Reproduzierbare Quantifizierung von Display Sparkle

Display Sparkle ist eine hochfrequente, zufällige Variation der Leuchtdichte und Farbe, die sich dem regulären Pixelmuster eines Displays überlagert. Sparkle ist oft kritisch bei Displays, die eine Anti-Glare-Schicht (AGL) haben — ein in hellen Umgebungen häufig eingesetztes Cover-Material. AGLs sind im Automobilbereich und in anderen Anwendungen mit hoher Anforderung an die Ablesbarkeit unter Umgebungslicht verbreitet, kommen aber nicht in jedem Automotive- oder Outdoor-Display zum Einsatz.

Wo eine AGL vorhanden ist, ist sie die physikalische Ursache des Effekts. Quantifiziert wird Sparkle durch den Sparkle-Kontrast, der in IEC 62977-3-9 definiert ist.

Die Anti-Glare-Schicht streut Licht. Das ist ihre Aufgabe in der Reflexion: Einfallendes Umgebungslicht wird vom Betrachter weggestreut, sodass spiegelartige Reflexionen auf der Displayoberfläche unterdrückt und der Kontrast in hellen Umgebungen verbessert wird.

Dieselbe Streuung wirkt sich auch auf das Licht aus, das das Display durch die AGL emittiert. Die Mikrostruktur der Schicht bricht und streut das Licht der einzelnen Subpixel in leicht unterschiedliche Richtungen. Was beim Betrachter ankommt, ist eine zufällige, hochfrequente Leuchtdichtevariation, die sich dem regulären Pixelraster überlagert. Diese Variation messen wir als Sparkle. Wie stark der Sparkle ausfällt, hängt vom Aufbau der AGL (Folie oder Glas, Rauheit, Schichtdicke, Abstand zum Pixel-Layer) und vom Display dahinter (Subpixel-Layout, PPI) ab.

Sparkle-Messungen reagieren empfindlich auf mehrere Setup-Bedingungen: wo der Fokus liegt, wie fein die Kamera das Display abtastet, welche Apertur das Objektiv hat und welcher Algorithmus das Sparkle-Signal vom regulären Pixelmuster trennt. Werden diese Bedingungen nicht kontrolliert, können zwei Labore am selben Panel sehr unterschiedliche Werte ablesen.

IEC 62977-3-9 berücksichtigt das auf zwei Wegen. Die Norm verlangt, dass jede Messung die relevanten Setup-Bedingungen dokumentiert, und sie lässt mehrere Verfahren zu, mit denen das Sparkle-Signal von der Pixelmatrix getrennt werden kann. Das TechnoTeam-Verfahren adressiert jede dieser Bedingungen einzeln: Ein Distanz-Fokus-Scan kümmert sich um die Fokusposition, das Fourier-Downsampling um die Abtastauflösung, ein internes Aperturfenster hält den Aperturwinkel in einem reproduzierbaren Bereich, und der gewählte Separationsalgorithmus ist ein Frequenzfilter, der mit BlackMURA-Setups kompatibel bleibt.

Der Sparkle-Kontrast ist die Kenngröße, mit der Display Sparkle quantifiziert wird. Er wird in Prozent angegeben und ist definiert als die Standardabweichung der Leuchtdichte geteilt durch den Mittelwert der Leuchtdichte. Beim Frequenzfilter-Verfahren wird dieser auf dem frequenzgefilterten Bild und nicht auf der Rohaufnahme, sowie innerhalb eines definierten Auswertebereichs, berechnet.

Eine aufgenommene Leuchtdichteverteilung des Displays wird in den Frequenzraum transformiert. Dort werden zwei Anteile herausgefiltert: die periodische Komponente, die vom Pixelraster stammt, und die niederfrequente Komponente, die von großflächigen Leuchtdichteverläufen wie Backlight-Gradienten herrührt. Das Bild wird anschließend in den Ortsraum zurücktransformiert, und der Sparkle-Kontrast wird auf diesem gefilterten Bild berechnet. Was übrig bleibt, ist der hochfrequente Signalanteil, der dem wahrgenommenen Sparkle entspricht.

Der Frequenzfilteransatz ist eine von mehreren Separationsmethoden, die IEC 62977-3-9 zulässt. TechnoTeam hat ihn gewählt, weil er unter denselben Abtast- und Ausrichtungsbedingungen wie BlackMURA arbeitet — eine einzige Messzelle kann damit beide Messungen abdecken. Damit das Ergebnis über verschiedene Kameras und Objektive vergleichbar bleibt, unterdrückt die inverse Fourier-Transformation zusätzlich Frequenzen oberhalb einer gemeinsamen Referenz — ein Schritt, der die Abhängigkeit von der tatsächlichen Abtastauflösung innerhalb des validierten Messfensters herausnimmt.

Das zufällige Sensorrauschen einer Leuchtdichtemesskamera (ILMD) sieht im aufgenommenen Bild ähnlich aus wie der Sparkle: beide sind hochfrequent und zufällig. Sobald das periodische Pixelraster herausgefiltert ist, kann das Sensorrauschen daher zum gemessenen Sparkle-Kontrast beitragen und den ausgegebenen Wert fälschlich erhöhen. Bei Displays mit starkem Sparkle, bei denen das Sparkle-Signal dominiert, ist dieser Effekt klein, kann bei niedrigen Sparkle-Werten — also nahe am Niveau eines Panels ohne AGL — aber signifikant werden.

Die Gegenmaßnahme ist Mittelung. Vor der Berechnung des Sparkle-Kontrasts werden mehrere ILMD-Aufnahmen desselben Bildes erfasst und zusammengefasst. Das Sparkle-Signal bleibt unter dieser Mittelung konstant, während der zufällige Rauschanteil mit dem Faktor √N für N Aufnahmen sinkt. Schon wenige gemittelte Aufnahmen senken den Rauschbeitrag deutlich unter das Sparkle-Signal.

Das Verfahren wurde während seiner Entwicklung gegen subjektive Expertenbewertungen validiert. Qualitätsingenieure aus dem Automotive-Display-Bereich bewerteten eine Reihe von AGL-Mustern in den Kategorien niedrig, mittel und hoch, ohne die gemessenen Werte zu kennen. Die Sparkle-Kontrast-Werte folgten dieser visuellen Rangfolge in einer klar monotonen Beziehung über die drei Kategorien hinweg. Das Verfahren wurde anschließend in einem Ringversuch mit drei unabhängigen Laboren bestätigt.

Der Akzeptanzschwellwert für einen „guten" Sparkle-Wert wird vom OEM oder durch die Anwendung festgelegt. Auch IEC 62977-3-9 definiert keinen Wert.

Nein. Unser Verfahren ist so ausgelegt, dass die AGL auf dem Display bleibt. Genau das macht die Messung über den gesamten Lebenszyklus hinweg einsetzbar: AGL-Entwicklung, Lieferantenqualifizierung und Wareneingangsprüfung am fertigen Modul nutzen dieselbe Methode. Sie funktioniert sowohl für beschichtetes Cover-Glas vor einem Referenzdisplay als auch für ein fertiges Modul, und sowohl glasbasierte als auch folienbasierte AGLs sind abgedeckt.