CN115688426A - 一种用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法。利用客观测量和主观实验来量化显示器件显示的感知亮度与显示器件的物理亮度、显示器件所处环境光的亮度分布、人眼瞳孔直径以及显示器件与观察者的空间位置的关系。首先，通过几何测量工具、二维色彩分析仪、光谱仪和照度计等仪器设备，对空间中客观参量进行采集；其次，通过各类测试图像给观察者观察，在不同环境光下利用眼动仪采集观察者瞳孔直径大小并请观察者评价显示器件的感知亮度级别；最后，通过建立模型的方式对显示的感知亮度进行表征。本发明还提出了显示器的感知亮度和视觉舒适的之间的关系，结合应用到平板显示技术中去，可以为其应用升级提供优化方法，更好适应人们的需求。

Description

一种用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法

技术领域

本发明属于平板显示器件的技术领域，涉及平板显示器件的显示亮度测量表征，还涉及人眼对于显示的视觉感知。

背景技术

随着现代化和经济的快速发展，目前已成为主流显示器件的平板显示器件(FlatPanel Display,FPD)；其中，以液晶显示(LCD)、发光二极管显示器(LED)和有机发光二极管显示器(OLED)等为主流各类显示器件，以各种方式和形态出现在人们的生活中，同时也是各行业进行信息交互的最重要的途径。并且，随着平板显示器件的全面普及和人们消费的升级，人们对于显示器的要求也在不断提升，而人眼是获取显示信息的唯一途径，因此，对显示器件的光学性能日趋提高，而感知亮度是视觉感知重要指标。

在各种复杂的光环境中，人眼感知到的亮度和实际物体的物理亮度之间必然会存在一定差异。在不同光环境下，人眼对于同一物体所产生的感知亮度是不相同的。比如：开灯时观看一定亮度的手机屏幕感觉不刺眼，但当关灯后在黑暗中仍然观看同样亮度的手机屏幕会让人觉得很刺眼；另外，对于发光物体物理亮度的客观测量技术已经相对成熟，更多的对于亮度测量设备的研究更加注重其测量精度和设备便携性等。但结合人眼感知亮度的评价方面的研究却较少，并且现有的测量仪器和测量方法得到的数据无法正确、客观地反映人眼对于空间环境中目标物体的亮度感知情况。因此，建立一套显用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法是非常必要的。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为了针对平板显示器件显示的人眼感知亮度与物理亮度的区别、利用光电测量参数无法反应观察者对目标的亮度真实感知和现有亮度感知表征的粗略和适用性低的问题，以及显示器件光学性能升级的瓶颈和人们对于长时间面对显示器件的视觉舒适度需求提升，提出一种用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法。

技术方案：本发明将从空间环境光照度与亮度分布情况、显示器的物理亮度和瞳孔直径对被试的感知亮度有直接显著影响；为了表征不同真实场景下显示器件的感知亮度情况，设计了多种环境光和不同屏幕亮度，被试者需对目标屏幕进行感知亮度等级评分通过主客观实验分析感知亮度的主要影响因素，并将其具象化为数学公式，进一步量化感知亮度从而优化针对人眼感知亮度的显示器设计，在不同应用场景和显示内容的前提下，提高人的视觉感知效果，可以对各类平板显示器件的发展和升级提供准确的指导。

本发明的一种用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法，利用客观测量和主观实验来量化显示器件显示的感知亮度与显示器件的物理亮度、显示器件所处环境光的亮度分布、人眼瞳孔直径以及显示器件与观察者的空间位置的关系，得到发光物体在视网膜的成像过程视网膜成像亮度L_r，进一步细化到所在视网膜上微元面照度为：

式中，L为平板显示器件的屏幕亮度、D为瞳孔直径、τ为眼球的透过率、n′为物象空间介质折射率、f′为眼球的焦距，其中,τ、n′、f′参数特定条件下都为常数。

所述的客观测量，通过模拟设计软件预先设计部分实验场景3D模拟和仿真效果图，通过显示器表面和墙面等物体表面的亮度分布，进而建立实际光环境；通过几何测量工具、二维色彩分析仪、光谱仪和照度计仪器设备，对空间中客观参量进行采集。

