印刷技术 — 色彩打样显示器 — 特性
引言
在图形艺术领域，越来越期望能够将彩色显示器上显示的彩色图像与同一数字文件通过打样和印刷系统渲染生成的图像相匹配（通常称为“软打样”）。实现这种匹配并不简单，要完全准确需要对流程中的许多方面进行仔细控制。本国际标准的主要目的是就软打样显示要求提出建议。如果满足这些要求，那么如ISO 14861中定义的软打样系统就能够与硬拷贝打样进行准确的色彩匹配。因此，本国际标准旨在为显示器制造商提供指导，以使其显示器符合图形艺术打样系统的使用要求。
彩色显示器上彩色图像的外观受许多物理因素的影响，除了受控的环境观看条件外。其中最重要的因素包括均匀性、尺寸和分辨率（以便能够以接近正常尺寸呈现校样，并在正常观看距离下显示硬拷贝上的最精细细节）、电光特性随观看方向的变化、无闪烁和眩光（具有清晰图像的镜面反射）、显示器的光电校准以及其显示驱动软件的设置。在这方面，为了在提供合理图像质量的校样系统中被接受，显示器还需要以可接受的质量展示这些特性。
请注意，即使对于最高质量的显示器，显示图像的外观也会受到用于将数字文件从其编码色彩空间转换为显示所需色彩空间的色彩变换精度的限制。
本国际标准规定了用于软打样系统的显示器要求，该系统由IS0 14861定义。IS0 14861主要关注在相邻的观察箱中比较显示图像与硬拷贝的应用，或观察箱中特意包含显示器的应用。此外，为了满足软打样用例的不同需求，本国际标准将定义两种不同的符合性级别（A类和B类）。
然而，在一些实际情况下，屏幕上显示的图像是在没有硬拷贝的情况下进行评估的。本国际标准可作为参考，但并非必须使用。本国际标准的用户还将受益于CIE出版物122，该出版物概述了数字与色度量数据之间的关系。那些不熟悉显示器评估的人也会发现阅读IEC 61223-2-5很有帮助，该标准包含了许多关于图像显示设备评估和测试的有用详细信息。
范围
本国际标准规定了用于彩色图像软打样的显示器特性的两个一致性级别的要求。包括不同驱动信号下电光特性的均匀性和视角变化的要求。
规范性引用文件
下列文件，无论是全部还是部分内容，在本文件中被规范性引用，且对于本文件的应用是必不可少的。对于注明日期的引用文件，仅所引用的版本适用。对于未注明日期的引用文件，引用文件的最新版本（包括所有修订）适用。
ISO 13655，印刷技术 — 印刷图像的光谱测量和色度计算
术语和定义
为本文件之目的，适用以下术语和定义
3.1 校准
在特定条件下，建立测量仪器或测量系统指示的量值、或参考材料的物质测量所表示的值与标准实现的相应值之间关系的一组操作
[来源：ISO 国际计量学基本和通用术语词汇表]
注1：然而，在典型的图形艺术中，校准被理解为一个主动过程，即调整显示器或打印机，使其产生定义的目标值。
3.2 色度计
用于测量颜色值的仪器，例如颜色刺激的三刺激值
[来源：ISO 12637-2:2008,2.18]
3.3 设计观察方向
DVD
显示器的特定光电特性已优化的方向
注1：重要光电特性的示例包括特定方向上的最大亮度和最大对比度。
3.4 gamma
最佳拟合参数，该参数将显示器的归一化输出亮度与呈现给显示系统（包括其硬件和软件组件）的归一化输入数字值相关联，如公式（1）所示：
$$L\!=\!\left(S\right)^{\gamma}\!+\!O$$
其中
L 是归一化输出亮度；$S$ 是归一化输入数字值；$O$ 是偏移量。
3.5 导通状态
显示器处于开启状态
注1：该定义对于类似光阀的显示器非常重要，即使在显示最暗图像（$\mathrm{R}=\mathrm{G}=\mathrm{B}=0$）的开启状态下，这些显示器也可能发出显著的光强度。
3.6 分光光度计
用于测量物体在光谱中一个或多个波长下对光（或其他辐射）的反射率或透射率的仪器
[来源：ISO105-A08:2001,2.24]
3.7 视角锥
VC 圆锥空间起始于显示表面，包含所有具有指定倾斜角度 $\theta$ (3.8) 的观看方向。
3.8 视角
