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公司 2010-2-25 11:10

屏幕显示效果测试——iPhone 3GS VS Nexus One【3月2日更新完毕,包括重大更正】

黄俊杰 黄俊杰
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3 月 2 日更新:补充最后几项测试,其中可视角度的对比对于很多用户来说会很有意义。重要更正,经过一些用户的测试以及提醒,作者重新核实了此前的测试,修改了此前结论——Android 系统和 N1 的硬件均无 16 位色的限制。但是,N1 自带的浏览器和相册程度都有问题,好消息是有人在 N1 上刷了 HTC Desire 的 ROM,相册已经正常。HTC Desire 就是 打 HTC 牌子的 N1,配置相同,界面改用 HTC Sense UI,相信 Google 将会为 N1 提供修正。(作者的更正部分紧接着原文前五个测试图之后,已经用褐色加重标出)。

2 月 25 日更新:7、8、9 三项测试。另据 AppleInsider 的报道,作者在完成这次测试后将用类似的方法对摩托罗拉 Droid/Milestone 进行测试,还表示根据自己目前的使用感受,Droid 预计会有比 3GS 和 N1 更好的表现。

注意:这篇文章在 WM、Android 开发者聚集的 XDA 网站引发了很大反响站,他们的讨论和测试结果是火星图的可怕表现源自 N1 自带相册程序的算法问题,改用第三方软件可以正常显示。同时也有人反映自带浏览器的图像显示也会出现一些类似问题。软件算法对 N1 的图像表现问题造成了不小的影响,但 N1 究竟是不是只支持 16 位色还存很大疑问,因为三星官方网站信息显示该公司的 3.7 英寸 AMOLED 显示屏支持 24 位色,而 G1 等产品的表现证明 Android 系统显然没有 16 位色的限制。

N1 相册程序和高速网页渲染都是各网站评测中的亮点,DisplayMate 选择了自带程序进行测试也在情理之中,毕竟绝大多数用户在不知情的情况下都不会用第三方图像浏览程序替代那个无比华丽的自带 3D 相册。作为一家在图像处理方面有不少经验的公司,Google 犯下这些错误着实令人遗憾。好在 DisplayMate 的这篇文章被大量引用,相信 Google 会着手进行改进。

至于枪文一说,可能性很小。DisplayMate 这些年一直在做屏幕测试软件,绝大多数个人用户都不需要这类产品,这种枪文会直接影响他们在专业用户和商业用户中的口碑,得不偿失。而且即便 Apple 有意,目标也不太可能是销量惨淡的 N1,作者很看好的 Droid 才是目前销售状况最好的 Android 产品。

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有很多文章主观称赞或否定 Nexus One 所用 OLED 屏幕的表现,DisplayMate 技术公司总裁 Raymond Soneira 博士则对 Nexus One 和 iPhone 3GS 的屏幕进行了科学分析。这一系列文章分为三部分,前两部分分别测试了 Nexus One 和 iPhone 3GS 的屏幕显示效果,测试尚在进行之中,预计在 27 日更新完;第三部分是两款手机屏幕的一一对比,三月初开始。前两部分有很多重复内容,我把内容整合了一下,后续内容不定时更新。

Via DisplayMate

iPhone 采用传统的 LCD 显示屏,分辨率 480×320;而 Nexus One 的显示屏在很多方面与众不同:它是采用自发光技术的 OLED 显示屏,而大多数移动产品使用 LCD 显示屏,在面板后有静态背光;Nexus One 屏幕尺寸为 3.7 英寸,分辨率高达 800×480,宽高比 1.67,超过 iphone 的 1.50,但低于 1.78 的标准宽屏。

另一个非常不同的地方在于 Nexus One 的屏幕采用 PenTile 像素排列方法,每个像素仅包括两个亚像素(绿、红;绿、蓝两种组合)而不是通常的三个(红、绿、蓝),见下图:

理论上说,每个像素缺少一种颜色问题不大,显示驱动可以用临近的进行显示。但实践中这对软件要求更高,而且图像很可能会产生伪影。此外 800×480 的 PenTile 显示屏像素仅有普通 800×480 LCD 显示屏的三分之二,PenTile 显示的图像没有那么锐利。(因此 Nexus One 的屏幕明显不如 MileStone 精细)

