下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
研究任何事情都要将其量化，电学中有用安培作为单位的电流，有用伏特作为单位的电压，还有电荷量、电感量、电阻等物理量。显示也一样，人们需要一些量化的指标去衡量研究。显示领域中重要的量包括但不限于亮度、对比度、色域、分辨率、像素密度、响应速度、刷新率、视角等。在电商平台上搜索一台电视、计算机显示器、手机，打开详细参数，都会有详细介绍，如亮度、对比度、分辨率、刷新率等，本节将讨论这些数值背后的含义，以及可能存在的理解误区。
显示所使用的“亮度”（Luminance）源于光度测量。
在光度测量涉及的基本量中，最根源的基本量就是光通量（Luminous flux），单位是流明（lumen，lm），比如灯泡产品就会标记其光通量的流明数。光通量是光源在所有方向上辐射的总能量，是用于描述光源亮度的指标。如图1-22（a）所示，一个灯泡朝各个方向发光的总的光能的量就是它的光通量。
先考虑一个单位立体角。与平面角不同，立体角是一种用来度量不同平面之间角度的单位。它可以用于计算和描述球面上的小面元所对应的角度，一个单位立体角是1sr（steradian，球面度），一个球面的立体角是4π sr。一个单位立体角接收到的光通量就是发光强度[见图1-22（b）]。发光强度通常以坎德拉（candela，cd）为单位来表示。它表示每个单位立体角（1sr）内的发光强度。坎德拉这个词源于蜡烛（candle），因为在过去，人们就用一根蜡烛的发光强度来描述1坎德拉，即一根蜡烛的发光强度等于1坎德拉。所以坎德拉是用于量度光源在特定方向上的发光强度单位，构成每个立体角内的流明数量。该单位在照明工程和光学领域中用于描述光源的亮度和方向性。
接下来，可以将发光强度平均到单位投影面积，即将发光强度坎德拉数除以一个以平方米为单位的面积，从而得到每平方米内的坎德拉数。这个物理量称为亮度（Luminance），有时也称为辉度，用来定义每个单位投影面积内的发光强度，亮度的单位通常以坎德拉每平方米（cd/m 2 ）来表示，也可以用尼特（nit）来表示，两个单位等价，如图1-22（c）所示。
图1-22 光度测量的几个基本量
亮度是一种描述光源或发光物体在方向上的发光强度的物理量，可以帮助我们理解物体在特定角度或观察条件下的亮度感知，对显示、照明等领域都非常重要。亮度的具体量化是什么量级呢？举个例子，一般的计算机显示器的亮度可能是250～300nit，电视的亮度是200～250nit，比较先进的手机的亮度一般在500nit以上，作为参考，夜空的亮度是0.001nit，太阳的亮度大约是16亿nit。
数码产品的显示屏在室内有200～300nit的亮度人眼就能看清，但在室外，太阳光比较强时，1000nit的亮度人眼都不一定能看清。现在比较先进的手机一般使用感光元器件（如光敏电阻、光敏二极管）来识别当前环境的光的强度，再根据环境光亮度决定显示屏需要的亮度，比如在室内，手机仅输出200～300nit的亮度，而在太阳光强烈的室外，可能需要输出1000nit以上的亮度。
例如，2023年发布的iPhone 15系列手机有1000nit的典型亮度、1600nit的峰值亮度、2000nit的户外亮度。这三个亮度需要分别在不同的条件下测到。例如，将自动亮度模式关掉，在低动态范围的图像上可以测到1000nit的典型亮度；开启高动态范围模式并观看具有高动态范围数据的视频内容，能在局部测到1600nit的峰值亮度。若把自动亮度模式打开，在强光环境能测到2000nit的户外亮度。一般来说，对于这种高亮度状态，系统不能维持很久，一是高亮度对OLED的寿命有影响，亮度越高，OLED的寿命衰减得越快。此外，亮度越高，手机的功耗越高，发热越严重。
亮度或辉度是一个客观的物理量，可以用光度计测量得到。而另一个参数，明度（Lightness），则是一个主观的物理量，一般用0～10来衡量。还有一个翻译后同名的量——亮度（Brightness），也是一个主观的物理量，是一个百分比，比如将显示器的设置菜单打开，图像设置一栏会出现亮度、对比度的设置，这里的亮度即Brightness，一般是0～100或者0～100%，调整的是整体的亮度百分比，即最高的Luminance范围内的0～100%。