$\theta$ 显示器法线与设计观看方向之间的角度 (3.3)
4 要求
4.1 概述
所有显示测试应在显示器校准至亮度为 $160~\mathrm{{cd/m^{2}}}$ 且色度对应于 D50 光源（x=0.457 和 y=0.3585）的条件下进行，使用 2度观察者，伽马值为 2.2。显示器应显示由每个通道（红、绿、蓝）的最大值组成的“白色”图像（对于 8 位图像为 255）。如果使用了其他校准目标，应予以报告。
注1 _ 此校准条件在图形艺术行业中较为典型，确保不同测试显示器的结果可以进行比较，因为均匀性在一定程度上可能取决于所选的伽马值、亮度和白点设置。
如果待测试的显示器将仅用于特定的软打样系统，且该系统不使用显示器校准，而仅对显示器的状态进行表征，则可以省略校准。应报告亮度、白点色度（以CIExy单位表示）和色调再现曲线（以单个伽马值或一组表格值表示）。
显示器应在稳定状态下进行测试。为了确定每个显示器的单独稳定时间，每个待测显示器应在温度受控的房间内以校准模式运行 $12\textrm{h}$。房间温度变化不得超过 $\pm0.5\ ^{\circ}\mathrm{C}$，且温度范围应在 $18\,^{\circ}\mathrm{C}$ 至 $28\,^{\circ}\mathrm{C}$ 之间。
稳定时间（预热时间）的达成条件是：亮度变化小于 $2\ \%$（与 $12\,\mathrm{h}$ 周期内最后 $9\,\mathrm{{h}}$ 测量值的平均值相比），且白点在 CIE $\Delta\mathbf{x}_{,}$ 和 Ay 的校准条件下保持在 $_{\pm0,005}$ 范围内。如果显示器无法达到稳定条件，则不应使用。
显示器的预热行为应以亮度和 CIE Ax、Ay 的测量值图表形式报告，并与 $12\,\mathrm{h}$ 周期内最后 $9\,\mathrm{{h}}$ 的平均值进行百分比比较。
注2 当使用观察条件P2时，根据ISO 3664标准，亮度为$160\;\mathrm{cd}/\mathrm{m}^{2}$对应于照射在完美反射漫射体上的照度为500勒克斯。
4.2 亮度和色度均匀性
4.2.1 概述
软打样系统的均匀性至关重要，应检查实色和屏幕色调（渐变）变化的均匀性。如果未满足4.2.2或4.2.3的信息要求，则应报告。因此，IS0 14861中规范性地要求采用以下方法。然而，由于存在能够执行空间分辨均匀性校正的软打样解决方案，本国际标准将均匀性评估作为信息性要求。
应报告并如果基于硬件，查找表显示校正已开启（如果存在）。
4.2.2 色调均匀性评估
均匀的 $5\times5$ 网格的 CIELAB 值是通过测量中心色块在最大驱动下的值作为参考白光源来计算的。需要注意的是，这种方法可能会导致某些 CIE L* 值大于 100。对于三种不同的驱动级别，即白色（最大驱动级别，对于 8 位显示器为 $\mathrm{R}=\mathrm{G}=\mathrm{B}=255$）、灰色（大约为最大驱动级别的一半，对于 8 位显示器为 $\mathrm{R}=\mathrm{G}=\mathrm{B}=127$）和深灰色（大约为最大驱动级别的四分之一，对于 8 位显示器为 $\mathrm{R}=\mathrm{G}=\mathrm{B}=63$），通过 DE00 色差公式将 24 个读数与中心颜色进行比较。对于白色和灰色驱动级别，DE00 色差应等于或小于 4。
4.2.3 阶调评估（均匀性）
利用灰阶在最大驱动电平一半时的亮度测量值（对于8位显示器，$\mathrm{\Delta[R=G=B=127}$）和白阶在最大驱动电平时的亮度测量值（对于8位显示器，$\mathrm{R}=\mathrm{G}=\mathrm{B}=255$），应计算25个区域的灰/白比。对于非中心区域，应通过将各个灰/白比$R_{\mathrm{i}}$（$\mathrm{i}=\{1,…,24\}$）除以中心区域的灰/白比$R_{\mathrm{c}}$，减去1并计算该数的绝对值，得到新的比值$T_{\mathrm{i}}$（$\mathrm{~i~}=\{1,..,24\}$）。这种色调均匀性偏差的度量应小于$10~\%$，即最大值$(T_{\mathrm{i}}),\,\mathrm{i}=\{1,..,24\}$应小于0.10。