显示技术的内部细节很有意思,但我们更关注实际显示的图像质量。所以我们把实现方法先抛一边,通过测试来看看它们的表现。

先看最后结果

具体的测试方法和内容见文末。

Google Nexus One VS Apple iPhone 3GS

 

n11

Nexus One:  NASA 照片 – 火星日出

大量错误的轮廓和图像噪点

n12

iPhone:  NASA 图片 – 火星日出

和专业彩监上看起来一样

n13

Nexus One:  Intensity Scale Ramps

不平滑,白色不纯

n14

iPhone:  Intensity Scale Ramps

非常平滑,没有伪影

n16

Nexus One:对角线以及亚像素渲染错误

源图像是整齐而纯白的

以上测试图像均为 24 Bit 色 bmp 文件,分辨率对应各自的原生分辨率

色深和粒度:

Nexus One:在自带浏览器和相册中仅有 16 Bit 色;64 级绿、32 级红/蓝

iPhone 3GS:18 Bit 色,通过抖动模拟 24 Bit 色;256 级红/蓝/绿

Nexus One 的自带相册和浏览器只支持 16 Bit 色令人震惊,这意味着红色和蓝色最多只有 32 个强度级(intensity levels),绿色只有 64 级。这在廉价的低端手机上很普遍,但 Nexus One 是昂贵的所谓“超级手机”。所有的色彩由 RGB 三原色混合而成,级数如此之少使得图像色彩粗陋而不准确,在很多图片和照片里生成了碍眼的错误轮廓。由于绿色强度级为红色或蓝色的两倍,它的过渡更平滑,导致图像会出现绿色和品红色的干扰。

大多数电脑、高清电视和移动显示屏(包括 iPhone 在内),都有至少 18 Bit 色,并通过抖动模拟 24 Bit 色,红、绿、蓝三色都有 256 级,这就生成了更好的色彩、更平滑的过度,而且没有丑陋的伪影。上面的对比图就能说明问题。

有些 N1 用户为我们发来了 24 Bit 色图片在 Astro 图片浏览器下显示的效果图,没有这些伪影,而且显示效果确实为 24 Bit 色。如果 Google 能够尽快修正的话,16 Bit 色显示接口问题将很快被解决。

图片显示质量、色彩和伪影:

Nexus One:文字、图标、菜单图形显示出色;图片效果糟糕;分辨率拉伸尤其糟糕有很多不足

iPhone 3GS:除了色彩饱和度以外都很好

Nexus One 的高分屏第一眼看上去很美,但它的色彩/灰阶精确度问题不少,还有硬件、固件、软件处理错误造成的问题。其中有些问题对于很多手机功能而言无关紧要,但照片等高细节图像显示受影响很大。一方面,Android OS 内嵌的文字、图标、菜单图形效果出众,显示锐利,PenTile 渲染正确。另一方面,糟糕的出厂前色彩校准和一些主要自带程序仅支持 16 Bit 色导致外来的照片、图片内容渲染效果糟糕,不精确——色彩过度饱、彩色和灰阶不精确、大量彩色和灰阶轨迹错误、校准错误、过渡的边缘处理和锐化处理产生大量图像噪声、出现大量伪影。NASA 的火星日出照片就是一个例子。

一个令人震惊的地方是 Android OS 相册程序的分辨率拉伸功能(将图片拉伸至 800×480 的原生分辨率以适应屏幕)是造成大量伪影和糟糕的图片质量的一大因素。而这是一项至关重要的功能,说明算法很失败,丢失大量像素内容,带来很多色彩边纹和干扰龟纹(moirés)。

色彩饱和度和对比度是 LCD 面板的弱项。而 iPhone 3GS 显示的图像基本上见不到伪影,就连拉伸各种内容以适应原生 480×320 分辨率时都见不到。有点令人意外的是 iPhone 显示一些 480×320 原生分辨率图像时会出现微量压缩/缩放伪影。

观感测试:

Nexus One:华而不实的照片质量

iPhone 3GS:对比度和色彩饱和度低

我们把手机放在校准后的 Sony 高清彩监边上进行对比,测试内容为 DisplayMate 校准与测试照片。Nexus One 显示的所有照片的对比度和色彩饱和度都严重过度,华而不实,人脸以及水果、蔬菜、花草甚至可口可乐罐子等我们熟知的物体尤为严重。消防车之类色彩鲜艳的物体看起来很难受。很多照片上出现了过度处理造成的明显轮廓错误和图像噪声。这种效果非常类似于你把高清电池开到 Vivid 模式再调高色彩和锐度选项。Nexus One 的过度处理初看可能会让人惊艳,但过上一段时间就会令人不快。

iPhone 上显示的所有照片的图像对比度和色彩饱和度都过低,就是说看起来泛白,特别在各种我们熟知的物体上尤为明显。这是色域过小和烈度不足造成的。

工厂校准和品控:

