境照度下手机的色域范围为例对两个不同手机亮度下的色域范围变化做具体说明，其他环境照度下的色域变化情况类似。不同环境照度下的主观亮度如表7所示。

表7 主观实验中综合得分最高的屏幕亮度值Tab.7 Optimal values of mobile phone screen brightness in subjective experiments

图3所示为iPhone 4S在6个环境照度下手机屏幕亮度分别为主观亮度和自动亮度时亮度对比度数值，图中数据显示手机在主观亮度下的亮度对比度均高于自动亮度下的亮度对比度数值，可见当手机亮度调整至主观亮度时将会获得更好的图像清晰度与更大的阶调变化范围。

图3 不同环境照度、手机亮度下的屏幕亮度对比度Fig.3 Contrast value of mobile phone under different environmental illumination and mobile phone brightness

图4中上、下方两组数据分别为iPhone 4S在6个环境照度下手机屏幕亮度分别为主观亮度和自动亮度时所显示红、青色块的颜色饱和度，可以看出红、青色块在主观亮度下的颜色饱和度高于自动亮度下的颜色饱和度数值，可见当手机亮度调整至主观亮度时将会获得更好的色彩再现效果。

图4 不同环境照度、手机亮度下的红、青色块颜色饱和度Fig.4 Saturation values of red and cyan under different environmental illumination and mobile phone brightness

图5所示为iPhone 4S在800lx的环境照度下亮度调整至主观亮度与自动亮度时的色域范围，为了直观地比较二者的差异，图中主观亮度下的色域采用散点进行表示，自动亮度下的色域范围则采用深灰色多面体进行表示，可以看出手机在主观亮度下的色域基本包含了自动亮度下的色域，可见当手机亮度调整至主观亮度时能显示更多的颜色。

图5 800lx环境照度下两种手机亮度对应的色域范围Fig.5 Gamut range of two different mobile phone brightness corresponding to the 800lx environment illumination

综合不同环境照度与手机亮度组合下手机屏幕显示质量主观评价实验中iPhone 4S所显示5幅标准图像的阶调层次、色彩饱和度、图像清晰度、人眼舒适度的得分以及测得的亮度对比度、颜色饱和度、色域范围等客观显示质量参数，分析得出不同环境照度下的手机亮度最优值。将得到的最优值数据进行多项式拟合，并与iPhone 4S在亮度自动调节状态下的亮度曲线进行比较。拟合后的手机最优亮度曲线见图6。

图6 不同环境照度下手机亮度最优值Fig.6 Optimal values of mobile phone brightness under different environment illumination brightness

4 结 论

本文研究结果表明，外界环境照度的改变和手机亮度的变化均会影响到手机屏幕的显示质量，在环境照度不变的情况下，适当提高手机屏幕的显示亮度能有效地改善手机屏幕的阶调层次、色彩饱和度和清晰度的再现能力，获得更好的显示质量，并能提高人眼观看的舒适度。在800lx的环境照度下，手机屏幕最优亮度值为496cd／m2，在600lx的环境照度下，手机屏幕最优亮度值为470cd／m2，在400lx的环境照度下，手机屏幕最优亮度值为436cd／m2，在300lx的环境照度下，手机屏幕最优亮度值为308 cd／m2，在150lx的环境照度下，手机屏幕最优亮度值为170cd／m2，在0lx的环境照度下，手机屏幕最优亮度值为55cd／m2。

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