对比度，是画面的最亮部位的亮度与最暗部位的亮度的比值。
通常，这个比值是在暗环境下测量得到的，若在明亮的环境中测量，就需要考虑环境光线在显示屏上的反射。
举个例子，对于液晶显示屏来说，其对比度等级一般是几千，优质的液晶显示屏能达到5000:1的对比度，即如果最亮的白色像素的亮度是500nit，那么最暗的黑色像素的亮度就是0.1nit。
对于OLED这样的自发光型显示来说，它的对比度可以达到非常高的水平，甚至可以达到百万量级。例如，iPhone 15的OLED屏幕的对比度可以达到2000000:1。
这是因为LCD需要一个背光源，通常是一个LED阵列，LCD通过液晶调制背光光线的透过来实现，但液晶和偏光片无法将不需要的光完全遮住。这个光就限制了对比度公式分母中的最小亮度，比如白色像素的亮度是200nit，而黑色像素透过的光的亮度是0.1nit，对比度就会被限制在2000:1。相比之下，OLED是自发光的，如果显示内容为黑色，则会关闭像素，灯珠不发光，这样测到的亮度就接近于0，因此OLED可以达到更出色的对比度。
灰度也叫作灰阶（Gray Level），是指图像中不同黑白程度的分层级别。如图1-23所示，如果一幅图像具有16级（4位，或4bit）的灰阶，那么人眼能够分辨出从纯黑到纯白的16个不同的层次；而在拥有256级（8位，或8bit）的灰阶的显示屏上，这些分层层次将更加精细，人眼几乎难以分辨，使得颜色过渡更加平滑和连续。一般的显示屏至少可以支持8bit的灰阶，而更高端的显示屏可以实现10bit甚至更高位的灰阶。现在，许多支持HDR（High Dynamic Range，高动态范围）的显示屏，如手机屏，已经实现了10位的灰阶和更加精细的层次，支持更加连续的颜色。后面小节会详细讨论HDR。
图1-23 16级和256级的灰阶图
色域，描述的是一种显示技术或一个显示屏能够显示的颜色范围的总集。在CIE 1931色彩空间中，一种显示技术能够显示的颜色区域对应一个三角形。
比如阴极射线管（CRT）显示技术，其能显示的颜色范围大概覆盖了人眼能看到的颜色范围的1/3，如图1-24所示。而现在的LCD和OLED显示技术，甚至更高级的激光显示技术，其能显示的颜色范围能够覆盖人眼能看到的颜色范围的绝大部分。这就取决于三种基本色彩的子像素能实现的颜色纯粹程度。例如，最理想的激光显示，因为激光光谱表现为一条线，颜色显示十分纯粹，所以颜色在整个色彩空间上的色坐标就会更靠近三个端点，从而能实现更大的三角形区域，呈现更丰富的色域。
BT.2020、DCI-P3、sRGB、NTSC等都是人为定义的标准色彩空间，这些标准色彩空间在CIE 1931色彩空间图上分别覆盖了不同大小的三角形面积，如图1-25所示。人们常用标准色彩空间的面积百分数来描述显示技术或产品的色域。例如，某台LCD显示器的色域是90%DCI-P3，那就是说，这个产品的色域能覆盖DCI-P3三角形90%的面积。
图1-24 CRT显示的色域图
图1-25 BT.2020、DCI-P3、sRGB标准色彩空间
在讨论了亮度、对比度、色域后，就能真正看到LCD和OLED这两种主流显示技术在人眼视觉效果上的差别。与传统LCD技术相比，在亮度、对比度、色域上，OLED技术有着绝对优势。后来LCD技术引入了量子点背光Mini-LED背光、分区背光等，其色域和对比度也得到了一定的提升，有时甚至能与OLED技术媲美。但OLED技术在形态上显示出明显的优势，如更轻薄、可实现柔性屏。尽管LCD技术在色域和对比度等方面都有所提升，但是在形态上仍难以与OLED技术竞争。
要理解高动态范围（High Dynamic Range，HDR），首先需要介绍动态范围（Dynamic Range）。动态范围实际上是计算机图形学、影像技术和通信技术中的概念，指的是可变化信号（如声音、光）的范围，或者其最大值和最小值的比值，可用分贝或以2为底的对数表示。
