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Chameleon：基于移动OLED显示器的彩色自适应Web浏览器
摘要
基于有机发光二极管（OLED）技术的显示器正出现在许多移动设备上。不同于液晶显示器（LCD），OLED显示器为显示出不同的颜色而大大消耗不同的功率。具体来说，OLED的显示器呈现明亮的色彩是低效的，这使得它们不适合移动设备，因为大多数的网络内容是鲜艳的色彩。
为了解决这个问题，我们提出了Chameleon的研究，设计和实现，在颜色自适应的网络浏览器上呈现网页时根据用户提供的约束功率优化配色方案。在我们的研究调查结果的驱使下，Chameleon为最终用户提供重要的选项，卸载那些不是绝对需要的实时任务，通过仔细地增强浏览器引擎的代码库完成实时任务。根据对OLED的智能手机测量，Chameleon是能够减少41%的网页浏览系统的平均功耗，并能降低64%的显示器功耗，而不引入任何明显的延迟。
分类和主题描述：H.5.2[信息接口和演示]：用户界面
一般条款：设计，人为因素
关键词：OLED显示器，网络浏览器，色彩变换，低功耗
引语
显示器是已知的现代移动设备上的功率消耗最大的部件。OLED显示器正出现在越来越多的移动设备上，例如谷歌Nexus One，诺基亚N85和三星Galaxy S。不像背光占功耗主导地位的LCD，OLED显示器不需要背光，因为它的像素发光。每个像素由几个不同颜色（常用的红，绿，蓝）的负载组成，其具有非常不同的亮度效率。其结果是，一个有机发光二极管像素的颜色直接影响其功耗。而OLED显示器呈现黑屏时消耗接近于零功率，它们在呈现某些颜色方面比LCD有效得多，尤其是白色。例如，显示相同亮度的白色画面时，在Nexus One的OLED显示屏消耗是iPhone 3GS上的LCD的两倍以上。由于显示内容通常有一个白色或明亮的背景，OLED显示器被认为比液晶显示器的整体效率较低。例如，报道称三星电子为其Galaxy平板放弃了OLED同样值得关注。
我们的目标是在具有OLED显示器的移动设备使网络浏览更为节能。根据最近的研究，不仅是最常用的智能电话应用之间的网络浏览，还有今天的大多数网页内容，都是白色的。例如， 根据我们的测量，通过Nexus One浏览CNN移动的平均约60％的功耗是由OLED显示屏贡献。我们的算法基础是我们和其他人先前的工作已通过改变显示内容或转换颜色展示了OLED显示器具有极大提高效率的潜力。为了将颜色的变换有效地应用到网页的能源效率，我们必须回答以下问题。
首先，网络内容提供商会通过提供高能效配色方案的网页来解决这个问题吗？有些网站允许最终用户自定义配色方案，也有许多网站提供移动版本。但是，我们通过对智能手机用户网络使用情况的研究发现，移动用户访问的接近50％的网页完全没有在移动设备优化。因此，虽然如果每个网站提供一个版本的OLED显示器优化内容将是理想的，这是至少不可能在不远的将来发生。此外，我们的OLED智能手机的测定表明，不同OLED显示器可具有不同的颜色的功率特性。没有单一的配色方案是最适合所有的OLED显示器。
其次，用最节能的配色方案配置Web浏览器能解决问题吗？一些web浏览器已经允许用户定制自己的配色方案，用户只需选择最节能的方案。然而答案是非常有限，因为自定义配色方案仅影响了Web浏览器本身，而内容没有被它渲染。某些web浏览器允许用户用定义的颜色样式设置为本，背景，以及网页内容链接的颜色。不幸的是，我们的研究表明，智能手机用户访问的网页平均采用了约四种颜色的文本，三种颜色的背景。如果使用一个用户自定义色彩风格，许多网页将呈现为不可用。
最后，有没有可能在移动客户端来实现颜色的变换？颜色转换需要通过实时像素收集颜色使用的统计数据，转化每种颜色，并在网页上实时应用新颜色。因为像素的数量和颜色的数量是很大的，颜色变换的直接应用将是极为计算密集的，因此，违背了节能减排的目的。
通过实现Chameleon，我们肯定地回答最后一个问题。Chameleon成功的关键在于利用我们研究结果的一套系统技术。Chameleon的颜色适用于改造网页内容，具有以下特点。它适用于来自同一个网站网页的色彩变换，适用于不同的保真度要求的网页内容中的颜色转换。Chameleon构建了一个OLED显示器的电源模式，无需外部援助，以实现特定设备的最佳色彩变换。它允许最终用户在色彩变换中设置其颜色和保真度的偏好。最后，Chameleon仅执行在实时绝对必要的任务，并积极进行效率优化实时任务。我们的评估显示，Chameleon可以降低均线系统41％的网页浏览时的功耗，而不会对OLED引入智能手机用户的任何明显的延迟，并通过提供Chameleon变换网页深受用户接受。