所述的主观实验，实现显示设备在不同光环境下的实验，从而更加全面分析人眼对于显示设备在不同光环境下的平板显示器件显示的感知亮度情况，通过眼动监测仪监测人眼瞳孔的变化情况，不同环境光条件下观察者的瞳孔随平板显示器件的屏幕亮度的增大而减小，而在相同屏幕亮度情况下观察者的瞳孔随环境光照度的增大而减小。

所述的感知亮度与人眼瞳孔直径关系定义视网膜成像亮度L_r，具体如式所示：

L_r＝a·L·D²

式(2)中，a为常数系数、L为物理亮度、D为瞳孔直径，其中，常数系数a在不同条件下取值也不同。

所述的感知亮度，其等级评分和视网膜成像亮度L_r进行拟合是线性关系，趋势线为y＝a·x，a为常系数，即利用视网膜成像亮度来表征感知亮度。

所述的感知亮度，其表征方法应用到显示器件显示的视觉舒适度，将视觉舒适度分为了五个等级，分别是：1级很不舒适、2级不舒适、3级可察觉点不舒适，以及5级未感觉不舒适，通过进行的相关实验数据和结果中可知，感知亮度与舒适度评分的关系呈高斯函数分布，其拟合R²达到0.9588，用C表示视觉舒适度，具体公式所示：

所述的视觉舒适度与感知亮度相关，感知亮度与目标物体亮度和瞳孔直径相关，而瞳孔直径与环境光与目标物体亮度相关；因此，在室内观看显示屏时可以通过调节显示屏的物理亮度或是周围的环境光去改变瞳孔直径，进而改变感知亮度，最终获得最佳观看视觉舒适度。

有益效果：本发明采用以上表征方案与现有方案相比，具有以下优点：

本发明提供了一种用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法，相较于目前对显示亮度感知的粗略单一表征、未充分考虑环境光对感知亮度的影响和缺乏结合心理因素等主客观综合表征，提供了更加完善且适用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法。利用多个客观和主观实验的结合来分析了影响显示各影响因素之间的关系，进一步将实验优化，逐步程序化和模式化，建立显示亮度感知机制关键物理亮度与感知亮度之间的关联性理论及其数学模型。并依据该模型，通过设计构建多种真实的环境光和调节光学组件性能参数，如：物理亮度、颜色与空间光环境的其它组成因素等多目标规划，提供显示感知亮度的最优表征方法，从而有助于平板显示器件显示技术的升级。

附图说明

图1本发明的总体方法框图。

图2本发明实验场景3D模拟仿真效果图。

图3本发明实验场景示意图和真实实验场景图。

图4不同条件下被试者的瞳孔直径均值图。

图5不同条件下被试者的感知亮度等级评分均值图。

图6感知亮度等级评分与视网膜成像亮度Lr的关系图。

图7影响感知亮度主要因素的示意图。

图8感知亮度与视觉舒适度的关系拟合结果图。

图9影响显示器件视觉舒适度因素示意图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐明本发明。

本发明所述的一种用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法，如图1所示，本发明将平板显示器件显示的感知亮度表征方法从第一维度：空间环境光照度与亮度分布情况对显示器件感知亮度的影响规律和具化影响感知亮度的客观参量，并做好相关数据的测量采集工作，及第二维度：设计感知亮度的客观实验场景和环节、邀请多名被试者参与主观评价实验和建立各影响因素与感知亮度之间的关系。首先，利用多种场景的环境光模拟，得出空间亮度分布情况，指导照明和显示设备布局和设计照度可调的真实光环境和不同屏幕亮度，设置具体实验环节完成实验场景的建设；其次，进行感知亮度评价和并记录瞳孔直径数据，进一步通过色度实验的规律分析来完善显示感知亮度的影响机制；最后，通过上述实验确立空间亮度、屏幕亮度、瞳孔直径与感知亮度的关系，进一步量化感知亮度，具象化为数学公式，从而准确的表征感知亮度，即通过上述各参量之间已存在的数学关系，和通过试验获取的相关参量的值，进行进一步加权和融合各元素量值，构建显示器件显示的感知亮度与上述各参量之间的数学关系。

