ディスプレイのコントラスト

物理学とデジタル画像におけるコントラストは、視野内の要素間の外観の違いを説明するために使用される定量化可能な特性です。これは、物体の知覚される明るさと密接に関連しており、通常、刺激の輝度を含む特定の式によって定義されます。たとえば、コントラストは、ウェーバーコントラストとして知られる輝度閾値付近ではΔL/Lとして定量化できます^[1]。または、はるかに高い輝度ではL _H /L _{Lとして定量化できます}^{[2] 。さらに、コントラストは}色度の違いによって生じる可能性があり、これは、 CIE 1976 UCS （均一色空間）の色差ΔEなどの測色特性によって指定されます。

コントラストを理解することは、画像やディスプレイ技術などの分野では、視覚コンテンツのレンダリングの品質に大きく影響するため、非常に重要です。電子ビジュアルディスプレイのコントラストは、使用される信号駆動メカニズムの種類(アナログまたはデジタル) によって左右されます。このメカニズムは、さまざまな条件下でディスプレイが画像をレンダリングする品質に直接影響します。さらに、コントラストは周囲の照明や視聴者の観察方向によっても影響を受け、知覚される明るさや色の正確さが変わることがあります。

「輝度コントラスト」とは、検出される特徴を定義する高輝度 L _Hと低輝度 L _{Lの比率です。この比率は、}コントラスト比CR (実際は輝度 比) と呼ばれることが多く、高輝度や電子視覚表示装置のコントラストの仕様によく使用されます。輝度コントラスト (比) CR は無次元数で、商の値に「:1」を加算して表されることがよくあります (例: CR = 900:1)。

${\displaystyle CR={\frac {L_{H}}{L_{L}}}}$1 ≤ CR ≤${\displaystyle \infty}$

「コントラスト比」CR = 1 はコントラストがないことを意味します。

コントラストは、次のように定義されるコントラスト変調（またはマイケルソンコントラスト）C _Mによって指定することもできます。

${\displaystyle C_{M}={\frac {(L_{H}-L_{L})}{(L_{H}+L_{L})}}}$ただし0≤C M≤1で_ある。

C _M = 0 はコントラストがないことを意味します。

もう一つのコントラストの定義は、ウェーバーコントラスト^[3]の実用的な応用であり、電子ディスプレイの分野で時々見られるKまたはCW_は次のようになります。

${\displaystyle C_{W}={\frac {(L_{H}-L_{L})}{L_{H}}}}$_ただし0≤CW≤1である。

C _W = 0 はコントラストがないことを意味します。一方、最大コントラストの C _{Wmax は}1 に等しくなります。または、より一般的には、Michelson のようなパーセンテージで表され、100% になります。

Hwaung/Peliによるウェーバーの修正では、分母にグレアオフセットを追加して、コンピュータディスプレイをより正確にモデル化します。^[4]したがって、修正されたウェーバーは次のようになります。

${\displaystyle C_{m}W={\frac {(L_{H}-L_{L})}{(L_{H}+0.05)}}}$

これにより、周囲の光の状態によりディスプレイの輝度が暗くなるときに発生するコントラストの低下をより正確にモデル化します。

視野の 2 つの部分は輝度が等しくても、色 (色度) が異なる場合があります。このような色のコントラストは、適切な色度システム (例: CIE 1976 UCS、 CIELAB、CIELUV) の距離で表すことができます。

電子ディスプレイ分野でよく使用される色のコントラストの指標は、色差ΔE*uv または ΔE*ab です。

コントラストの評価に使用される輝度値の測定中、ディスプレイ画面のアクティブ領域は、コントラストを決定する光学状態（たとえば、完全に白（R=G=B=100%）と完全に黒（R=G=B=0%））のいずれかに完全に設定され、輝度が次々に（時系列で）測定されることがよくあります。