Nexus One:非常糟糕

iPhone 3GS:非常好

OLED 是当前的尖端显示技术——仍在开发之中,作为消费类产品还需优化。如果一款 LCD 屏幕显示出 Nexus One 的效果,那它就是目前量产的最糟糕的 LCD 产品之一。有些问题是 Android 系统、软件和显示屏的整合不佳所造成。但还有很多是由于非常糟糕的工厂校准和品质控制,特别是彩色和灰阶校准不佳。屏幕很可能在下线后直接装上手机,工厂这么做很普遍,因为他们要最大化产量、压缩生产时间和成本。这对于低端手机的廉价显示屏而言无可厚非,但对于 Nexus One 这种应该提供高质来那个照片、视频、网页内容显示效果的手机而言是非常可悲的失败。

iPhone 3GS 的白点和彩色都很准确,灰阶轨迹也不错。图像基本没有伪影。它的色彩准确度在 LCD 面板里表现很好。一个主要的缺陷是烈度过低,降低了图像对比度乃至色彩饱和度。Gamma 值应该改为标准的 2.2。

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具体测试

n15 测试所用手机的硬件未进行任何改动,软件和系统均采用当前官方版本。测试图像由 DisplayMate Multimedia Edition for Mobile Displays 软件生成,光谱仪采用 Konica Minolta CS-200 ChromaMeter。所有测试均在完全黑暗的实验室环境下进行。手机亮度都手动调节,关闭自动亮度调节。测试时接电源线,电量全满,因此电池不会对测试造成影响。

1.  峰值亮度:

Nexus One:229 cd/m2 – 糟糕,对于移动产品而言亮度不足

iPhone 3GS:428 cd/m2 – 对于移动产品而言很出色

这是显示屏所能提供的最高亮度,也被称为白色峰值亮度。229 cd/m2 在室内还行,但在环境光较亮的时候太低,屏幕内容难以阅读,特别是在室外。别想在阳光下看清内容;428 cd/m2 基本上是你能在移动显示器上见到的最高水平。

2.  黑位亮度:

Nexus One:0.0035 cd/m2 –  极佳

iPhone 3GS:3.1 cd/m2 –  糟糕,太亮了

黑位是显示屏所能产生的最接近纯黑的颜色。几乎所有显示屏显示的都是可见的深灰色而不是纯黑。这是 LCD 的一个主要问题,降低了图像对比度和屏幕可读性,让图像显得泛白,在黑暗环境下很恼人。OLED 属于自发光技术,因此 Nexus One 的黑位可以非常接近纯黑。事实上它的黑位亮度低到 CS-200 无法检测的地步,Konica Minolta 把他们的旗舰产品 CS-2000 光谱仪借给我们才完成测试。哪怕在完全没有光的实验室里,我们的眼睛也要花几分钟时间进行暗适应才能看到 Nexus One 的屏幕。而 iPhone 3GS 的黑色则是我们测试过的最亮的之一。

3.  对比度(仅在低环境光条件下有意义)

Nexus One:65,415  –  极佳

iPhone 3GS:138 – 糟糕,非常低

对比度用来衡量显示屏能够生成的全域亮度,从峰值亮度到黑位亮度的比例。对比度越高越好,但这仅在低环境光条件下有意义,因为屏幕在高环境亮度下的反光会影响黑位。注意,人眼几乎无法分辨超过 5000 的对比度,除非在非常暗的环境下看暗色调的内容。Nexus One 的 OLED 屏幕由于黑位上的优势,在这里表现非常出色。Apple 为何仍然使用如此低对比度的屏幕则让人费解,目前好的 LCD 显示屏往往能够提供 1000 以上的对比度,有的甚至超过 1500。(注意:另外很多显示器厂商对外公布的对比度其实是水分十足的动态对比度)

4.  屏幕反射:

Nexus One:15.5% – 糟糕, 比较高

iPhone 3GS:9.2% – 非常好,比较低

常常被忽视的屏幕反射其实是移动产品显示屏最重要的指标之一,甚至比峰值亮度还要重要。屏幕会反射一定比例的环境光,提高屏幕亮度,洗白所显示的图像,造成阅读困难。Nexus One 的 15.5% 在移动产品里很高,是我们测试过的最高的之一。

