The importance of native panel contrast and local dimming density on perceived image quality of high dynamic range displays
David M. Hoffman Natalie N. Stepien Wei Xiong
Abstract:We evaluated the perceived image quality of High Dynamic Range (HDR) content rendered using different types of local dimming and organic light-emitting diode (OLED) displays. Using an OLED display that is capable of achieving high contrast at a pixel level, we emulated local dimming displays to evaluate their image quality. In a set of subjective experiments, observers compared HDR images and videos rendered with different local dimming densities and native panel contrast. There was a strong effect of panel contrast on perceived quality and also a strong trend toward preference for a larger number of dimming zones. We also evaluated the panel contrast and number of local dimming zones necessary to achieve image quality comparable with OLED. The findings of these experiments demonstrated that the use of a high-contrast panel remains of critical importance. Also, the preference for panel rendering mode remains robust to normal levels of indoor ambient light.
Keywords: HDR, high dynamic range, local dimming, image quality, contrast, dual modulation, halo visibility, leakage.
- Introduce
High dynamic range (HDR) display systems are capable of producing high brightness details, such as highlights, while simultaneously producing details in dark shadows. This ability to produce diverse lighting effects in a scene can lead to a more immersive and pleasing viewing experience. High dynamic range imagery can be a strong differentiator from standard dynamic range imaging, which looks muted in comparison with attenuated highlights and washed-out dark regions.
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- Local dimming solutions
Transitioning display technology from standard dynamic range to HDR is a technical challenge. With liquid crystal display (LCD) technology, the peak brightness and the minimum black level are directly proportional to the brightness of the backlight. Improving the rendering of the highlights degrades the quality of the dark regions. One method to expand the contrast of display systems is to use dual-modulation in which the backlight is non-uniform; it typically has low resolution and is brightest in the bright regions of the scene and dimmest in the dark regions. A liquid crystal (LC) panel with high resolution then creates the detailed image components and color while compensating for the low-resolution gradients of the backlight. This permits the display to have excellent global contrast, in which different parts of the image can have very different local average brightness and a local contrast level that enables texture visibility within that region.
The main underpinning of the local dimming solution is that the high contrast image features are spatially separated in an image; a low-resolution backlight is adequate to represent these large global variations, and a high-resolution LC panel can produce all local details. However, in scenes where there is a sharp boundary between a bright area and a dark area, light will leak through the LC near the boundary; this leakage is known as haloing or leakage, and is illustrated in Fig. 1. The magnitude of this halo is determined by the LC panel contrast. LC panels make use of different types of liquid crystal alignment and patterning, which heavily influences factors such as off-angle viewing characteristics, response time, and contrast. For high-brightness images, native panel contrast can have a strong impact on the perceived image quality. With a display peak brightness of 750–1000nits, and a native panel contrast of 1000:1, it is possible to have elevated black levels as high as 1nit. In a dark viewing environment, such elevated black levels are highly noticeable, and depending on the content may create non-uniformity, or halos. On the other hand, by using a high-contrast LC panel, the magnitude of these raised black levels can be reduced by more than a factor of four.
1.2 Specifying contrast
One of the performance metrics of a display for premium HDR performance is contrast ratio as measured with the corner-box test. In this test, white squares are turned on at either the center or the corners of the screen while a luminance reading is made from the center of the screen. With a uniform backlight, the contrast is equal to the native panel contrast ratio.
With a local dimming backlight, it is possible for the contrast measured with this corner-box test to be much higher, exceeding 50,000:1 with a 1000:1 LC panel.
FIGURE 1: Illustration of a dual-modulation display. A. HDR image. B. Local dimming backlight emitters. C. Optical filtering/diffusion of backlight illumination. D. Emitted image from the display, showing halo.
1.3 Perceived image quality
The corner-box measure of contrast may not be closely correlated with perceived image quality. Other image attributes such as the intensity and size of haloing artifacts cannot be fully characterized with a single test. Also, the perceptual implications of these artifacts are difficult to predict. It is an empirical question to determine what local dimming zone density and panel contrast can produce the best image quality.
