LCD屏幕色差的测量和品质管控方法

一 屏幕色差测量方法概述

      通常屏幕/液晶屏的亮度、色温、参考白点可以进行设置，在不同参考白点条件下呈现的同一幅图片，用亮度计测试图片的亮度和色品坐标，会有明显的差异。比如参考白点分别为D65和D50条件下的同一图片，D50条件下图片相对偏黄一些。

     人眼的色适应是视觉系统对环境光照色彩变化进行自动调节，最终让主观感知的物体颜色保持相对稳定的生理过程。比如屏幕参考白点都是D65，亮度分别为200 cd/㎡和400 cd/㎡的同一幅图片，经过人眼充分色适应之后，人眼认为图片是一样的；但是用亮度计测试，可以明显测试亮度差异。

     常用的亮度计可以测试屏幕绝对亮度Lv和色品坐标xy，用绝对的亮度和色品坐标是无法直接转换成人眼视觉色差，这就给评估屏幕之间的色差带来了很大的难度。

     如何有效方便的管控屏幕显示色彩的真实性和不同屏幕显示色差的问题，对品质工程师来说是一个非常重要课题。我们可以用亮度计采集屏幕绝对亮度和绝对色品坐标，然后在色彩均匀的颜色空间下将其转换为人眼适配后的色度数据，最后用成熟的色差公式来表达两个屏幕的色差，并进一步对屏幕进行色彩校正。

     CI550色彩分析仪可以测量屏幕和光源的亮度、色品坐标、色温、主波长等技术参数，还可以测试屏幕色差、Flicker频闪、RGB色域、屏幕对比度和发光均匀性，仪器配置2.8吋电容触摸屏，可以单机测试，也可以连接电脑测试，使用方便、测量简单。

图 1. 

二CIE1976色彩空间及屏幕色差表达方法

      3.1 人眼色适应

      人眼的色适应是视觉系统对环境光照色彩变化进行自动调节，最终让主观感知的物体颜色保持相对稳定的生理过程。

       明适应：从暗处进入亮处时，视觉敏感度快速下降，数秒到数分钟内就能看清环境色彩细节，由视锥细胞主导完成调节。

       暗适应：从亮处进入暗处时，视觉对弱光的敏感度逐步提升，完整过程需要20~30分钟，由视杆细胞主导，依赖视紫红质的合成恢复。

       人眼色适应是视觉系统自动调节色彩感知、维持色彩恒常性的生理过程，它会直接改变我们对显示器色差的主观判断，是色差计算与校准中不可忽略的。环境光适应的偏差,当环境光照度从50lux升至500lux时，人眼对蓝色调的敏感度会下降约15%，对黄色调的敏感度上升；建议目视评估屏幕色差时将环境光照度调整至300lux左右，色温尽量和显示器参考白点保持一致。

     3.2 CIEYxy色彩空间

     国际照明委员会CIE综合多人的视觉实验结果得到CIE1931-RGB真实三原色表色系统，然后改进建立CIE1931XYZ色度系统，X表示红原色、Y表示绿原色、Z表示蓝原色。

     CIEXYZ 和CIEYxy是色度学的基本色彩空间，和屏幕相关的主要标准都用到了Yxy色坐标。自然界的所有的颜色可以在CIEXYZ 和Yxy色彩空间内找到对应的色坐标，但是两点色坐标的距离和人眼视觉差异不一致，即在在视觉上CIEXYZ和Yxy是不均匀的。

图 2 xy公式

图 3 xy色品图

图 4 Yxy色立体图

      3.3 CIE76色彩空间及色差公式ΔE76

      CIE在1976年推荐了CIE1976Lab 和CIE1976Luv均匀颜色空间，所有的颜色可以在CIE1976Lab 和CIE1976Luv色彩空间内找到对应的色坐标，并且两点色坐标的距离和人眼视觉差异一致，为了进一步统一评价颜色色差的提供了基础。

      CIELab将颜色分为三个维度进行表达, 其中L*代表亮度（0-100），a*轴表示红绿偏向（正值红，负值绿），b*轴表示黄蓝偏向，如图5所示。

CIE1976UCS在CIEYxy基础上改进，通过直角坐标系v’和u’定义色品坐标，如图6所示。

      均匀颜色空间的色差公式ΔE76计算方法如图7所示。

图 5 CIELab色立体

图 6 CIE1976UCS

图 7 ΔE76色差公式

     3.4屏幕色差表达方法

     ①屏幕/发光面板点亮预热10分钟以上，用色彩亮度计采集绝对亮度和色品坐标。

     ②将上述亮度计采集的绝对亮度和色品坐标在参考白点条件下，转化成人眼视觉色适应后亮度和色品坐标。

     ③将经人眼色适应后亮度和色品坐标，在CIE1976Lab和CIE1976UCS色彩空间下转换成对应的坐标点。

     ④利用ΔE76色差公式和Δuv计算色差。

     ΔE76≤3.0，仅经过专业训练的人员能分辨色差，普通用户日常使用无法察觉偏色。

     通常情况下，用24色卡评估两台显示的平均色差，如果平均ΔE76在5.0以内，表示两台显示器的色差是可以接受的，如果平均ΔE76在3.0以内，表明两台显示器的色差比较小。