この方法は、ディスプレイデバイスが負荷効果を示さない場合にのみ適しています。負荷効果とは、テストパターンの輝度がテストパターンのサイズに応じて変化することを意味します。このような負荷効果は、CRTディスプレイやPDPで見られます。これらのデバイスに表示される小さなテストパターン（たとえば、4％ウィンドウパターン）は、供給電流が特別な電子回路によって制限される可能性があるため、対応するフルスクリーンパターンよりも大幅に高い輝度になる可能性があります。^{[引用が必要]}

完全に同一ではない 2 つのテスト パターンは、それらの間のコントラストを評価するために使用できます。1 つのテスト パターンが完全に明るい状態 (完全な白、R=G=B=100%) で構成され、もう 1 つのテスト パターンが完全に暗い状態(完全な黒、R=G=B=0%) で構成される場合、結果として得られるコントラストはフル スイング コントラストと呼ばれます。このコントラストは、ディスプレイが実現できる最高 (最大) のコントラストです。データ シートにコントラストの説明とともにテスト パターンが指定されていない場合は、フル スイング コントラストを指す可能性が高くなります。^{[引用が必要]}

コントラスト評価の標準的な手順は以下のとおりです。^{[引用が必要]}

1. 最初のテストパターンをテスト対象ディスプレイの電気インターフェースに適用し、光学応答が安定した定常状態に落ち着くまで待ちます。
2. 最初のテストパターンの輝度および/または色度を測定し、その結果を記録します。
3. 2番目のテストパターンをテスト対象ディスプレイの電気インターフェースに適用し、光学応答が安定した定常状態に落ち着くまで待ちます。
4. 2番目のテストパターンの輝度および/または色度を測定し、その結果を記録します。
5. 上記のメトリック (CR、C、_M、または K)のいずれかを使用して、2 つのテスト パターンの結果の静的コントラストを計算します。

光学応答が安定した定常状態に落ち着く前に輝度や色度を測定すると、静的コントラストの代わりにある種の過渡コントラストが測定されます。^[要出典]

ビデオや映画コンテンツの表示中など、画像コンテンツが急速に変化している場合、応答が遅いためにディスプレイの光学状態が意図した安定した定常状態に到達しない可能性があり、静的コントラストと比較すると見かけのコントラストが低下します。^{[引用が必要]}

これは LCD 画面のコントラストを拡大する技術です。

LCD スクリーンは、常時発光するバックライト ユニットと、その前面にあって光の透過率と強度および色度を調節する LCD パネルで構成されています。このような LCD スクリーンのコントラストを高めるために、表示される画像が暗い場合 (つまり、高強度の画像データを含まない場合) はバックライトを (全体的に) 暗くし、画像データを数値的に補正して、減光されたバックライト強度に適応させることができます。このようにして、暗い画像の暗い領域を改善し、後続のフレーム間のコントラストを大幅に高めることができます。^[5]また、画像のヒストグラムに応じて 1 つのフレーム内のコントラストを意図的に拡大することもできます (画像内の散発的なハイライトをカットまたは抑制できます)。人間の視覚系に心地よい方法で動的コントラスト制御技術を実装するには(たとえば、ちらつき効果を誘発してはならない)、 かなりのデジタル信号処理が必要です。

バックライトを局所的に調光すると、個々のフレーム内のコントラスト（同時コントラスト）を高めることができます。これは、LEDアレイで実現されるバックライトユニットで実現できます。^[6]ハイダイナミックレンジ（HDR）LCDは、CR> 100.000の範囲の（静的）コントラスト値を実現するためにこの技術を使用しています。^[7]

可能な限り最高のコントラストを測定するには、テスト対象のディスプレイの暗い状態が周囲の光によって損なわれないようにする必要があります。これは、比率 (L _H + ΔL) / (L _L + ΔL) の分母の小さな増分 ΔL でさえ、その商が大幅に減少するからです。これが、広告目的で使用されるほとんどのコントラスト比が暗室条件 (照度 E _DR ≤ 1 lx) で測定される理由です。^{[引用が必要]}

