当尼特(nits)在量化广色域显示器件的亮度方面还不尽人意时

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寻找更好的方式来比较感知亮度

正如我过往发表的文章所示:高动态范围图像应该与量子点更好地结合,制造商应该迫切地思考如何将高动态范围和广色域进行结合,并过渡运用到产品研发生产中,以达到颜色和视觉功效的最佳水准。伴随着广色域显示技术加速运用,如何在显示器件上更加“公平清楚地”定义亮度度量标准的议题,将变得更加至关重要。随之而来的高动态范围成像技术趋势也将促使显示器件的尼特数(nits)向更高发展。

在本年度的消费电子产品大展中(世界上最大的电子消费展),关于高动态范围图像和广色域结合的议题,无疑成为大展上无可厚非的热门话题,也是近乎让所有主流制造厂商想要在下一代显示器件中竞相去争夺证明的一块田地。

高动态范围图像通常要求更高的峰值亮度,这就意味着更高的最大尼特数(nits)。三星在自己的展位上用1000尼特(nits)的显示器招徕顾客,与此同时索尼也不甘示弱展示自己4000尼特(nits)技术。显而易见的是,制造商们正想要让消费者自行将高尼特数(nits)与亮度关联起来,期望得到更好的图像质量。

然而这两点相关与否,应该取决于显示器的色彩性能,特别是在其光谱表现上。为何得此结论呢?原因有两点。首先,在尼特(nits)与色域之间存在最基础的权衡—色域越广则尼特(nits)越低;其次,广色域会导致更高的亮度感知级别。在这两个效应的作用下,您可以想象为什么很难把广色域和标准色域产品放到同一类产品中去比较它们的尼特数(nit)。

 

 “光亮度 = 亮度”假设模型 1

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如果您近期有买台电视或者电脑显示器的打算,您就会自然而然地碰到“尼特(nits)”这个词,它会很明显地被列举在阐述亮度相关的技术说明书中。很久之前,显示器制造商们开始使用尼特(nits)这个词,尼特(nits)其实是光亮度的度量单位,作为对其市场上相关产品的亮度级别的标示。

这两个概念有什么区别呢?在色彩科学界,任何以“度/ness”作为结尾的英文词语,(比如colorfulness色度, lightness明亮度, brightness亮度, etc.)被用于阐释人眼对于光的主观感受—-换言之,就是指光的性能不能够被直接测量,它只可以作为一种感觉被观察者描述和定义出来。

当光投射到视网膜上时,我们用亮“度”一词定义人类观察者对光的主观意识感觉。我们通过使用“昏暗的”或者“非常明亮的”这样的形容词,形容人眼对光线非线性的响应。[注意:不要将此概念与大多数显示器上标注的“亮度”一词所混淆,后者是用于控制显示器的灰阶参数]

光亮度,另一方面,是与亮度最接近的词语,它可以被重复性测量。(用尼特作为单位,或是用坎德拉每平米(Candelas/m^2)为单位进行测量);它代表的是光从物体表面发射或反射出来的数值。

对于亮度和光亮度的区别,最简单的理解方式就是他们之间成对数关系——当发光源的光亮度增强的时候,肉眼对亮度的敏感性会迅速降低(请看右侧图表格)

换言之,如果光源的光亮度增加十倍,观察者将感知不到到10倍的亮度增加。正是因为这个特性,使得人类肉眼得以在非常宽广的亮度范围下还可以应运自如。(对于专业的摄影师而言有14个级别)

身处于显示领域的很多专业人士,仍旧将“亮度”与“光亮度”换无差别地互换使用,那是因为很多的人仍不清楚究竟“光亮度”这一名词所指为何。显示器件制造商想要让消费者在购买和比较显示器时能够轻而易举地将亮度参数作为他们选择的重要参考,因此这些显示器制造商只能将错就错。

那么到底这种混淆是否重要呢?其实,如果所有的显示器都采用同一种背光照明技术,呈现出的是或多或少差不多量级的色彩性能的话(Rec. 709 or sRGB),那么这样的混淆当然是无关痛痒的。然而,当广色域显示器件使用后,这种格局将变得复杂起来。

量子点,红绿荧光粉材料,有机发光二级管,激光,RGB三原色以及其他的技术已经愈发普遍被运用,当多元化的背光技术出现后,在光亮度和亮度之间的无差别替换性使用开始土崩瓦解。从根本上讲,这一切都归结于全彩显示是由红绿蓝三原色光谱构成的这一事实。

 

图示理解明视反应曲线重叠和H-K效应

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模型2中一个关键特征显示:广色域显示器,特别是对于量子点显示器,,是由非常窄的红绿蓝三色的发射光谱所导致更加广域的色彩。