     多屏协同场景下，建议将所有屏幕和发光面板（参考白点设置D65，亮度为默认亮度）的色坐标偏差控制在ΔE≤3范围内，保证多屏色彩一致性。

     Δuv作为均匀颜色空间CIE76UCS上两颜色坐标点的直线距离，也可以在一定程度代表两颜色的色差。

三使用CI550亮度计快速实现屏幕色差测试

      3.1 CI550 亮度计色差测量原理

      CI550色彩分析仪是一款国产便携式色彩分析仪。仪器采用XYZ滤光片+CMOS探测器的方式采集待测光源的三刺激值XYZ，进一步计算待测光源的亮度和色品坐标。仪器采用1°测量角度，最小测量区域Φ22mm（可选配Φ10mm口径），测量量程最高可达200000 cd/㎡。仪器配置2.8英寸TFT电容触摸屏、4000mAh锂离子电池、蓝牙/WIFI多功能芯片、大容量存储器。

      仪器不仅可以测量光源和显示屏的亮度、色品坐标、色温、主波长等技术参数，还可以测试屏幕色差、Flicker频闪、RGB色域、面板均匀性和对比度等参数。仪器配置单次测量、平均测量、连续测量等多种测量模式；可单机测量，也可以连接电脑测量，性价比高，应用广泛。

     CI550色彩分析仪采用ΔE和Δuv评估屏幕的色差，使用简单。

图 8

     3.2 CI550 亮度计色差测量方法

      CI550亮度计仪器测量两块屏幕的色差方法如下: 

      ①调整两块屏幕的显示参数，尽量采用出厂的默认参数，然后调整两块屏幕的亮度和参考白点，使其尽量保持一致，比如将两块屏幕的亮度都调整为200cd/m²,参考白点设置为D65。

      ②准备一张用来测试屏幕白点的纯白图片(RGB=255/255/255)和多张用来评估色差的纯色图片（比如24色卡，或者WRGBCMY各色图片）。

      ③在其中一个标准屏幕上显示纯白图片(RGB=255/255/255)，预热5分钟左右，用仪器测试其亮度，并将其亮度输入到仪器的参考白亮度。

      ④然后用两块显示器，分别显示用来评估色差的纯色图片。

      ⑤打开CI550仪器，颜色参数选择屏幕色差，然后依次测试两块屏幕的显示色块，仪器自动计算ΔE76和ΔUV。

      ⑥最后用多个色差的平均值代表两台显示器的色差。

       通常情况下，用24色卡评估两台显示的平均色差，如果平均ΔE76在5.0以内，表示两台显示器的色差是可以接受的，如果平均ΔE76在3.0以内，表明两台显示器的色差比较小。

      Δuv作为均匀颜色空间CIE76UCS上两颜色坐标点的直线距离，也可以在一定程度代表两颜色的色差。

图 9CI550测试色差界面

图 10 24色卡

     3.3 CI550 亮度计色差测量优点

     ①测量原理和方法和行业内主流屏幕/发光面板大厂的是一样的，数据兼容性好。

     ②操作简单，使用方便，通过点击触摸屏和测量按键即可完成屏幕色差的测量。

     ③仪器支持HCAL二次校正，原厂有完整的色彩校正/DICOM/GAMMA技术方案。

图 11 CI550对比度测量界面

      3.4 CI550 亮度计对屏幕特性化及准确度

      屏幕/液晶屏/发光面板的很多特性化参数，比如亮度、色品坐标、色温、对比度、频闪Flicker、发光均匀性、色阶响应、显示角度等都可以通过CI550亮度计进行精准测量。

      CI550亮度计支持PC端HIQC色彩管理软件进行色彩数据管理，比如保存工程数据、打印报表，仪器有完善的SDK开发包，支持二次开发。

      PC端HMST同步测试软件可以同步连接多台CI550亮度计进行同步数据采集。

      PC端HCAL校正软件可以对CI550亮度计进行二次校正，使数据和目标进行CS2000更接近。

图 12 CI550的Flicker和RGB色域测量界面