 

5.  高环境光下的对比度:

Nexus One:15 – 糟糕, 比较低

iPhone 3GS:47 – 非常好

高环境光下的对比度高低关系着屏幕在明亮环境下,尤其是室外的显示效果。15 比较低,对于所有移动产品而言,高环境光下的对比度比绝对的对比度更重要。

6.  动态色彩和动态对比度:

Nexus One:开启  –  糟糕的主意,应该作为可选项

iPhone 3GS:没有 – 这样更好

有些显示器会根据内置图像处理算法动态调整每一幅图片的色彩、灰阶和对比度。目的是通过夸大色彩和烈度来“增强”图片。这和很多数码摄像机和高清电视的 Vivid 模式类似。由于这种模式不停地歪曲图像原本的色彩,它最好作为一个可选项以供完全不关心图片精确度和真实度的人使用。

动态模式一般通过改变平均色级的方式完成,有个简单的方法进行测试,分别测量红、绿、蓝三张图片的亮度,如果它们的总和不等同于白色的亮度,就说明采用了动态模式。

Nexus One 的结果是:红色 81 cd/m2;绿色 193 cd/m2;蓝色 18cd/m2 ,比白色的 229 cd/m2 高了 28%,因此 Nexus One 使用了动态色彩和对比度。

iPhone 3GS 的结果是:红色 84 cd/m2;绿色 288 cd/m2;蓝色 65 cd/m2。相比白色的 437 cd/m2 仅有 2% 的误差,因此 iPhone 没有使用动态色彩和对比度。

7.  色温和色度:

Nexus One:8870K – 白色太过偏蓝

iPhone 3GS:6977K – 接近 D6500,非常好

屏幕上的白色由三原色组成,为了准确还原照片、图片和网页内容中的色彩,屏幕色温应该尽可能接近 D6500 标准。iPhone 3GS 非常接近 D6500(见下图)。iPhone 白点的 CIE 坐标是 u’=0.1903 v’=0.4692。

Nexus One 的 8870K 偏离 D6500 太远,图像显示偏蓝。鉴于蓝色 OLED 的老化和效率问题,Nexus One 的屏幕偏蓝有些令人吃惊。这说明蓝色 OLED 亚像素点被推得太猛。最好能够调低它,以提升色彩准确度、减少功耗、延长 OLED 寿命和手机续航能力。Nexus One 的白点是 u’=0.1871 v’=0.4508。

(关于 D65 标准的问题,前年的《数码家居》杂志曾经刊登过一篇非常不错的普及型文章。全文链接:http://www.jd-bbs.com/thread-1793814-1-1.html

本图显示了 CIE 1976 标准色彩坐标系下 Nexus One、iPhone 3GS 以及 sRGB/Rec.709 的色域。中心的白点为 D6500 标准。sRGB/Rec.709 三角区域之外的色彩在自然中极少出现。

8.  色域:

Nexus One:比标准色域宽太多 – 色彩不准确,过度饱和

iPhone 3GS:比标准色域窄太多 – 色彩不准确,饱和度不足

显示屏的色域是指它能生成的色彩范围。显示屏要想提供好的色彩和灰阶准确性就必须根据业界标准进行校准,对于电脑、数码相机、高清电视而言,标准是 sRGB/Rec. 709。如果显示屏色域小于标准,图像色彩就会显得太弱,饱和度不足。但显示屏色域超出标准也不是好事,图像会显得太重,过度饱和。更广的色域不会显示原始图像里不存在的颜色或内容,因为绝大多数图像的色彩都遵照 sRGB/Rec.709 标准。除了少数特殊应用以外,过广的色域只会降低色彩准确性,应当避免。

两款手机的显示器在这方面表现都很差,把它们放在 Sony 专业彩监边上进行对比,Nexus One 显示的照片色彩过于丰富,显得俗丽,在显示我们所熟识的各种物体时尤其明显。而 iPhone 3GS 显示的照片则泛白,像洗过一样,饱和度不足。

9.  烈度(Intensity Scale)和 Gamma 值:

Nexus One:糟糕 – 太陡,不规则,不标准

iPhone 3GS:糟糕 – 太浅,不标准

显示屏的烈度不仅决定着图像的对比度还决定着红、绿、蓝三原色如何合成屏幕中的色彩。如果它不符合工业标准,就会产生偏差,因为基本上所有的专业内容和数码相机都采用 sRGB/Rec.709 标准。衡量标准是 Gamma 值,应当为 2.2,呈一条直线。

