摘要 现在任何一个对信息显示——从平板电视用户到专业的广播市场——感兴趣的人都了解亮度、发光度和对比度等概念，并且知道对于任何良好的显示器来说，这些指标都应该尽可能地高。自然而然，在典型的市场材料中包含相同的亮度和对比度数值，并且有时就是不同产品之间的主要差异标识。在显示行业中，当然，我们了解得更多，尽管我们并不是总会承认这一点。使显示器与众不同的指标还有许多，其中许多取决于具体应用及其所使用的周围环境。
    本文试图解释一些基本术语、概念和在显示行业中常常遇到的令人混淆的问题。我们将概要介绍显示，包括LCD、等离子、投影(DLP、多晶硅和LcoS)等等，并针对具体应用对显示技术进行分类。 
    基本显示技术指标及其含义
    亮度和发光度
    以亮度(Brightness)为例。我们凭直觉就知道它的含义，但是，我们如何对其进行量化？答案是—我们不知道。亮度是一个主观品质指标，在对一些物体的感觉过程中，我们人类采用黑、暗淡、亮或一些代表中间亮度的词汇来表达亮度这个概念。那么，所有这些亮度如果采用市场销售人员使用的尼特(nit)或cd/m2单位来表达的话，数值是多少呢？实际上，在严格的意义上讲，这要被称为发光度(Luminance)。请理解我们使用这个术语：并不是我们随意捏造——一直以来就存在这个术语。正是因为人们熟视无睹，才导致混淆概念，稍后我们将对此进行解释。与亮度不同，发光度可以被客观的仪器所测量并用绝对数值来表达。
    目前，亮度不仅仅是主观指标，而且是相对的指标，它取决于我们正在观看的物体的周围环境。请看图1所示的两个垂直矩形的例子。哪一个更亮？我们认为是左边那个。但是，哪一个的发光度更大？可能是左边那个？错了！它们是灰度相同的矩形，被复制并粘贴到具有变化的灰度背景的不同地方。我们看到，即使矩形具有相同的发光度，对它们的亮度的感觉却是相对的。尽管保持一切(背景、周围环境光线等等)都一样，并且仅仅改变发光度，我们必须承认在所测得的发光度和我们感觉到的亮度之间存在一一对应的关系。换言之，如果我们提高发光度，那么，显示器的亮度就会更高，不可能出现别的情况。科学家相当长时间以来都致力于把所感觉到的亮度转换为量化的表达方式，最终提出了把发光度与所感觉到的亮度联系起来的满意的模型(如图2)。
    需要慎重对待之处在于：我们不能把感觉到的亮度用绝对单位来表示，而只能相对于一个参考对象来表示。因为大多数情况下，我们比较各个显示器或将显示器和占优势的周围环境光线比较时，那就足够好了。如图2所示为发光度和感觉到的亮度之间的转换。参考对象是在视野中最亮的白色物体，人们的眼睛用它在占优势的照明情况下建立一个“黑-灰-白”等级。如果我们有两个具有不同发光度的显示器，那么，比较亮的显示器就是参考对象(100 cd/m2，见图3)。在图2中的模型告诉我们，如果其它显示器的发光度比参考对象低50%，对于人眼来说，其亮度仅仅低24%。或者，一个发光度低5倍(18%)的显示器会让我们感觉到其亮度暗了两倍。 
    眼睛适应各种发光度的级别
    如果持续不断地适应由亮到暗的变化或反之，那么，人眼就会感到疲劳。
    现在，我们掌握了如何把客观量的“发光度”转换为主观的“亮度”，但是，这是稳态的情形。我们的眼睛是相当动态的——它们可以非常快地扫描视野并适应不同的照度级别。然而，眼睛的适应过程要花一些时间(这种现象被称为瞬时适应)。其结果在于：要适应较高的发光度没有问题，眼睛只要花几秒钟(最长几分钟)就行；但是，要适应从亮到暗的变化，对眼睛来说却存在较大的困难，取决于你开始时的光线级别，眼睛可能要花5分钟到最长30分钟来完全适应较暗的发光度级别。如果你被迫适应从亮到暗再从暗到亮，一直这么做你会感觉到什么呢？那么，你的眼睛就会疲劳，你会患上眼睛疲劳症。这就是为什么在发光度尽可能平衡的环境中工作至关重要的原因。
