米系色彩空间小研究喵

小米 HyperOS 4 色彩风格与三大护眼模式解析喵

一、小米官方底层全景架构（Framework 到 SDM 逆向）

flowchart TD
    subgraph Framework [1. 框架层 Framework]
        UI[MISettings: ScreenEffectFragment] -->|设置切换| DFMS[DisplayFeatureManagerService]
        DFMS -->|AIDL setDisplayFeature| DFHAL[vendor.xiaomi.hardware.displayfeature]
    end

    subgraph HalCore [2. HAL 核心状态机 displayfeature.default.so]
        DFHAL --> DispatchTable{FourCC 转译分发}
        DispatchTable -->|mode=0| M_NORM[Norm: 生动]
        DispatchTable -->|mode=1| M_EHAN[Ehan: 鲜艳]
        DispatchTable -->|mode=2| M_STAN[Stan: 原色]
        DispatchTable -->|mode=3| M_EYEC[EyeC: 经典护眼]
        DispatchTable -->|mode=26| M_EXPT[EXPT: 高级色彩风格]
        DispatchTable -->|mode=31| M_PAPQ[PaPq: 纸质护眼]
        DispatchTable -->|mode=70| M_RECS[RECS: 节律护眼]
    end

    subgraph AlgoCalib [3. 标定与算法计算层]
        XML_PANEL[cct_pcc.txt / 面板 XML] --> EyeCareAlgo[libeyecare.so: PCCGen / FindPCC]
        XML_RHY[mdss_dsi_*.xml] --> RhyAlgo[librhytheyecare.so: 24h 5-Zone 褪黑素模型]
        XML_DF[df_default.xml] --> PaperAlgo[libpaperMode.so: 纸质矩阵乘法]
        
        M_EYEC --> EyeCareAlgo
        M_RECS --> RhyAlgo
        M_PAPQ --> PaperAlgo
    end

    subgraph HwEgress [4. 硬件出口层 Hardware Egress]
        PaperAlgo -->|M_paper * M_eyecare| StcService[出口 1: SnapdragonColor / MiStcService CMD 22]
        EyeCareAlgo -->|PCC RGB gains| StcService
        RhyAlgo -->|9 PCC coeffs| StcService
        
        CLSTC[libmiClstc.so: SDM DMA 插件] -->|17x17x17 3D LUT| SDM[高通 SDM 硬件混叠管线]
        StcService --> SDM
        
        M_EYEC -.->|色彩变动期间| PU_CTRL[HandlePUMode: QService CMD 19 挂起 PU]
        PU_CTRL -->|全帧更新保障无撕裂| SDM
    end

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二、小米三个护眼模式具体算法与数学推导

1. 经典护眼（Classic Eye Care, mode=3）

• 标定依据：/odm/etc/disp0/<panel>/cct_pcc.txt。
• 数据结构：按 50K 间隔离散采样的查找表，覆盖 3000K 至 8000K。
  • $3000\text{K}$（极致暖色）：$R=1.0000, G=0.6209, B=0.2351$
  • $4500\text{K}$（标准护眼）：$R=1.0000, G=0.8505, B=0.5722$
  • $6500\text{K}$（标准 D65）：$R=1.0000, G=1.0000, B=0.9944$
  • $8000\text{K}$（冷白白点）：$R=0.8194, G=0.8597, B=1.0000$
• **反汇编算法实现 (EyeCare::FindPCC)：
  给定滑块等级 $L \in [0, 35]$，计算对应的色温 $\text{CCT} = \text{MinCCT} + (35 - L) \times \frac{\text{MaxCCT} - \text{MinCCT}}{35}$。
  在查找表中定位相邻下界档位 $L_{\text{low}}$ 与上界档位 $L_{\text{high}}$，计算比率 $\alpha = \frac{\text{CCT} - \text{CCT}_{\text{low}}}{\text{Step}}$，执行分段线性插值 (Piecewise Linear Interpolation)**：
  $$\vec{g}{\text{pcc}} = (1 - \alpha) \cdot \vec{g}[L{\text{low}}] + \alpha \cdot \vec{g}[L_{\text{high}}]$$

2. 纸质护眼（Paper Mode, mode=31）

• 核心原理：模拟纸张在环境光下的反射质感与油墨发色，通过矩阵变换压缩色彩饱和度或转为高舒适度灰阶。
• **数学模型 (PaperMode::setPCCConfigPaperMode)**：
  从 df_default.xml 中读取预定义的 $3\times 3$ 纸质矩阵 $M_{\text{paper}}$：
  • **全彩纸质 (paperCoeff0)**：单位矩阵
    $$M_0 = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \ 0 & 1 & 0 \ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$
  • **淡彩纸质 (paperCoeff1)**：色彩空间降饱和度重映射矩阵
    $$M_1 = \begin{bmatrix} 0.686 & 0.262 & 0.052 \ 0.146 & 0.816 & 0.038 \ 0.080 & 0.268 & 0.652 \end{bmatrix}$$
  • **黑白纸质 (paperCoeff2)**：Rec.709 亮度单色矩阵（去除蓝光并保留对比度）
    $$M_2 = \begin{bmatrix} 0.218 & 0.693 & 0.089 \ 0.218 & 0.693 & 0.089 \ 0.218 & 0.693 & 0.089 \end{bmatrix}$$
• 复合叠加机制：
  纸质护眼可与色温增益无缝叠加。在反汇编 PaperMode::setPCCCoeffsToHWC 中证实，系统将 $M_{\text{paper}}$ 与护眼色温矩阵 $M_{\text{eyecare}}$ 进行矩阵点乘：
  $$M_{\text{final}} = M_{\text{paper}} \times M_{\text{eyecare}}$$
  打包这 9 个 double 系数，通过 IMiStcService::dispatch(22) 注入硬件管线。