两款手机的显示器表现都不佳。 iPhone 3GS 在 20-80% 的烈度范围内 Gamma 值仅有 1.9,太浅,导致所生成图片像被洗过一样,缺少对比度。Nexus One 20-80% 的烈度范围内 Gamma 值高达 2.55,太陡,造成图像对比度过高;75-100% 范围内则低至 1.82,非常低,导致高亮度内容对比度不足,像被洗过一样。Google 有可能通过进行适当的工厂校准在一定程度上解决这个问题。

10. 观看角度造成的亮度下降:

Nexus One:30 度下降 28% – 对于 OLED 而言下降幅度很大

iPhone 3GS:30 度下降 63% – 糟糕,下降幅度非常大

很多显示屏的一个主要问题是亮度会随着观看角度的变化而下降,有些下降的非常严重,特别是 LCD 屏。峰值亮度、黑位、对比度、色彩都会随观看角度而变化。有些屏幕技术在这方面的表现很出众。纯粹的 OLED 显示屏不应该有这些影响,但 Nexus One 显示出巨大的亮度变化,显然是由 OLED 上面的触屏和防反光层所造成。

11. 观看角度造成的黑位和对比度变化:

Nexus One:肉眼无法分辨

iPhone 3GS:糟糕,非常大

Nexus One 在 30 度下的变化小到肉眼无法分辨。而 iPhone 3GS 在同样的角度下,黑位亮度增加 19% 至 3.7 cd/m2(越低越好),对比度更是下降到 44。

12. 观看角度造成的色彩变化:

Nexus One:对于 OLED 而言大的惊人

iPhone 3GS:很大,对于 LCD 屏而言并不意外

30 度下 Nexus One 的红色变化最大,Δ(u’v’) = 0.0262,人眼可见,几乎变成了橙色;绿色,Δ(u’v’) = 0.0107;蓝色,Δ(u’v’) = 0.0169。这些同样是触屏和防反光层所造成。

30 度下 iPhone 3GS 的红色变化,Δ(u’v’) = 0.0418。绿色,Δ(u’v’) = 0.0105;蓝色,Δ(u’v’) = 0.0066。这对于 LCD 屏幕而言属于正常范围。

13. RGB 显示功耗:

Nexus One:相对其它 OLED 而言较高…

iPhone 3GS:好,相对其它 LCD 而言较低

和 LCD 不同的是,OLED 的功耗会受到三原色亮度的影响。显示黑色时像素不消耗电力,不过驱动电路仍然会消耗一些。当显示全白时 OLED 所消耗电力最大,因为 OLED 亚像素此时全都在最高亮度。OLED 功耗可以根据显示电力与屏幕显示完全黑色内容的差值进行测量。

Nexus One OLED 显示屏功耗

全屏 峰值红 峰值绿 峰值蓝
所测相对功耗 0 0.24 watts 0.31 watts 0.36 watts
所测亮度 0 81 cd/m2 193 cd/m2 18 cd/m2
相对发光效率(以绿色为基准) 0.54 1.00 0.08

iPhone 3GS LCD 显示屏功耗

全屏最高背光 峰值红 峰值绿 峰值蓝 峰值白
所测相对功耗 0.81 watts 0.81 watts 0.81 watts 0.81 watts 0.81 watts
所测亮度 3 cd/m2 84 cd/m2 288 cd/m2 65 cd/m2 428 cd/m2
相对发光效率(以白色为基准) 0.007 0.20 0.67 0.15 1.00

蓝色 OLED 用的电力最多,但贡献的亮度最少,导致发光效率不足绿色的 10%。如果把白点从现在的 8870K 降低到标准的 D6500 不但可以增强图片质量和准确性,还能延长蓝色 OLED 亚像素的寿命,增加整体的功耗效率,带来更好的续航能力。希望 Google 能够这么做…

14. OLED 和 LCD 的光谱:

LCD 的光谱是背光穿过面板中独立的红、绿、蓝亚像素所显示的光谱。iPhone 的背光是蓝色 LED,也就是蓝色 LED 加上黄色的荧光粉构成。而自发光的 OLED 屏幕光谱则是三种 OLED 亚像素光谱之和,光线在穿越触屏层和防反光层时有所变化。

理想的 OLED 光谱应该比较直,因为它们的色彩饱和度较高。

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