如图2所示，通过模拟设计软件可以预先设计部分实验场景3D模拟和仿真效果图，通过显示器表面和墙面等物体表面的亮度分布，可以开展各类试验环境的建设做好铺垫，此过程可以方便更科学高效的进行试验。如图3所示，即为建立本发明的实验场景示意图和真实实验场景图，在进入正式试验环节时，场景中灯具是在场景中起着全局照明的作用，每盏灯具单独可控，且可以调光调色，这样就可以在一个场景内实现多种照明效果的光环境，可以实现显示设备在不同光环境下的试验，从而更加全面分析人眼对于显示设备在不同光环境下的平板显示器件显示的感知亮度情况，通过眼动监测仪等仪器设备可以监测人眼瞳孔的变化情况。如图4所示，不同条件下观察者的瞳孔直径均值图，通过该图可知，不同环境光条件下观察者的瞳孔随平板显示器件的屏幕亮度的增大而减小，而在相同屏幕亮度情况下观察者的瞳孔随环境光照度的增大而减小。

如图5所示，为不同条件下被试者的感知亮度等级评分均值图，由该图可知当环境照度增加时被试对目标屏幕的感知亮度会降低，所以当人们觉得屏幕亮度刺眼时，除了降低屏幕本身的亮度外，还可以通过提高所处环境的光照度来缓解刺眼的感觉。从图中还可以看出，随着目标屏幕亮度的增加，观察者对不同环境光条件下的屏幕亮度评分范围扩大，说明相较于屏幕低亮度时，屏幕亮度较高时，环境光照度的变化对被试评分的影响更大。

如图6所示，感知亮度等级评分与视网膜成像亮度Lr的关系图，在本发明中感知亮度等级评分中，总共分了13个等级；而由于物体亮度刺激作用在视网膜上，通过复杂的视觉系统加工最终得到人眼的感知亮度，本发明首先提出发光物体在视网膜的成像过程视网膜成像亮度L_r，并进一步细化到所以在视网膜上微元面照度为，如式(1)所示：

式中，L为平板显示器件的屏幕亮度、D为瞳孔直径、τ为眼球的透过率、n′为物象空间介质折射率、f′为眼球的焦距，因此,τ、n′、f′等参数特定条件下都为常数。将物体亮度和瞳孔直径的关系定义视网膜成像亮度L_r，具体如式(2)所示：

L_r＝a·L·D² (2)

式(2)中，a为常数系数、L为物理亮度、D为瞳孔直径，其中，常数系数a在不同条件下取值也不同。本发明中平板显示器显示仅针对亮度均匀的显示屏幕。

如图7所示，影响感知亮度主要因素的示意图，对于感知亮度的表征，只要已知瞳孔直径和物体的平均亮度就可以知道被试在当前环境光条件下的感知亮度。当显示屏幕越亮，感知亮度越大瞳孔尺寸越大，感知亮度越大。结合实际生活中的场景，物体变亮视觉系统会调节瞳孔尺寸使其变小，而保护眼睛不至于被过大的亮度伤害。所以物体的亮度和瞳孔的大小通常不能同时增大。瞳孔尺寸的变化可以折射出所有进入眼睛的光，因此包含瞳孔直径因素的感知亮度L_r能有效表征人眼对目标物体的感知亮度。其内涵包括了人眼所处环境条件的参数和发光物体的属性，能够真实反映人眼的感知亮度。

因此，本发明将感知亮度的表征方法进一步应用到了显示器件显示的视觉舒适度，这边应用”ITU R Recommendation BT.500 11.”将视觉舒适度分为了五个等级，分别是：1级很不舒适、2级不舒适、3级可察觉点不舒适，以及5级未感觉不舒适，通过进行的相关实验数据拟合如图8所示，从结果中可知，感知亮度与舒适度评分的关系大致呈高斯函数分布，其拟合R²可以达到0.9588。用C表示视觉舒适度，具体公式(3)所示：