    如果眼睛能够适应占优势的周围环境发光度级别，它就可以在大约102 cd/m2的发光度范围内(见图4中的窗口)同时看见(阅读、感觉对比、色彩，等等)。在这个“窗口”之外的任何发光度都要求眼睛有一个适应过程(该“窗口”向着新的级别滑动，这就要花一些时间和努力)。
    如果我们要适应到100 cd/m2的亮度，那么，我们应该能够同时看到发光度范围在10到1000 cd/m2之内的物体和显示信息(图4)。或者，如果我们要适应到1000 cd/m2的发光度，我们应该能够同时看见发光度在100-10,000 cd/m2之内的显示。但是，如果我们能够适应1000  cd/m2的发光度，我们的眼睛将至少需要几秒(如果不需要更长时间的话)才能阅读发光度大约为60 cd/m2(如图5)的报纸或显示信息。如果你频繁地这样做，那么，你就会出现眼睛疲劳。图5所示为这种问题的一个例子。在典型的控制室环境中，感觉周围环境的发光度大约为100 cd/m2(办公室的墙壁、白色的纸张)，而漆上型电脑屏幕和计算机显示器的发光度在150到250 cd/m2之间。显然，视频墙的发光度可能不一定比其它高(高意味着1000 cd/m2)，否则，我们的眼睛就要适应它，并当我们频繁地适应我们周围亮度较低的环境时将会出现眼部疲劳。这就相当于从办公室出来，进入一条没有照明的走廊(图5)。所以，最好是让你的控制室之内的所有物体具有尽可能均匀的发光度。
   流明 
    流明是正投影机的指标，与直接观看及背投显示没有关系。
    那么，古老的流明单位跟本文有什么关系呢？流明是测量投影机发出的总光通量的单位。这个单位被用于投影机，而不是像LCD这样的平板显示器及等离子显示器；然而，实际证明即使对背投显示器，流明也不是合适的单位。这是为什么呢？正面投影机把光线(以承载信息的像素形式)投影到白色的不光滑屏幕上；该光线发射并到达我们的眼睛。但是，周围环境的光线也是这么达到我们的眼睛的，它的光线有的比较均匀，有的均匀性更差，因此，所投影的图像的对比度就会减小。所以，对于正面投影机来说，其亮度有必要大于我们可能实际具有的周围环境的亮度，并且采用流明来测试这种“亮度”是合适的。然而，在背投系统中，光线是由背部投射而来(顾名思义)，并且是通过一层透明的屏幕投射给观众的。如果你把你的屏幕用100%吸收光线的屏幕代替，你就什么都看不到，关心背投具有多少流明数有什么意义呢？整个流明的故事因此就是正面投影机发展的产物：在正面投影机中，重要的是你在屏幕上看到什么？而这取决于投影引擎、屏幕类型、周围环境光线等等，并且采用屏幕对比度和发光度来表示。相比而言，背投的流明单位就像用重量来决定哪个人更好一样，没有任何意义。
    环境光、照度和反射
    那么，对于背投和平板显示器来说，什么是真正要紧的呢？照度是表示照射在特定面积上的光线有多少的技术术语，它不直接取决于光线所照射的表面面积(不论其是白色、黑色，扁平或木纹状的)。你可以把照度看做是周围环境中的“光线密度”或“光射线的密度”。它以勒克斯(lx)为单位进行测量，并且这个名称可能会引起一些回忆。在卧室和办公室中的典型照度范围从50到200lx。 
    周围环境光线意味着在房间中“无处不在”的光线。不可避免地，这种光线将落在你的显示屏幕上；也正是因为不可避免，它将反射及混合从你的显示器出来的光线并承载有用的信息。如图6所示为几种不同的反射机制，包括：1. 称为散射或“Lambertian”反射(图6a)，每一束特定的光线在所有的方向上反射，所以，不存在光源的图像；2. 镜面反射(图6b)，镜面反射类似于你在屏幕上看到完全跟光源的图像一致的反射；3. 朦胧反射(图6c)，这种反射处于第一和第二种反射之间，在所反射的图像周围有模糊的轮廓。你具有哪一种类型的反射完全要取决于你的屏幕，很可能你将具有所有三种反射机制的混合，但是，其中一个会占据支配地位。这就是为什么一些屏幕被称为散射型屏幕，而另外一些屏幕被称为反射型屏幕。