$$T_{\mathrm{i}}\,{=}\,a b s\big(R_{\mathrm{i}}\,/\,R_{\mathrm{c}}\,{-}\,1\big),\!\left(\mathrm{i}\,{=}\,1,\!…,\!24\right)$$
色调均匀性，由 $\left(T_{\mathrm{i}}\right)$ 的最大值确定，其中 $\mathrm{i}=\{1,..,24\}$，应小于 0.1。
4.3 视角锥特性
用于视锥测量的仪器设置和测量几何结构应符合5.4.2节中的定义。
基于观察者以一只眼睛为中心在给定观察距离（默认：$500~\mathrm{mm}$）观看显示器时可见的视锥，应计算水平、对角线和垂直方向的最大视角 $\theta_{\mathrm{max}}$。此外，还应计算四个 $45^{\circ}$ 角度（从 $45^{\circ}$ 开始，彼此相隔 $90°$）的 $\theta_{\mathrm{max}}$。最大倾斜角（$\theta_{\mathrm{max}}$）取决于屏幕尺寸、屏幕宽高比（显示器宽度与高度的比率）和观察距离，并按以下公式计算：
$\theta_{\operatorname*{max},v e r t i c a l}\!=\!\arctan\!\left({H2/V D}\right)^{\circ}\!{}^{*}\!180^{^{\circ}}/\pi$ (3)
$\theta_{\operatorname*{max},d i a g o n a l}\!=\!\arctan\!\left(D2/V\!D\right)\!^{*}180^{^{\circ}}/\pi$ (4)
$\theta_{\mathrm{max},45}\!=\!\arctan\!\left(D45_{-}2/V C\right)^{\ast}\!180^{^{\circ}}/\pi$ (5] 其中 W2 是显示屏宽度的一半，单位为 mm；H2 是显示屏高度的一半，单位为 mm；D2 是显示屏对角线的一半，单位为 mm；VD 是观看距离，单位为 mm；D45_2 是由 $\mathrm{D}45_{-}2=\mathrm{H}2/\mathrm{sin}(45^{\circ\ast}\mathrm{\uppi}/180^{\circ})$ 计算得出的 $45^{\circ}$ 对角线的一半。
示例 对于一台15英寸的笔记本电脑显示屏，其宽高比为1.6（显示高度 $=\ 202\:\mathrm{\mm}$，显示宽度 $=323~\mathrm{mm}$，对角线 $=15^{\ast\ast}25{,}4=381~\mathrm{mm})$），在 $500~\mathrm{mm}$ 的观看距离下，水平视角 $\theta_{\mathrm{max},i}$ 为 $17,9^{\circ}$，垂直视角 $\theta_{\mathrm{max},}$ 为 $^{11,4^{\circ}}\!.$，对角线视角 $\theta_{\mathrm{max},}$ 为 $20{,}9^{\circ}$，而 $\theta_{\mathrm{max},\,45}$ 为 $15{,}9^{\circ}$。
所有视角θ，直到θ_max，以$10^{\circ}$（或更小）的步长进行评估。θ_max根据评估的步长进行四舍五入。如果预期观看距离超过$500\:\mathrm{mm}$，则应予以报告。