HDR是一种影像处理技术，相较于常规动态范围（SDR），能够捕捉和显示更大的亮度和色彩范围，以及细节，使图像更加生动逼真，旨在更准确地再现人眼所能感知的图像质量。
在HDR场景下，亮度跨度很大，包括非常明亮和非常黑暗的物体。人眼在这种情况下会不断调整以适应不同的亮度，这是一种自然的条件反射，但照相机和显示器通常无法同时捕捉和显示这种广泛的亮度范围。通常，HDR图像或视频是通过合并多张不同曝光水平的照片或视频帧来创建的。这种方法能够保留暗部和高光细节，从而在最终图像中呈现更广泛的动态范围。
显示HDR内容需要具备更高位数的色深和更广泛的动态范围，这对显示技术提出了新的要求，包括亮度的最大值和最小值、对比度、色域和灰阶，HDR和SDR的亮度范围、灰阶的对比如图1-26所示。
图1-26 HDR和SDR的亮度范围、灰阶的对比
为有效显示HDR内容，HDR显示器通常具有更高的峰值亮度和更低的黑度，以及更广泛的色域、更高位数的灰阶，以呈现更丰富的颜色和明暗。在Ultra HD Premium标准中，对于LCD显示器，要求覆盖90%以上的DCI P3色域标准，并且达到1000nit的最高亮度，以及小于0.05nit的黑度。对于OLED电视，要求最高亮度达到540nit，黑度小于0.0005nit。对于包含HDR信息的视频内容，通常采用特定的视频格式来储存，如HDR10、Dolby Vision、HLG（Hybrid Log-Gamma）等。这些格式允许在视频文件中嵌入更广泛的亮度范围和色彩信息。以HDR10为例，它要求10bit的色彩深度，即10bit的灰阶。
屏幕尺寸也是一个重要的参数，是指显示设备屏幕的对角线的长度，通常以英寸（inch）为单位来表示，有时也写作“吋”，1英寸是2.54cm。屏幕尺寸是显示屏的物理尺寸，通常用来描述电视、计算机显示器、智能手机、平板电脑和其他电子设备的屏幕大小。另外，对于有圆角的显示屏，通常把延长成直角后的对角线长度作为屏幕尺寸。
分辨率，也称为解析度，指的是显示屏上的像素数量，通常以像素阵列宽度和高度的乘积来表示。例如，笔记本电脑的显示屏通常是1920像素×1080像素的分辨率，按照电影电视工程师协会（SMPTE）的标准，称为1080P（P指逐行扫描，Progresive Scan），而按照数位电影联合（DCI）的标准，则称为2K（K是“千”的意思）。类似地，4K和8K分别表示不同的分辨率标准，4K表示横向有大约4000个像素（3840或4096），而8K表示横向大约有8000个像素（7680或8192）。
另一个与分辨率有关的尺寸就是宽高比或纵横比（Aspect Ratio）。在过去，许多显示屏采用的都是4:3的比例，典型的分辨率是640像素×400像素、800像素×600像素、1024像素×768像素等。后来随着宽屏的流行，采用16:9或者16:10的比例，如1920像素×1080像素或2560像素×1600像素的分辨率。现在，有一些新的趋势出现，如所谓的“带鱼屏”，这类屏幕非常宽，可能采用21:9或者更高的宽高比，以便显示更多的内容，比如在赛车游戏中可以获得更加宽广的视野。
像素密度，是指屏幕上每英寸的像素数，通常通过以下公式计算：对角线等效像素数（横向像素数的平方与纵向像素数的平方相加，然后对结果开根号）和对角线长度相除，单位为PPI（Pixels Per Inch），即每英寸的像素数。通过横向或纵向的长度与像素数也能计算像素密度，当每个像素的形状是正方形时，以下三种像素密度相同。
举个例子，iPhone 15Pro Max的屏幕尺寸是6.7英寸，这是在将圆角部分拉直后计算得到的尺寸。其分辨率是2796像素×1290像素，同样需要考虑圆角部分（包括灵动岛的部分）。根据这些信息便可以计算它的像素密度，像素密度的计算公式中，分子为横向像素数和纵向像素数勾股和平方根，分母为对角线长度6.7英寸。在这个示例中，计算得到的像素密度为460PPI。另外，需要检查横向和纵向的像素密度是否相同。根据计算，我们发现横向和纵向的像素密度均为460PPI。这表明对于大多数显示屏来说，可以使用横向像素数和横向长度、纵向像素数和纵向长度来计算像素密度，因为大多数显示屏的像素都是正方形的。