Consider the simple case that the display is to represent a bright feature on a black background, such as the candle shown in Fig. 1A. In order to show the image, the backlight must be bright behind the flame, dim over the candle, and off elsewhere (Fig. 1B). A diffuser layer hides the backlight emitter structure (Fig.1C). The LC compensates for the back- light intensity to render the main parts of the image with high fidelity. Given that the local backlight zone extends into the dark area and the native panel contrast is finite, the local dimming zone will be visible, thereby pr
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附录A 外文译文
自然面板对比度和局部调光密度对高动态范围显示器感知图像质量的重要性
David M. Hoffman Natalie N. Stepien Wei Xiong
摘 要
我们评估了使用不同类型的局部调光和有机发光二极管（OLED）显示器呈现的高动态范围（HDR）内容的感知图像质量。使用能够实现高分辨率、高对比度的OLED显示器，我们模拟了局部调光显示器来评估其图像质量。观测者在一组主观调控的实验中比较了HDR图像和视频在不同局部调光密度和原生面板对比度下的表现。面板对比度对感知质量有很大的影响，并且倾向于更多的调光区域。我们同样评估了面板对比度和达到与OLED相匹配的图像质量所需的局部调光区域数量。这些实验的结果表明，使用高对比度面板仍然至关重要。此外，对面板渲染模式的偏好使室内环境光的正常水平保持稳定。
关键字：HDR 高动态范围 区域调光 图像质量 对比度 双重调制 光环可见度 泄露
- 简介
高动态范围展示系统能够产生高亮度细节，例如高光，同时能在黑暗阴影中产生细节。这种在同一场景中生成多种照明效果的能力可以带来更加身临其境和令人愉悦的观看体验。高动态范围成像可以成为一种区别于标准动态范围成像的鉴别器，标准成像与衰减的高光与褪色的暗区域相比显得更加柔和。
1.1 局部调光解决方案
显示技术从标准动态范围到高动态范围过渡是一项技术挑战。采用液晶显示技术，峰值亮度和最低的黑暗电平与背光亮度成正比。改善高光的渲染度会降低暗区域的质量。一种拓展显示系统的方法就是使用双调制，这种调制通常是低分辨率，在场景明亮的区域最亮，在黑暗地区最暗。然后，一个高分辨率的液晶面板创建详细的图像分量和颜色，同时补偿背光的低分辨率梯度。这就使得显示具有极好的全局对比度，在这种对比度中，图像的不同部分有不同的局部平均亮度和局部对比度级别，从而实现该区域的纹理可见性。
局部调光解决方案的主要基础是高对比度图像特征在图像空间上的分离；低分辨率背光足以表示这些大的全局变化，高分辨率液晶面板可以产生所有的局部细节。然而，在亮区和暗区之间存在明显边界的场景中，光会通过边界附近的液晶泄露；，如图1所示，这种泄露称为晕染或者泄露。光晕的大小由液晶面板对比度决定。液晶面板采用不同类型的液晶排列和图案，这严重影响了诸如偏视角观看特性、响应时间和对比度等因素。对于高亮度图像，原生面板对比度对感知图像质量有很强的影响。由于显示器的峰值亮度为750—1000尼特，原始面板的对比度为1000：1，因此可以将黑色级别提高到1尼特。在黑暗观看环境中，这种升高的黑色水平是非常明显的，并且根据内容可能会引起不均匀或光晕。另一方面，通过使用高对比度液晶面板，这些提高的黑色水平幅度可以减少四分之一以上。
1.2指定对比度
优质高动态范围显示器的性能指标之一是用角盒测试测量的对比度。在这个测试中，白方块被从屏幕中心或者角落打开，同时从屏幕中心读取亮度。对于均匀背光，对比度等于原生面板对比度。
对于局部调光背光，使用角盒测试的对比度可能会高很多，使用1000：1的LC面板测得的对比度会超过50000:1。
图1 双调制显示器的调制
A：HDR图像 B：局部调光背光发射器