注1 需要注意的是，用户选择的观看距离可能不同（通常在 $500\,\mathrm{mm}$ 到 $800\,\mathrm{mm}$ 之间）。公差是基于默认观看距离 $500\,\mathrm{mm}$ 定义的。该观看距离代表了桌面应用软打样的典型下限范围。
适合图形艺术软打样的显示器应在可见视角范围内对所有驱动级别表现出低色差。通过在最大视角θ_max内对所有方位角计算DEoo来评估可见视角范围内的颜色稳定性。在最大驱动级别（对于8位显示器，$\mathrm{R}=\mathrm{G}=\mathrm{B}=255$）下的白色和大约一半最大驱动级别（对于8位显示器，$\mathrm{\Delta[R=G=B=127}$）下的灰色，色差应小于10(DE00）；对于大约四分之一最大驱动级别$（\mathrm{R}=\mathrm{G}=\mathrm{B}=63）$下的深灰色以及驱动级别导致亮度等于校准亮度的$1\,\%$（默认$1{,}6\,\mathrm{cd}/\mathrm{m}^{2}]$）的情况，色差也应小于10(DE00）。
注2 ：目前的技术水平无法生产出在视角范围内几乎没有颜色偏差的显示器。DE00 的最大偏差为 10 是该偏差的合理容差。此外，某些类型的显示器在视角范围内的灰度渐变可能会有所不同。这可以通过视觉上观察到的“褪色”中间色调来发现。实践证明，这些显示器仍然可以成功地用于图形艺术工作。然而，对于要求较高的用户，需要具有更稳定灰度渐变的显示器。这种情况是引入该单一标准的两个类别的原因。随着技术的发展，可以使用更严格的容差。
根据5.3定义的视角相关灰度差异（Delta Gamma）应小于或等于“Gamma”的$10~\%$，适用于大约最大驱动水平一半的灰色（对于8位显示器为$\mathrm{\Delta[R=G=B=127}$）。未通过“Gamma”标准但满足本国际标准所有其他规范性标准的显示器被归类为B类显示器。通过所有标准的显示器被归类为A类显示器。
4.4 反射特性
显示器表面在断电状态下的反射特性应在暗室中使用点光源进行目视判断。点光源在屏幕上的反射应呈现模糊状态，并且当观察者偏离镜面反射方向时，反射应平滑减弱。
5 测试方法
5.1 概述
对于每个显示的色块（依次在图像中心显示），应记录测量的光谱辐射亮度和/或CIEXYZ值。如有需要，应计算CIELAB值。（计算方法参考ISO 13655）所使用的白点应予以报告。
显示器已根据为特定应用定义的目标值进行了校准和配置。
注：测量设备应尽可能进行校准，例如由制造商进行校准。如果无法进行校准，可以通过两台设备之间的仪器间一致性或与内部视觉参考（如校样打印）进行比较，来估计测量设备是否正常工作。
5.2 准备和显示设置
在校准和任何测量之前，应按照4.1中的定义打开显示器并让其预热。所有测量应在按照4.1校准和表征的显示器上进行。描述和重复测量所需的信息（例如校准过程、使用的软件、ICC配置文件）应与数据一起报告。
如无其他要求，所有测量应在设计观察方向并与面板接触的情况下进行。如果供应商未说明设计观察方向，则应使用显示表面的法线方向代替。
5.3 视角依赖性阶调评估（”Gamma”）
为确保图像显示的稳定性，关键在于显示器的灰阶变化在视角和显示区域内尽可能小。Delta Gamma（色调再现）的评估首先通过计算显示器中心以及每个视角或对比点的归一化“相对”亮度值来进行。相对亮度Y_rel的计算方法是将大约一半最大驱动电平下的灰色亮度（对于8位显示器，$\mathrm{R}=\mathrm{G}=\mathrm{B}=127$）与最大驱动电平下的白色亮度（对于8位显示器，$\mathrm{R}=\mathrm{G}=\mathrm{B}=255$）之比。为了评估灰阶是否稳定，使用公式（5）计算所谓的“Gamma”值。
$$△Gamma”~ [Yrel(testcolours,θ,Φ)] / $[Y_{\mathrm{rel}}$ (referencecolours @ DVD)]- 1$$
$Y_{\mathrm{rel}}\,{=}\,Y_{\mathrm{grey}}\,/\,Y_{\mathrm{white}}$ 示例见图1