     对比度、对比度比率、银幕对比度
     周围环境光线极大地降低了对比度
     对比度比率=最亮的白色/最暗的黑色(在黑暗的房间中)
     对比度是显示行业中所采用的另外一个声名狼藉的术语，它受到一些曲解和市场营销的误导。如果你面对对比度为1000:1和10000:1的两台显示器，你会购买哪一台(当然如果价格不成问题的话)？这些数字被证明具有误导作用的，为了紧扣本白皮书的目标，我们将澄清一些令人误解的概念。 
    首先，要弄清楚名称和定义。显示器在完全黑暗的房间中产生的最亮的白色和最暗的黑色之间的比率被称为全场对比度比率。这是因为白色和黑色都是在屏幕的中央测得的，而此时整个屏幕是白色或黑色。采取这种办法来定义，对比度比率的范围应该在1(白色和黑色相等—完全没有对比度)和无穷大之间(非常非常大的数，如果黑度非常低或白度非常高，或两者都是)。我们还会采用对比度的术语，尽管严格地说，对比度指的是最亮的白色和最暗的黑色之差与两者之和的比率(因此范围在0到1之间)。
    第二，要掌握所使用的条件。我们说一个完全的暗室——顾名思义——是确定对比度的一个绝对必要条件。记住，如果存在周围环境光线，它将从显示屏幕反射。但是，然后我们从屏幕上获得的黑色就将与这种反射光线混合，因此，所测得的黑色就不如在暗室中的黑色那么完全。因为黑色不够黑，所以，对比度比率将减小。欢迎你做下述的实验，但是，首先要看一下图像处理中的最著名的脸庞(图7a)，然后，看看如果对比度下降的话会发生什么(图7b)。 
    实际的例子
    为了获得关于这种效应的概念，让我们做一个快速的计算(见图8和表1，其中包含下面所采用的所有数值)。假设你的一台显示器的对比度比率是1000:1，而最白的发光度为LFW=500 cd/m2，相应的最黑的发光度为LFB=0.5 cd/m2。设周围环境光线的照度为160 lx，这是办公室和卧室完美的正常照度。
    在一个典型的具有4%散射反射系数的散射屏幕上，这相当于LAL=2 cd/m2的反射光线(LAL=反射系数*照明度/3.14，现在不要问为什么)。在这些条件下，我们需要把这2 cd/m2叠加到亮和暗的发光度之上，所以，实际的对比度比率将是(500+2)/(0.5+2)=200:1！这是一个完全出乎意料的结果！如果屏幕是镜面(像镜子一样)，对比度甚至会更低，因为它将是平滑的，将产生“热点”(例如吊灯的反射)，并且屏幕上的一些区域将完全看不清楚。但是，不要失望。尽管200:1的对比度比率小于1000:1，但是，远远超过了优良显示器的标准。如果你要获得良好的可视性和可读性，推荐采用10:1的对比度比率。超过它的任何数值对提高可读性都没有任何贡献，但是，只是对感觉到的图像品质有贡献。最终，要紧的不是要获得几千比1的超高对比度，而是要获得能够恰当地处理周围环境光线的屏幕，并且不会产生热点。
    在投影机技术中，有一个测量投影机产生的白和黑的比率的称为“投影对比度”的术语。但是，这仍然—如上所述—要转换为取决于屏幕类型及不可避免的周围环境光线的“银幕对比度”。设想你有一台具有极佳投影对比度的背投，如果你把100%吸收的屏幕放在它的前面，你能看到吗？直射阳光落在屏幕上时你看到了什么？
    显示增益、半增益角、视角