C: 背光照明的光学过滤/扩散 D：从显示器上发射的图像、显示光晕
1.3、感知图像质量
对比度的角盒测量可能与感知图像质量没有太密切的联系。例如光晕伪影的强度和大小等其他图像属性并不能用单一测试来完全表征。此外，这些人工制品的感知含义也很难预测。确定什么样的局部调光区域密度和面板对比度能够产生最佳的图像质量是一个经验问题。
举一个简单的例子，即显示器要在黑色的背景上呈现出明亮的特征，例如图1A所示的蜡烛。为了显示图像，火焰背后的背光必须是明亮的，在蜡烛上是暗淡的，其他地方也是暗淡的（如图1B）。扩散层隐藏在背光发射器结构后（如图1C）。液晶补偿背光强度，为了使图像的主要部分具备高保真度。假设局部背光区域拓展至黑暗区域，并且自然面板是有限的，那么局部调光区域就是可见的，从而会产生光晕（如图1D）。
光晕的大小与局部调光区域和扩散层的间距有关。在局部调光区域变小的情况下，扩散必须很大才能实现均匀覆盖，光晕的尺寸将会更大。使用工程扩散器（发光二极管（LED）、透镜设计、量子点荧光粉和LED空间布局（在某些情况下，多个LED可用于照亮同一块））可使每个漫反射局部区域的形状变得复杂。
这些光晕的可见度可以通过保持它们的尺寸尽可能的小（需要更多的局部调光区域）来降低，以便它们与明亮的图像特征保持最佳对齐。光晕还应该具有最低亮度，这就需要尽可能高的原生面板对比度。理解局部调光伪影的感知严重性是一个固有的感知问题，这需要主观的评估，实验1就回答了这个问题。
实验2考虑了视觉质量的一个拓展方面，结合了动态图像，这些都会加剧局部调光伪影。使用很多显示技术，可以容忍较高的黑色电平，然而，在黑色水平方面的急剧变换可能是一种强烈的刺激。在稀疏局部调光系统的情况下，随着图像内容的改变，区域可以明显地打开或者关闭，从而导致在靠近移动边缘的黑暗区域中明显的闪烁。
实验3评估了在不同LC面板对比度水平下图像所需的局部调光区域的数量，从而达到与有机发光二级光（OLED）显示器相当的视觉质量。
实验4研究不同的环境照明条件下是否影响不同背光和对比度配置的显示器的图像质量偏好。
环境光照可以影响光晕伪影的可见程度，从而影响在不同局部调光密度和本机面板对比度的观看偏好。
- 一般方法
2.1 显示硬件
在接下来的实验中，我们需要一个能够模拟亮度、对比度和不同的双调制系统的不同光晕伪影的显示平台。出于这个目的，OLED显示器是理想的，因为每个像素都可以在很大范围内由关闭到完全亮度被独立驱动。我们使用了原型55英寸的三星显示器红、绿、蓝（三基色）OLED面板的原型进行这些实验，显示器的峰值亮度被设置为1000尼特，并用2.2安培的8位信号驱动。
2.2 局部调光
我们创造了一个图像仿真，它可以使用OLED显示器的局部调光显示系统进行，我们的工作流程如图2所示。这种仿真可以使我们能够独立地处理各种LC面板固有对比度和背光的本地调光区域的数量的图像，从而评估所感知的图像质量。我们模拟了一个中心间距为radic;2/8的高斯漫反射器。
在只有单一调光区域的条件下，我们将背光输出设置为最低设置，在这个亮度下，它可以以编码的亮度渲染图像中最亮的像素。
作为图像生成的一部分，我们对图像进行了一些操作，以调整图像内容，使其符合显示器的颜色再现音量。这些操作包括乘以3times;3矩阵，将图像从其分布颜色空间转换到显示器的原生颜色空间。它还包括色调映射，以减弱高达4000尼特的一些图像内容中的高光。在这类图像中，我们使用了亮度通道的非线性衰减，同时保留了色度坐标。
图2 用于模拟OLED显示器上模拟各种局部调光解决方案的处理流程。计算了低分辨率背光级，然后进行理想的LC补偿以产生原始图像。然后，我们对LC面板施加现实世界的限制，包括基线对比度和峰值传输。最后的模拟图像是受限LC信号和低分辨率背光的产物。
2.3 观测条件
所有图像在显示屏上从215厘米的距离观看，对应于三个屏幕高度，这是观看奈奎斯特频率为每度30个周期的全高清（FHD）图像的推荐距离（原型面板具有4K分辨率，但使用2times;2像素分辨率转换驱动）。这个距离是通过下巴和前额的支撑保持不变的。在所有的实验中，测试都是在一个没有灯光的暗室中进行的（除了作为实验4的一部分使用的落地灯）。所有测试都是自定进度的，但被分成大约10分钟的短块，；然后是短暂的休息（自定时间）。一天的总观看时间不超过60分钟。
- 实验1：静态图像中的HDR偏好
实验的目的是利用双调制显示系统上显示的静态图像来评估自然面板对比度和局部调光分辨率观看偏好。