通过式(3)可知，视觉舒适度与感知亮度相关，感知亮度与目标物体亮度和瞳孔直径相关，而瞳孔直径与环境光与目标物体亮度相关。因此，在室内观看显示屏时可以通过调节显示屏的物理亮度或是周围的环境光去改变瞳孔直径，进而改变感知亮度，最终获得最佳观看视觉舒适度。

根据图9所示，视觉舒适度除了与感知亮度有关，还与室内眩光眩光情况、视觉清晰度、观察时间等因素有关，这边先将室内眩光眩光情况、视觉清晰度、观察时间等设置在舒适的范围内，将视觉舒适度与人眼感知亮度实现强相关联，可以从一定意义上简化视觉感知中人眼舒适度的评价具有积极意义。这样可以实现对显示设备的反馈和调节，并可以指导显示技术与设备的优化和改进。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法，其特征在于，利用客观测量和主观实验来量化显示器件显示的感知亮度与显示器件的物理亮度、显示器件所处环境光的亮度分布、人眼瞳孔直径以及显示器件与观察者的空间位置的关系，得到发光物体在视网膜的成像过程视网膜成像亮度L_r，进一步细化到所在视网膜上微元面照度为：

式中，L为平板显示器件的屏幕亮度、D为瞳孔直径、τ为眼球的透过率、n′为物象空间介质折射率、f′为眼球的焦距，其中,τ、n′、f′参数特定条件下都为常数。

2.根据权利要求1所示一种用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法，其特征在于，所述的客观测量，通过模拟设计软件预先设计部分实验场景3D模拟和仿真效果图，通过显示器表面和墙面等物体表面的亮度分布，进而建立实际光环境；通过几何测量工具、二维色彩分析仪、光谱仪和照度计仪器设备，对空间中客观参量进行采集。

3.根据权利要求1所述的一种用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法，其特征在于，所述的主观实验，实现显示设备在不同光环境下的实验，从而更加全面分析人眼对于显示设备在不同光环境下的平板显示器件显示的感知亮度情况，通过眼动监测仪监测人眼瞳孔的变化情况，不同环境光条件下观察者的瞳孔随平板显示器件的屏幕亮度的增大而减小，而在相同屏幕亮度情况下观察者的瞳孔随环境光照度的增大而减小。

4.根据权利要求1所述的一种用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法，其特征在于，所述的感知亮度与人眼瞳孔直径关系定义视网膜成像亮度L_r，具体如式所示：

L_r＝a·L·D²

式(2)中，a为常数系数、L为物理亮度、D为瞳孔直径，其中，常数系数a在不同条件下取值也不同。

5.根据权利要求4所述的一种用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法，其特征在于，所述的感知亮度，其等级评分和视网膜成像亮度L_r进行拟合是线性关系，趋势线为y＝a·x，a为常系数，即利用视网膜成像亮度来表征感知亮度。

6.根据权利要求1所述的一种用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法，其特征在于，所述的感知亮度，其表征方法应用到显示器件显示的视觉舒适度，将视觉舒适度分为了五个等级，分别是：1级很不舒适、2级不舒适、3级可察觉点不舒适，以及5级未感觉不舒适，通过进行的相关实验数据和结果中可知，感知亮度与舒适度评分的关系呈高斯函数分布，其拟合R²达到0.9588，用C表示视觉舒适度，具体公式所示：

7.根据权利要求6所述的一种用于平板显示器件显示的感知亮度表征方法，其特征在于，所述的视觉舒适度与感知亮度相关，感知亮度与目标物体亮度和瞳孔直径相关，而瞳孔直径与环境光与目标物体亮度相关；因此，在室内观看显示屏时可以通过调节显示屏的物理亮度或是周围的环境光去改变瞳孔直径，进而改变感知亮度，最终获得最佳观看视觉舒适度。

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