再以iPhone为例，2010年，iPhone 3GS升级到iPhone 4时，最显著的改进之一就是“Retina”屏幕，这种屏幕让人眼几乎无法感知到像素颗粒。相比之下，之前的iPhone 3GS屏幕上的像素是人眼可分辨的，可以清晰地看到像素颗粒。iPhone 4通过在相同尺寸的屏幕上增加更多像素，使像素密度显著提高，达到了iPhone 3GS像素密度的2倍，iPhone 3GS的像素密度为163PPI，而iPhone 4的像素密度达到了326PPI。现在，几乎所有的高端智能手机都拥有较高的像素密度，通常在400PPI以上，如iPhone 15的像素密度为460PPI。
现在我们究竟需要多少PPI？PPI真的是越高越好吗？消除颗粒感需要多少PPI？这里要从最基础的光学来回答这个问题。
光学仪器的分辨本领是由什么决定的？可以参考“瑞利判据”。在瑞利判据中，两个点光源能够被分辨出来的最小条件是它们的光斑（艾里斑）之间有足够的空间来保持它们形状的不重叠，即其中一个艾里斑的中心恰好落在另一个艾里斑的边缘。
根据夫琅禾费圆孔衍射强度分布（见图1-27）可知，这个条件是 θ =1.22 λ / D ，其中 θ 是两个点光源之间的最小分辨角（弧度）， λ 是光的波长， D 是光圈的直径或光学系统的孔径。对于显示设备来说，如智能手机、平板电脑或计算机显示器等， λ 通常取550nm（绿光波长），而 D 通常取人眼瞳径2mm，如果要想分辨两个点光源，则需要确保分辨角 θ 变得足够小，从而更好地分辨细节，可以计算出 θ min =1 ′ ，即1°的60分之一。而PPI取决于像素间距和屏幕尺寸的大小，利用最小分辨角和设备与人眼的距离，可以计算出人眼刚好可以分辨的像素间距（Pixel Pitch）： p = θ min × d ，从而计算出合适的PPI。瑞利判据的概述如图1-28所示。
图1-27 夫琅禾费圆孔衍射强度分布
图1-28 瑞利判据的概述（ θ min 是人眼可以分辨的最小角度，小于这个角度人眼不可分辨）
比如说人一般在30cm左右的距离处看手机，通过计算可以得到，对手机来说，人眼刚好可以分辨的像素间距是87μm，当两个亮点在这个距离以上时，人眼就能看到“颗粒感”的像素，而小于这个值人眼就分辨不出。计算对应的像素密度，1inch（25400μm）÷87μm≈300PPI，即对于手机来说，这个临界值在300PPI左右。
如图1-29所示，对计算机显示器来说，条件要宽松许多，人眼与计算机显示器的距离可以到1m，只需要像素间距在300μm左右，即达到100PPI就足够了。所以大多数的显示设备的PPI都在120～180PPI。对于电视来说，采用一般距离3m进行计算，像素间距是1mm量级，对应30PPI量级。因此PPI不是越高越好，它与像素间距和人眼到显示设备的观测距离都有关系。对于iPhone 4，它的“视网膜”屏幕的像素密度是326PPI，如果人眼距离手机30cm，那么人眼刚好无法观测到颗粒的存在，所以iPhone 4屏幕的像素密度设计到三百多PPI是有道理的。
图1-29 人眼对应不同显示设备有着不同的观测距离
响应速度/时间，是显示屏性能中的重要指标之一。响应速度有很多种，主要有以下几种。
开关响应时间，表示从施加电压到显示图像，或者从断电到图像消失之间的时间。开关响应时间通常分为上升时间和下降时间两部分，其中上升时间表示从电信号开始到光信号开始之间的时间，下降时间表示从电信号停止到光信号停止之间的时间。该时间通常以微秒（μs）为单位。
灰阶响应时间（Gray to Gray，GtG），是切换不同灰阶所需的时间。通常，首先将所有灰阶分成均匀的等级，然后测试它们之间的响应时间，最后计算出平均值。由于所需驱动电压更低，故切换速度较慢，因此该时间比开关响应时间长。对于一般的TN-LCD显示屏，GtG大约为1ms。然而，对于显示效果更出色的IPS-LCD显示屏和VA-LCD显示屏，GtG更长，通常为4～5ms。