注：稳定的灰度变化可以表示为gamma变化（参见给定示例）。此处，通过计算归一化灰度亮度与参考角度（设计观察方向）的归一化灰度亮度的差异百分比来评估灰度变化。为了方便向从业者传达该值，可以将其称为$”\Delta\mathrm{Gamma^{\prime\prime}}$，包括引号，以明确这不是真正的gamma差异，而仅与gamma差异相关。
$$\begin{array}{l}{{Y_{\mathrm{{rel}}}\left(测试颜色,\varphi,\theta\right)\!\!=\!\!\frac{50}{160}\!\!=\!\!0,\!312\!\sim\!\gamma\!=\!\!1,\!68}}\\ {{{\cal Y}_{\mathrm{{rel}}}\left(参考颜色\@D V D\right)\!\!=\!\!\frac{60}{200}\!\!=\!\!0,\!3\!\sim\!\gamma\!=\!1,\!74}}\end{array}$$
注：$\frac{0.312}{0.3}{-1}{=}0.0417{\rightarrow}”\Delta\mathrm{Gamma}”{=}4{,}2{\%}$
图1 — “Delta Gamma” 的示例计算
5.4 测量条件
5.4.1 光度和色度测量
以下要求适用于在显示屏面板（接触测量）或通过光谱辐射计进行的测量。显示屏面板的测量应使用光谱辐射计或色度计进行。在距离显示屏面板一定距离处的测量应在暗室中进行，配置如图2所示。对于这两种情况，仪器的光轴应与设计观看方向一致。
光谱辐射计和分光光度计应符合以下要求：
a) 波长范围应包括从 $400\;\mathrm{nm}$ 到 $720\;\mathrm{nm}$ 的区间；
b) 感应锥的角度，即接收器感应出射光的角度区域，不应超过半角 $5^{\circ}$，且不应超过半角 ${}^{2,5^{\circ}}$（见图2）；
c) 对于远距离光谱辐射测量，距离 $d$ 的选择应确保测量期间采样的像素数至少为150。对于面板测量，每个样本的测量区域直径应不小于 $4\,\mathrm{mm}$，且应包含至少150个像素；
d) 测量白炽光源时的色度精度应为 $\mathrm{CIEMxy}=\pm0{,}002$，亮度水平在 $0{,}5\;\mathrm{cd}/\mathrm{m}^{2}$ 至至少 $800\;\mathrm{cd}/\mathrm{m}^{2}$ 之间；
e) 波长的 $2k$ 不确定度（其中 $k$ 为IS0 15790中定义的覆盖因子）应小于 $_{0,5\ \mathrm{nm}}$，且应小于 $1\ \mathrm{nm}$，如波长标准中所述（色温为 $2~856\mathrm{K}\pm\:50\mathrm{K}$ 的白炽参考光源，其光谱辐射或辐照度的认证值以 $5\;\mathrm{nm}$ 为间隔列出，平均半功率带宽在 $4\,\mathrm{nm}$ 至 $5\:\mathrm{nm}$ 之间）；
f) 光谱数据的参考应基于以 $5\;\mathrm{nm}$ 为间隔的计算数据，其中光谱响应函数为三角形，半功率点处的带宽为 $5\:\mathrm{nm}$；
g) 测量设备的分辨率应小于或等于 $10\;\mathrm{nm}$（FWHM），且应小于或等于 $5~\mathrm{nm}$（FWHM）。如果测量采样间隔小于 $5\:\mathrm{nm}$，则应使用IS0 13655中规定的带宽扩展程序，以 $5\:\mathrm{nm}$ 为间隔导出和报告数据；
h) 在亮度大于 $80\;\mathrm{cm}/\mathrm{m}^{2}$ 且光谱分布对应于显示器白态的情况下，光谱辐射计的重复性应小于CIE $u^{\prime}v^{\prime}$ 的0.001和所测亮度水平的 $0{,}5\,\%$；