すべての発光型電子ディスプレイ（CRT、PDPなど）は、理論的には黒色状態（R=G=B=0%）では光を発しません。そのため、ディスプレイ表面から光測定装置に反射される周囲光がない暗室条件下では、黒色状態の輝度はゼロであり、コントラストは無限大になります。^[要出典]

これらのディスプレイ画面を、リビングルーム（照度約 100 lx）やオフィス（照度最低 300 lx）などの完全に暗い部屋の外で使用すると、周囲の光がディスプレイ表面から反射され、暗い状態の輝度が増加し、コントラストが大幅に低下します。^{[引用が必要]}

OLED技術で実現された非常に斬新なテレビ画面は、暗室コントラスト比CR = 1.000.000（百万）で規定されています。100 lxの照度での実際の使用状況では、コントラスト比は〜350に低下し、300 lxでは〜120に低下します。^[8]

周囲光がある状態で体験または測定できるコントラストは、略して「周囲コントラスト」と呼ばれます。^[9]特殊な種類の「周囲コントラスト」は、照度が非常に強い（最大100,000 lx）屋外の照明条件下でのコントラストです。このような条件下で現れるコントラストは「昼光コントラスト」と呼ばれます。^[10]

ディスプレイの暗い部分は常に反射光によって損なわれるため、反射防止コーティングや防眩コーティングによって反射を減らすための効果的な対策がディスプレイに施されている場合にのみ、適切な「周囲コントラスト」値を維持できます。^{[引用が必要]}

異なる輝度や色度を持つ領域を含むテストパターン（例えば、チェッカーボードパターン）が表示され、観察者が異なる領域を同時に見る場合、見かけのコントラストは同時コントラストと呼ばれます（同時コントラストという用語は、すでに別の効果に使用されています）。 2 つの連続して表示されるフルスクリーンパターンから得られるコントラスト値は、同じ光学状態のチェッカーボードパターンから評価された値と異なる場合があります。 この不一致は、表示画面の非理想的な特性（クロストーク、ハレーションなど）や光測定装置の迷光の問題が原因である可能性があります。^{[引用が必要]}

次々に知覚または測定される 2 つの光学状態の間にコントラストが確立される場合、このコントラストは連続コントラストと呼ばれます。2 つのフルスクリーン パターン間のコントラスト (フルスクリーン コントラスト) は常に連続コントラストです。^{[引用が必要]}

• 直視型ディスプレイのコントラスト
• 投影ディスプレイのコントラスト

テスト対象のディスプレイの性質（直視型または投影型）に応じて、コントラストは輝度値の商（直視型）として、または投影スクリーンの特性がプロジェクターの特性から分離されている場合は照度値の商（投影型ディスプレイ）として評価されます。後者の場合、全白と全黒の長方形のチェッカーボードパターンが投影され、長方形の中心で照度が測定されます。^{[11]標準ANSI IT7.215-1992は、テストパターンと測定場所、および照度測定から}光束を取得する方法を定義していますが、「ANSIルーメン」という量は定義していません。^{[引用が必要]}

投影スクリーンの反射特性（通常は方向によって異なります）が測定に含まれる場合、長方形の中心から反射される輝度を特定の観測方向（のセット）に対して測定する必要があります。

LCDスクリーンの輝度、コントラスト、色度は通常、観察方向（つまり、視線方向）によって変化します。視線方向による電気光学特性の変化は、視角円錐の機械的走査（ゴニオスコープ法）によって連続的に測定するか、コノスコピーに基づく同時測定によって測定することができます。^[12]

• コントラスト（視覚）
• 干渉視認性

• チャールズ・ポイントン：ビデオやコンピューターのモニターによる目の疲れを軽減する
• ソニーのXEL-1 OLEDテレビ画面と周囲光とのコントラスト[1]