动态画面响应时间（Moving Picture Response Time，MPRT），是一个像素在屏幕上显示或可见的时间，即画面切换后持续的时间。通过缩减每帧画面在屏幕上显示的时间，可以降低眼球的暂留效果，同时降低画面运动模糊，提升画面中物体的清晰度，例如，在屏幕转换色彩的过程中暂时关闭背光，色彩变换之后再将背光开启。MPRT量级与GtG量级类似，IPS-LCD显示屏的MPRT可以达到1ms。
响应速度在快速运动的场景中更重要一些，因为过长的响应时间可能导致快速拖影和模糊效应，特别是在观看运动的物体或体育比赛时。响应速度是屏幕性能的一个关键因素，可以影响用户对图像和视频的体验。商业中经常使用不同的响应速度来宣传产品，要注意区分。
刷新率是指图像更新或变换的频率，即每秒图像变换的次数，通常以赫兹（Hz）为单位。刷新率越高，意味着每秒图像变换的次数越多，从而使得人眼可以看到的画面动作更平滑、更连贯。典型的刷新率为60Hz。近些年兴起的高刷屏，指的是超越了60Hz刷新率的显示屏，其刷新率一般是90Hz、120Hz、144Hz等，即1s内画面变化90次、120次、144次。这提供了更出色的视觉体验，尤其是在观看视频、玩游戏或进行其他需要快速图像转换的活动时。高刷新率显示屏能够呈现更加流畅的画面，减少了拖影，降低了模糊，提高了用户的观看质量。因此，高刷新率已经成为现代显示技术的一个重要指标，特别是受到了游戏爱好者和多媒体消费者的欢迎。不同设备和不同应用场景应用不同的刷新率如图1-30所示。
图1-30 不同设备和不同应用场景应用不同的刷新率
刷新率在某些场景下十分重要，可以通过一个例子来解释。比如在一些游戏（如动作类、第一人称射击类、赛车类）中，玩家需要不断移动、旋转、瞄准目标，如果屏幕刷新率较低，则会呈现一种不连续的效果。而人类的视觉系统习惯了自然界连续和流畅的视觉信息。当大脑接收到不连续的画面时，它需要付出更多的努力来理解和处理这些信息。这种不匹配的感觉可能会导致头晕等问题。因此，在玩游戏时，拥有高刷新率的屏幕体验成为一项重要需求，因为它可以提供更加流畅的画面，减少不协调感。
对于同一画面，使用者从不同角度观看，画面品质会有变化。将能够清楚观看到图像的角度范围定义为显示屏的视角。视角，也叫作可视角度（Viewing Angle），指的是以可接受的视觉性能观看显示屏的角度，超出该范围的画面模糊不清。单面的平板显示，视角最大为180°（或者描述成从中轴90°）。视角的定义因不同显示技术而有差异，且有多种约定俗成的定义，主要有以下三种。
以对比度定义视角：将对比度大于或等于某个值时的观察角度范围定义为LCD视角，这也是最常见的方法。对于LCD显示屏，视角的定义很宽松，通常以对比度下降到10:1时看到的范围作为它的视角。在这个定义下，现代的LCD显示屏的视角基本在160°以上，如TN液晶显示屏的视角约为160°，VA液晶显示屏的视角约为176°，IPS液晶显示屏的视角约为178°，即在160°、170°都能看到10:1的对比度，尽管实际上的画面人眼已经难以看清。
以灰阶反转定义视角：灰阶反转是指受显示屏液晶排列特性等因素的影响，当从某个大角度观看时，低灰阶画面的亮度比高灰阶画面的亮度还亮。因此，定义不会出现灰阶反转的最大视角为LCD视角。该方法一般用于TN模式的显示屏。
以色偏定义视角：色偏是指对于同一颜色的画面，从正视角度和斜视角度观看时，人眼看到的画面颜色有差异。如正视为白色，斜视超过某个角度看到的可能偏黄或偏蓝。因此，定义颜色变化可接受的最大视角为视角范围。对于OLED显示屏来说，会以色偏定义视角。如果以色偏来定义视角，LCD显示屏的视角会小很多，而OLED显示屏的视角则更大些，这也是自发光型显示具有的优势之一。
寿命，一般指的是显示屏的亮度降到初始亮度的一半所需要的时间。对于OLED显示屏来说，其亮度下降的速度是随着点亮时间的增加而逐渐降低的。当亮度降到初始亮度的一半时，我们认为它已经达到了寿命的最末。需要注意的是，电流越大，亮度越高，OLED显示屏的亮度衰减速度（寿命衰减速度）越快。
LCD技术已经相当成熟，有着较长的使用寿命。早期的OLED会存在寿命问题，但是现在OLED已经得到很大的改善，能达到十万或数十万小时的寿命。因此，现在的消费者不再担心OLED显示屏的使用寿命问题，因为其寿命通常可以覆盖整个智能设备的使用周期。