    在我们作出总结之前，我们将讨论在投影机及平面显示技术中见到的诸如“增益”、“半增益角”和“视角”之类的指标。让我们首先讨论背投显示器，其中的光线由背后投影到屏幕上(图9)。为了确保从投影机出来的光线平行，要采用菲涅耳透镜。这种平行的光线然后通过屏幕，其构建方式确保从它发出的光线沿着所有的方向相等地辐射(图10a)。其它类型的屏幕可能会引入一些发射光线的角分布，即屏幕发出的光线在垂直方向上最强，如果我们以一定的角度观看(图10b)，光线就会变弱(较低的发光度)。
    屏幕增益就是屏幕在垂直方向上实际发射的光线与—如果屏幕完全散射时—在该方向上所发射的光线的比率(图10a)。我们把完美散射的屏幕定义成增益为1。因为存在角散射，在某一点，发光度将成为银幕亮度值的一半，这个角度就是半增益角。业内常见的数值在6到40之间。在此，事情变得更为复杂，因为我们可以在水平方向定义半增益角(如果你从右边或左边看显示器的话)，并且是在垂直方向(从上向下看)上。要根据应用优化这些数值。
    现在，要记住我们在前面提到的感觉亮度。我们说，为了感觉一个变暗50%的显示器，其实际发光度大约是参考显示器发光度的20%。要把这种情况转换为在投影显示器中对发光度的角依赖性，我们可以定义1/5增益视角，在这一点的发光度大约比垂直方向低5倍(1/5=20%)，但是，感觉亮度仅仅大约是垂直方向亮度的一半。这个角度比半增益角要宽得多，就屏幕可视性而言仍然是有意义的。当讨论平板显示器时，我们满足“视角”指标的要求。不要把它与针对背投显示器的半增益角及上述讨论混淆。在LCD和等离子显示器指标中，我们发现视角的范围在160到180度之间。的确，在这些显示发光度中也存在来自垂直视角方向的角分布。然而，在平板显示器中的视角被定义为角跨度，其中，暗室对比度比率维持在大约10:1。记住，对于良好的可视性来说，10:1的对比度比率是必要的。例如，如果显示器指定的视角为176度，那就意味着如果你从大于176:2=88的角度观看显示器，则对比度比率会下降到10:1。这个角度当然一点都不坏，它意味着你几乎平行着观看屏幕。
    总结和结论
    通过本文，我们已经看到显示器的指标并不是严格地像许多人所认为的那样，并且在构建良好的信息显示器的时候，要考虑许多其它的重要问题。
    在控制室应用中，上述讨论的领域可以合并并引入新的问题。此类问题当中最重要的问题之一是亮度适应与发光度角分布的结合。例如，以显示墙由背投单元构成的控制室为例。显然，除了垂直观察方向之外，操作员总是以一定的角度观看显示墙(取决于墙壁的面积、操作员的位置和感兴趣的显示区域)。如果具有高增益的显示墙，它就不可避免地意味着不论何时你观看显示墙上的不同位置，你都会看到不同的亮度。增益越高，你看到的亮度差就越大。如果你经常这么做，你的眼睛就会受到亮度适应的影响并且导致眼睛疲劳。这不是整天坐在显示墙面前的操作员想看到的。了解到这一点，Barco Control Rooms公司生产的显示器具有均匀的角度分布的屏幕，而不是为了市场营销的目的最大化银屏亮度。这些屏幕还具备另外一个优点：它们反射的周围环境的光线较少，不形成热点，因此，即使在照明很好的控制室中也具有高对比度。感觉亮度和发光度是不同的条款，提高屏幕的增益弊大于利。把背投的发光度提高两倍(利用高增益屏幕而不是散射屏幕)，只能把感觉亮度提高30%；但是，与此同时，把半增益角减小，并且在整个视角范围内引入不一致的高亮度，结果可能导致眼睛疲劳。
    作为在现场信息显示领域的专业方案提供商，Barco Control Rooms公司不仅利用这种知识并优化我们的显示器以使它们有利于人类的视觉系统，而且满足对高对比度、高亮度以及使显示器产生优良显示效果的所有因素的市场需求。