在设计和实现Chameleon，我们做出以下贡献：
三个动机的研究，决定了Chameleon的设计要求；
为了满足设计要求，Chameleon的设计广泛利用了研究的结果；
高效实现了基于Chameleon的开源Web浏览器，包括Android Webkit和Fennec；
Chameleon的一个非常早期的原型在HotMobile10证实，报告称Chameleon的实现可以从中下载。
2．背景及相关工作
2.1色彩空间
人类颜色感觉可以用三个参数来描述，因为人的视网膜有三类视锥细胞是分别对短，中间光，长波长最敏感的。彩色空间是用于说明带有三个参数的颜色的方法。最常用的色彩空间包括线性RGB，标准RGB（sRGB）和CIELAB。
线性RGB和sRGB空间被设计为代表的光的物理措施。线性RGB颜色空间中，颜色由（R，G，B）的指定，红，绿，蓝，结合时，这将创建相应的色感：原色的强度水平。在sRGB色彩空间，一个颜色也由（R，G，B）的指定，但强度水平通过幂律压缩，或与gamma;= 2.2的伽马校正变换，以补偿通过常规CRT显示器引入的非线性。虽然CRT显示器今天不再是常见的，sRGB色彩空间仍然被广泛应用于电子设备和计算机显示器。默认情况下，几乎所有主流操作系统和应用程序指定使用sRGB颜色空间中的颜色。当移动显示呈现在sRGB色彩空间中指定的色彩，它首先决定与自己gamma;的值的颜色。由于大多数移动显示器已经gamma;校正到接近2.2，伽马解码结果将是彩色的线性RGB值。
2.2 OLED显示和色彩变换
有机发光二极管或OLED技术对比于动态色彩，有望好得多和薄得多，比传统的液晶显示器面板更轻。与LCD不同，OLED显示器不需要外部的照明，因为它的像素发光。OLED显示器的各像素分别由几个五颜六色的OLED组成，通常为红色，绿色和蓝色的。因为一个像素的红色，绿色和蓝色成分具有不同的亮度功效，像素直接影响其耗电量的颜色。与此相反，背光源，没有颜色的照明，确实由一个LCD的功率消耗。
2.2.1色力模型
已知OLED显示器区的所有像素的颜色，计算出消耗电力贡献的区域很容易。
2.2.2显示变暗
目前OLED智能手机，例如Nexus One和Galaxy S的，提供一个展示变暗机制，通过它用户可以均匀地改变整个屏幕的亮度。视觉效果是类似于背光调光的液晶显示器。
这样的机制在OLED面板驱动电路上实现并被均匀地应用于整个显示，不用数字化地改变像素的颜色。显示变暗比颜色变换降低功耗是因为显示器变暗只改变颜色的明度，而颜色变换同时更改亮度和色度。正如在3.3节所示，给予相同的感知约束，色彩变换能够比显示变暗降低显示器的三倍功耗。
2.2.3颜色变换
上述显示变暗可以被认为是颜色变换的一种特殊情况。颜色变换考虑了颜色的亮度和色度的变换，而不是均匀地逐一变换。我们早期的结果显示，颜色转换显著降低显示器功耗，而不影响用户的满意度呈现。颜色变换的目标是找到一个或N颜色映射，变换颜色X1，X2... XN，以代替原来的N种颜色，X 1，X2，...，X N，使得显示功率消耗最小化，同时满足一个感知约束。一般来说，有可用性和保真度两种类型的感知约束。
当保真度事项的画面区域，由彩色变换引入的失真可以被保证小于用户指定的阈值delta;。失真可以由原始和转化的屏幕之间的像素的色差的总像素来测量。当可用性代替保真度问题， 例如，在GUI对象的情况下，转化后的任何两种颜色之间的色差可以保证接近原来的两个颜色的色差，以维护对比度和功能。
Chameleon支持两种形式的颜色转换是受到用户的选择。在一个任意的变换，每种颜色可以转化成任何颜色。任意变换是更好的，其中颜色是独立于在彼此原画面，例如，在GUI纯色区域。此外，一个任意的变换可以在给定的感知约束的情况下潜在地实现最大功率的降低。在一个线性变换，相同的线性函数确定并施加到所有颜色。线性将保留在颜色空间的颜色的相对位置，使得梯度也将被保留。
2.3网络浏览器
现代Web浏览器渲染通过一个复杂的过程网页盛产并发性和数据的依赖。图1示出了网络浏览器的工作流程。要打开网页，浏览器首先加载主HTML文档并解析它。当解析HTML文件，更多的资源如其它HTML文档，层叠样式表（CSS），JavaScript和图像，可被发现，以及再安装。这两个迭代阶段是资源加载和解析图1。在解析，浏览器操纵利用所谓的文档对象模型（DOM）编程接口在Web页面的HTML标签中指定的对象。因此，这些对象被称为DOM元素，并存储在被称为DOM树的数据结构。