我们调阅了很多HDR电影内容中的很多场景来确定可以展示出对比度或本地调光伪影的图像。大多数场景的图像对比度适中，并且留下足够的空间来充分的补充局部调光的光晕。在这些场景中，本地面板对比的差异并不明显。这种情况不适用于图像中存在深色或者黑色区域的场景，也不适用于存在颜色暗但生动的纹理（如深蓝色）的位置。在这些图像中，光晕是可见的或者颜色会显得褪色。
3.1 场景选择
我们从三部HDR电影中选取了10个具有高局部对比度的场景。内容来自Blender基金会的“钢铁之泪”短片和好莱坞一家大型电影制片厂的两部主流电影，它们被重新制作成1000尼特的屏幕（由于版权和商标限制，我们称这些电影为“科幻”和“西部”。）。
3.2 渲染条件
我们评估了两个模拟的本地面板对比度的例子：1000:1和4500:1。对于每一个对比度级别，我们测试了四个具有1、24、60和150个区域的本地调光背光。每个场景总共创建了八个渲染：面板对比度和局部调光密度的每个组合都有一个渲染。
3.3 实验任务
实验1在同一场景的两个渲染之间使用了强制选择任务。在每一次试验中，一对来自场景的渲染被并排比较。比较所有渲染排列，以便估计对图像集合的主观偏好。服务器被要求在每次比较中选择它们的首选渲染，即使它们无法检测到差异（如图3所示）。在每个会话之后，通过计算每个渲染比同一场景的所有其他渲染选择的次数来估计首选等级。
两个渲染，每个生成的工作流如图2所示，显示在随机左右定位的OLED显示器上。使用指定数量的本地调光区域渲染每个完整图像。然后将图像裁剪后显示在显示器上进行并排主观评价。
图3 实验1中的截图
3.4 主题
12名观察员参加了会议。其中4人熟悉实验假设和方法，其余观察者则认为实验设计很幼稚。观察者年龄从23岁到52岁不等。有男性和女性代表。
这个任务被口头解释给观察者，但是没有描述将出现什么工件。观测者被指示通过游戏手柄进行选择最喜欢的渲染。
图4 实验1静止图像，图像统计和结果。最上面一行显示了测试场景的缩略图或描述（版权允许）。第二行显示每个图像像素亮度的RGB直方图。下一行显示了测试的八个条件的主观偏好排名结果。符号表示12个观察者的平均排名，误差条表示标准差。数据显示蓝色正方形和红色三角形的对比度分别为4500:1和1000:1。每个图表都绘制了在所有备选方案中选择指定渲染的试验的平均分数。横坐标表示模拟显示器的本地调光区域数。
图5 实验1的总结论在所有场景中的平均
3.5 结论
八个渲染中的每一个都与同一场景的其他七个渲染进行了比较（每个场景总共28个比较）。每个观察者观看了全部10个场景，并完成了两次完整的比较，总共进行了560次评估。因此，对于每个场景，每个人呈现14次渲染。我们计算了观察者喜欢的14种呈现方式中的哪一部分。这个分数在图4中绘制。顶行显示场景的缩略图或描述（如版权法允许）。
第二行显示从场景中获取的RGB直方图数据。注意，所有场景都被视为高对比度，图像的重要部分低于1 nit的亮度级别，并且包含至少一个高峰值亮度区域。
图4的第三行示出了面板对比度和局部调光密度的每个组合的平均主观排序（根据每个观察者在14个呈现中优选的次数计算）。此排序显示在纵坐标上，而局部变暗区域的数量显示在横坐标上。红色三角形符号表示原生面板对比度为1000:1的条件，蓝色正方形表示面板对比度为4500:1的条件。误差条表示12名观察员排名的标准偏差。总的来说，即使当局部调光区域的数目小于低对比度面板的数目时，也更倾向于使用高对比度面板。
对于有更多的本地调光区域也有一致的偏好。然而，这种效果似乎在许多场景中都很明显，尤其是在对比度较高的面板中。
基于场景内容的差异非常明显。在一些场景中，如“西方7”的图像，面板对比度的影响很小。这可能是由于在夜空中有足够的脚空间，以尽量减少面板对比度的影响。在《科幻3》等其他场景中，面板对比产生了强烈的冲击力。在其他带有黑色区域的场景中，包括显示电影字幕的“眼泪1”，黑色背景使光晕相当突出。
更高的对比度面板和更多的调光区域大大降低了光晕的可见性。
为了总结实验1中的数据，我们折叠了场景中的数据，并在图5中给出了平均直方图统计和平均偏好排序。直方图显示这些图像有很强的暗成分，有成千上万像素，小于1nit。偏好排名的平均值进一步明确了两大趋势：
- 使用具有高本机对比度的面板有很大的好处；
- 增加局部调光区域的数量，直至到达饱和点有好。
值得注意的是，高对比度面板需要较少的局部调光区域来达到观看偏好的饱和水平。
4、实验2 ：在动态图像中的高动态范围偏好
在第二个实验中，我们考虑了实验1中的一个子集内容，但却将原始场景中的移动引入到了测验中。目的是确定视频图像中的动态光晕是否会改变实验1的结论。在静止图像中，
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