通过与标准液晶显示器中应用的荧光粉材料作比较,量子点可以产生极窄的光谱。由于量子点的发光光谱非常纯净(通常量子点产生20-30纳米的光谱),红绿蓝三原色会表现出更加高的色饱和度。

这些高饱和度的红绿蓝三原色作为CIE色域三角形的顶点,,在这个色域三角形中包含的所有颜色都可以被显示器呈现出来。(可以参考左图所示)

图表中的马蹄形所表示的是我们人类肉眼所能认知到的所有颜色,而马蹄形状的边缘所代表的则是单色光的波长。所以,当发射光的光谱越窄,三原色的颜色就会相对更加饱和,那么三原色就会更加靠近马蹄形的边缘。

越大的色域三角形空间就会覆盖更多可被认知的颜色。值得注意的是即使是最广域色彩标准,Rec.2020, 三原色也只能涵盖63%的可被认知的颜色。换句话说,从显示器的色彩性能角度而言,我们还有很大的可提升空间。

另外一种评价显示屏色彩性能的方法是检测显示器的光谱分布。在以下的图表中,红色的线表示量子点和白光发光二极管两种类型的显示技术的光谱分布。如图所示,这两种技术的光谱表现是明显不同的,量子点显示屏所展示出来的是非常明显的红黄蓝三原色的的三个峰值(这归功于光谱非常窄的RGB三原色),而对比白光LED所呈现的是蓝色峰值和很宽的黄色发光光谱。

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左侧部分是白色发光二级管所产生的75% NTSC色域. 而位于右侧的广色域显示器则会产生100%的 NTSC 色域。再次证明,右侧产生的广色域是得益于窄光谱的红黄蓝三原色。图表中蓝色的曲线表示所谓的明视反应曲线,可以看出,人类肉眼对波长的敏感度是不同的,并且会自然地强化可见光波段中的某些特定波长。所以,显示器的波长越接近于明视反应曲线的峰值(555纳米),那么就越会比光谱尾端的波长贡献出更多的尼特数(nit)。

因为白色发光二级管会产生更加宽泛的光谱,相对于量子点显示来说,白光发光二极管的光谱与明视反应曲线产生的重叠更多,也就会比量子点显示器产生的尼特数(nits)更高。相反地,当量子点的光谱越窄时,随之就会与明示反应曲线产生越少的重叠,也就会产生越低的尼特数(nits)。

尽管事实是两个显示器上所传递给人眼的能量是相同的(例如,曲线下的面积是相同的),但是由于光谱轮廓的不同,导致了不同的尼特数(nits)。用另一种方法来说,当白光发光二极管显示400nits时,显示相同能量的量子点显示器的尼特数只有336 尼特,这就意味着量子点显示器的光亮度下降了16%。

当然,广色域显示器的尼特数(nit)损失完全取决于与之相比较的光谱分布。上面的例子清楚的说明了色域和光亮度之间的权衡问题,因此使用尼特(nit)来衡量标准色域和广色域显示器的亮度是非常困难的。如果考虑到显示器中有不同的光谱分布情况的话,那么标准色域和广色域显示器的亮度对比也不再是所谓的同类比较那么简单。

 

但是等等,那里有更多的疑问……

尽管前面有提及的量子点光谱测量出来尼特数(nits)比白色发光二极管低了16%,但是感觉上亮度并没有像亮度和光亮度的对数关系所表达出来的那样有明显的下降。

换句话说,人眼对广色域显示器所呈现的饱和色彩所产生的感知亮度,比光亮度所表示的数值更加明亮。为什么会出现这样的情况?有一种精神性视觉的现象为 Helmholtz–Kohlrausch 效应(简单的说是“H-K” 效应)解释了在我们肉眼看来,在同等亮度下“饱和色”比“不饱和色”看起来更明亮的原因。我将会在下一篇文章中进一步研究这个有趣的现象。

  • 光亮度(尼特为单位)与平时所称的亮度不是一个概念,特别是在标准色域和广色域显示器相对比的情况下。
  • 广色域显示器需要更加窄的三原色光谱,减少了与明视反应曲线的重叠(较低的尼特值(nit)
  • 由于 H-K 现象,窄光谱的红蓝绿三原色显示效果会更明亮

 

关于如何公平定夺亮度的比较,是设计和销售广色域显示技术产品中的众多重要挑战之一,以上所有的讨论正为这一难题提供了相对规范的说明。如果没有它,显示器技术工程师们和客户们将在黑暗中失去广色域显示的全部性能优势。现在对于明视反应曲线的修订的行动是志在必行的,对于其所产生的影响我在前文中也都一一解释过。在 QD Vision,我们已经在开发相关的新度量标准,在不久的将来把它分享显示行业中,我将会在以后的帖子中发出,请继续关注。

 

此文作者John Ho,QD Vision产品市场经理

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