图1. Web浏览器的简化工作流程
在样式格式，浏览器处理CSS和JavaScript的，得到各DOM元素的样式信息，例如，颜色和大小，并构造一个渲染树，用文档来可视化表示。在渲染树中的每个节点从一个DOM元件产生，来代表该显示元件在屏幕上的矩形区域。每个DOM元素的风格信息存储在呈现树的相应节点的属性。
然后，在布局计算，浏览器计算的布局和更新基于这些节点的顺序呈现树的每个节点的位置属性。Chameleon利用图像节点的位置和大小的属性，以确定这在当前屏幕像素属于图像。这在4.4节讨论。
2.4相关工作
Chameleon是由以前的工作中显示的电源管理积极性和利用其算法的解决方案。惠普实验室由变暗显示区域即是重点领域之外率先为基于OLED的手机显示屏节能减排。用户研究表明，对于阅读通知和菜单，这种技术的用户接受度是很高的，但一些任务上接受度很低，例如阅读邮件和书籍，因为它在后一种情况下是难以确定用户的焦点区域的。不幸的是，网络浏览类似于后者。与此相反，幸亏有颜色变换，Chameleon并不需要知道的焦点面积，并且更有效的节约电力。
IBM的Linux的手表是基于OLED的显示器最早的用户之一。它的设计者试图使用低功率的颜色更多的像素和设计GUI对象，诸如字体和图标，以尽量减少对高功率的颜色的需要。然而，这项工作研究的只有两种颜色，例如背景和前景，不解决丰富多彩的设计。
存在很多用于移动显示器并能够手动或自动适应网页的研究正在努力着。它以更好地适应网页内容到小型移动显示器的目标是与我们在节约能源有很大不同。此外，它的解决方案通常涉及代替颜色布局的修改。
3.动机研究
我们接下来报告直接促使Chameleon设计的三项研究：OLED显示器，用户通过智能手机的网络使用情况，以及用户偏好页面颜色变换。
3.1 OLED显示器电源
使用描述的测量程序，我们得出三个OLED智能手机的像素功耗，即Nexus One，Galaxy S和诺基亚N85。严格地说，这OLED像素是一个逻辑的像素，指的是在显示的位图中的相应像素。Nexus One和Galaxy S的显示器采用Pentile RGBG图案在其中一个物理像素是红色和绿色的组件或蓝色和绿色的组件。一个映射算法中使用位图图像映射到此了Pentile RGBG的图案。此外，N85的像素消耗更高的功率，因为它是Nexus One和Galaxy S的大约两倍。重要的是，我们提出如下意见作为与Chameleon的设计。
首先，OLED像素的功耗是其线性RGB值的线性函数，或者更准确地说是，伽马解码由其的sRGB值导致。所有三款器件的线性回归拟合统计R 2是0.95以上。其原因是，一个OLED像素的功耗是电流通过它的线性函数。而且，电流通过的OLED也是其sRGB值的伽马解码结果的线性函数。OLED电源模型的线性简化对于Chameleon是必要的。
第二，不同的显示器具有不同的功率特性。具体地讲，从设备到设备，由红色和绿色的无功功率消耗产生了显著变化。在N85，绿色的功率比绿色高效;在Nexus One和Galaxy S，情况正好相反。这意味着，在N85上最节能的配色方案在Nexus One和Galaxy S上可能是最不节能的。这一观察推出，它采用一个专用设备的OLED功率模型用于特定于设备的色彩变换。
最后，即使亮度是相同的，色度是有很大的区别的。图3呈现在CIELAB颜色空间使用的Galaxy S的OLED显示器，其中，每个颜色的功率消耗是由白色标准化的颜色功率模型。勿庸置疑，该图显示，当亮度增加，相同色度的颜色的功率消耗将增加。这表明，人们应该用较深的颜色来降低的功耗。OLED显示器中，这已是众所周知并已实施。更重要的是，图3还显示出在相同的曲面或者相同明度的两种颜色之间的功耗差可以高达五倍。这一发现表明，改变色度是减少OLED显示器功率和色彩变换是比显示变暗更有效的另一种方法。
图2：三OLED显示器的像素电源型号。
一个像素的各颜色分量的功率消耗是其相应的线性RGB值的线性函数
图3：CIELAB OLED彩屏功率模型。
给定亮度，或者L *，具有不同色度的两种颜色之间功耗能相差高达5倍
3.2智能手机用户使用网络
通过研究25位 iPhone 3G
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资料编号：[150652]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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