i) 仅针对平板显示器，仪器的偏振误差限制如下：在仪器五个方位角位置（间隔 $30^{\circ}$）测量的亮度应在五次测量平均值的 $5~\%$ 以内，且CIExy色度应在五次测量值的0.002以内。
三刺激值色度计应符合以下要求：
a) 感应锥的角度，即接收器感应流出的角度区域，不得超过半角 $5^{\circ}$，且不应超过半角 $_{2,5^{\circ}}$（见图2）；
b) 对于一定距离的测量，距离 $d$ 的选择应确保测量期间采样的像素数至少为150。对于面板处的测量，每个样本的测量区域直径应不小于 $4\,\mathrm{mm}$，且应包含至少150个像素。
c) 使用亮度高于 $80\;\mathrm{cd}/\mathrm{m}^{2}$ 的稳定光源时，重复性（稳定性）应小于0.001（对于CIExy）和 $0{,}5\ \%$（对于亮度）。
d) 测量白炽光源时，色度精度在亮度水平介于 $0{,}5\;\mathrm{cd}/\mathrm{m}^{2}$ 和至少 $800\;\mathrm{cd}/\mathrm{m}^{2}$ 之间时应为 $\mathrm{CIERy}=\pm0{,}002$。
图中：
1 DUT 被测物
2 视窗
3 光测量设备（LMD），接收器
a 视场
b 视角视场
c 测量视场
d 测量视场角
e 孔径角
注：更多详情请参考CIE第69号出版物。对于LCD-DUT，根据IEC 61747，角孔径应为${<}5^{\circ}$ $_{(\pm2,5^{\circ})}$。
图2 – 非接触测量设置（改编自IEC 61747）
5.4.2 测量与观察方向的关系
5.4.2.1 角度定义
为了进行这些测量，以下定义适用。方位角 $\varphi$ 从三点钟位置逆时针测量（见图3）。视角 $\theta$ 从表面法线 $n$ 测量。
注：有关坐标和视图的更多信息，请参见IS0 9241-302:2008。
图3 — 球坐标系统
关键
1 设计观察方向
2 表面法线 $(n)$
3 观察锥
4 定义测量方向的点，相对于 $\theta$ 和 $\varphi$
5 平板显示器
$\theta$ 测量方向相对于表面法线的倾斜角度
$\theta_{1}$ 法线与设计观察方向之间的倾斜角度
$\theta_{\mathrm{max}}$ 相对于表面法线的最大倾斜角度
$\varphi$ 测量方向的方位角
图3—球坐标系
5.4.2.2 视角锥
应在暗室中使用锥形光度测量或其他能够测量不同方位角和倾角下色度特性的仪器，在显示器的中心进行方向亮度和色度分布测量（参见IEC61223-2-5）。
测量应在所谓的视锥内（见图3，关键点4）的指定位置进行。视锥由最大倾斜角 $\theta_{\mathrm{max}}$ 限制，这是单个“单眼”观察者可以看到的角度。
注1 所描述的视锥对应于IS0 9241-302:2008的视向范围类别II。
注2 如果两个人要同时观看显示屏，可能需要分别考虑和评估由此产生的视角。这不属于本国际标准的范围。
注3 观察者所看到的显示器周边（即边缘和角落位置）的观察方向，是通过观察距离和显示器屏幕区域的尺寸从显示器中心的观察方向获得的，具体细节可参考IS0 13406-2（见IS0 13406-2，第7条）。
在定义了该几何形状后，可以根据视点情况计算出四个或八个观察方向。
然后，在屏幕区域的中心位置进行实际测量，以评估亮度、对比度和色度随观察方向的变化。假设该位置的光学特性随观察方向的变化与所有其他位置的变化相同。这一假设通过计量学验证得以证实，并且这些变化主要由晶体光学特性决定。因此，如果显示屏的暗态（无电压，仅单元间隙和单元厚度变化明显）和中等灰度态（通过电信号寻址和驱动）在屏幕区域内是均匀的（这通常从法线方向的单一观察方向进行评估），那么所有其他位置随观察方向的变化也是相同的（即在计量学检测的极限范围内）。
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