3. 节律护眼（Rhythmic Eye Care, mode=70，小米青山护眼）

• 核心原理：基于人体生物钟褪黑素分泌模型，根据本地时间（24 小时动态衰减）与当前前台应用类型（apptype），动态连续平滑调节屏幕光谱。
• **时区五阶段模型 (RhyEyeCare::ComputeRhyCCT)**（来自面板 XML 标定）：
  1. **日出升温区 (RiseZone, 早晨 06:00–09:00)**：色温从夜间 4800K 平滑攀升至日间 6500K。
  2. **日间恒温区 (DayZone, 09:00–17:00)**：维持 6600K–7100K 高清晰明亮色温。
  3. **午后渐降区 (PmDropZone, 17:00–20:00)**：随日落自然下降至 5500K–5000K。
  4. **入夜衰减区 (NightDropZone, 20:00–23:00)**：加速抑制蓝光，降至 4500K–4100K。
  5. **深夜维持区 (NightZone, 23:00–06:00)**：固定在 4100K 极限防蓝光色温，促进睡眠。
• **三次多项式连续拟合公式 (RhyD65Coeff0..8)**：
  在任意计算时刻的色温 $\text{CCT}$ 下，$3\times 3$ 增益矩阵的各通道主对角线增益由以下三次多项式严格生成（非对角项由于阶数为 $10^{-28}$ 可忽略）：
  $$g_R(\text{CCT}) = -1.05827 \times 10^{-11} \cdot \text{CCT}^3 + 1.54963 \times 10^{-7} \cdot \text{CCT}^2 - 7.46168 \times 10^{-4} \cdot \text{CCT} + 2.18254$$
  $$g_G(\text{CCT}) = -1.03528 \times 10^{-11} \cdot \text{CCT}^3 + 1.35378 \times 10^{-7} \cdot \text{CCT}^2 - 4.51272 \times 10^{-4} \cdot \text{CCT} + 1.03007$$
  $$g_B(\text{CCT}) = -1.65666 \times 10^{-11} \cdot \text{CCT}^3 + 2.44478 \times 10^{-7} \cdot \text{CCT}^2 - 9.49496 \times 10^{-4} \cdot \text{CCT} + 1.36344$$
• 实测数值验证（输入 CCT 验算结果）：
  • $6500\text{K}$：$R=0.9733, G=0.9734, B=0.9713$（各通道平衡，精准呈现 D65 白点）
  • $5000\text{K}$：$R=1.0029, G=0.8641, B=0.6571$（蓝通道压低至 65.7%）
  • $4500\text{K}$：$R=0.9984, G=0.7973, B=0.5318$（蓝通道斩半至 53.2%）
  • $3800\text{K}$：$R=1.0041, G=0.7020, B=0.3766$（深夜模式，蓝通道深度压低至 37.6%）
• 时序平滑执行：
  系统启动后台定时器，步进时间 $T_{\text{step}} = 64\text{ms}$，阶梯式过渡时间 $T_{\text{dimming}} = 4\text{s}$，人眼完全无法察觉任何突变台阶。

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三、小米 SDM 硬件插件：CLSTC 与 SnapdragonColor

在供体系统中，小米并非简单地写寄存器，而是深度改造了高通 SDM 管线：

1. **libmiClstc.so (Mi Color Layer Spatial-Temporal Control)**：
   • 实现了 qClient::BnQClient（挂在 QService 上）与 sdm::GenericIntf（挂在高通 SDM 硬件混叠器上）。
   • 解析 17×17×17 的 3D LUT 数据（ClstcLut0.txt 至 ClstcLut8.txt）以及逆 Gamma / 正 Gamma 曲线（clstc_igc_0.txt / clstc_gc_0.txt）。
   • 在 SDM 的每个 DMA Pipe 合成前，直接硬件注入 3D LUT 做色彩重映射与 HDR 色调映射。
2. **libmi-stc-HW-modulate.so (SnapdragonColor)**：
   • 实现了 snapdragoncolor::MiStcService（Binder 描述符 snapdragoncolor.IMiStcService）。
   • 提供后台调光线程（threadDimmingPA, threadDimmingGC, threadDimmingIGC），在硬件管线内完成高动态平滑过渡。