（光学工程专业论文）平板电视白平衡自动调节系统的研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 进入2 0 0 6 年，电视机市场正发生着翻天覆地的变化，首先人们对电视机的 要求不单单只是停留在画面效果上，更扩展到外观、功能等各个方面。其次，平 板电视机的价格也渐渐下跌到人们可以承受的程度。老式显像管电视机渐渐力不 从心，而以液晶电视为首的新一代平板电视逐渐占据了市场主角，且应用领域越 来越广。 白平衡误差是彩色电视机的一项重要色参数，白平衡调整的好坏对彩色电视 机颜色的再现性能有极大的影响。而平板电视的白平衡调整与以前的模拟式彩色 电视机的白平衡调整实现方法有所不同。 本论文先介绍了平扳电视及其光电显示特性，并和c r t 作了比较，提出了面 向平板电视的白平衡自动调整系统的全套设计方案，并付诸于实践。系统采用以 p c 机为核心的模块化结构，整个系统由p c 机、双头显卡、a v 信号板、y p b p r 信 号板、彩色分析板、总线板以及升降装置、探测器等组成。由软件控制所有硬件 及整个测量过程。这样，使测试信号发生、白平衡调整信号输出、白场色度测量 均由p c 控制，实现了基于p c 的测控一体化。本系统在保留了原有c r t 彩电白平 衡自动调整系统所采用的i i c 通信接口的基础上，新增加了r s 一2 3 2 通信接口， 它能对带有i i c 总线接口和r s 一2 3 2 接口的平板电视机的白平衡进行在线调整， 使白平衡调整实现了真正的自动化。 文中各章节叙述了系统各个部分硬件的结构和工作原理、软件的流程图和算 法，以及系统的总体工作原理及工作过程，最后写了应用情况以及改进方法。 关键词：平板电视白平衡r s 一2 3 2 颜色测量信号源信号制式 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，f l a tp 姐e lt e l e v i s i o 璐b e c o m em o r ea 1 1 dm o r ep o p u l a rb a u s eo fi t s g o o dp i c t u r cc x c e l l e m 印p e a r a n c ea n dg o o d 劬c t i o n 1 m ep r i c ei sl o w e rt l l a nb e f o r e ； s om a n yp e o p l ec a n 甜b r di t a 1 1 da t 恤es 锄et i i n e ，t h eo l dc 础o d er a yt u b e t e l e v i s i o n sg r a d u a l l y 州廿l 妇耕f 而mt l l et e l “i s i o nm a r k e t t h el i 叫dc r y s 衄l d i s p l a yt e l e v i s i o i l st a k em a i n l yp a no f t l l en e wg e n e r a 廿o nf l a tp a n e lt e l e v i s i o n s w 1 l i t eb a l a n c ei sav e r yi m p o n a 皿tc h a r a c t e rr e p r e s e 蚯n gt h cq u a l i t ) ro fc o l o f t e l e v i s i o n n sa d j u s t i i l gi sn e c e s s a r yi nm eq u a l i t yc o n t r o lo ft e l e v i s i o n s m a n u f a c t 嘶n gp r o c e s s e s 1 k 甜j u s t i n go fw 场t eb a l a i l c ei sd i 行e r e m 舶m 也ea n a l o g t c l e v i s i o i nt l l i s 廿l e s i s 山仃0 d u c e sw h a ti st h ef 1 a tp a n e lt e l e v i s i o na n di t sp h o t o e l e 咖c 埘 c h a m c t e r i s t i c c o r n p a r et ot l l ea d j u s t i n gs y s t e m sf o rt l l ea i l a l o gt e l e v i s i o n 趾dd i g i t a l t e l e v i s i o n ，w ep r o p o s ean e wa n dc o m p r e h e n s i v ea l i t o m a t i cm e 晒u r e m e n ta n d a d j 删n gs y s t e mo fw b j t eb a l a n c ef o rm ef l a tp a l l e lt e l e v i s i o n t h ew h o l es y s t e mi s b a s e do np ch a r d w a r c 锄ds o 脚a r e nc o n s i s t so fc o m p u t c r “a l - h e a dd i s p l a yc a r d ， s i g n a l b o a r do f a va n dy p b 耽c o l o ra n a l y s i sb o a r d ，n u c t 删o ni n 删l m e n t ，d e t e c t o r s a n ds oo n t h es o f 研a r ec o n t r o l st 1 1 ew h o l ep r o c e s so f 也em e a s w 鼬e n t n ed e t a i ld e s i 印o f 也es y s t e mi sd e s c r i b e di i lt h ed i 触c h 印t e ro f t h i sm e s i s k e y w o r d s ：f l a tp 彻e lt c l c v i s i o n ，w h i t eb a l a l l c e ，r s 一2 3 2 ，c o l o rm e 船u r e m e n t ，s i 驴a l s o u r c e ，s i 卯a lp a n e m i i 浙江大学硕士论文 平板电视白平衡自动调节系统的研究 第一章项目研究的意义和目的 1 1 平板电视的现状及发展趋势 1 。1 1 平板电视的定义 平板主要是为了区别c r t 电视的显像原理中，电子发射枪与显示屏幕必须 保持一定的距离。最初的平板显示主要指等离子和液晶显示技术，在它们的显示 原理中，成像部件与显示屏幕集成在一起，像素平面分布。近年来，业界也开始 将微显背投产品收归平板电视的范畴，因为其成像原理上实现了像素平面分布， 而且从结构上也可以向平面方向发展。 平板显示领域最具影响力的论坛_ f p dh l t e m a t i o n a l 对于平板电视做了如 下的定义：所有实现显示像素平面化的显示产品都可以称为平板显示，而以平 板显示为核心的电视就是平板电视产品，以此定义等离子电视、液晶电视、液晶 背投、d l p 背投电视都是平板电视产品，而未来应用了o l e d 、f e d 、s e d 技术 的电视也都属于平板电视产品。 1 1 2 平板电视的现状及发展趋势 由于近年来各企业的大力推广及媒体的推波助澜，消费者对平板电视有了越 来越高的认知度，人们对平板电视的需求持续成长。1 ，国内c r t 纯平彩电的市 场正在慢慢萎缩，显像管电视机也已无明显的成长动力，生产商只能通过降低价 格以对抗越来越便宜的平板电视，平板电视取代传统的c r t 电视已成为不可逆转 的趋势”1 。 目前在平板电视市场中，占据主流位置的还属液晶电视机，这是由于液晶电 视机的特性所决定的。液晶电视机是唯一的一个既可以把屏幕做小也可以把屏幕 做大的产品，这就代表液晶电视机的应用范围最广泛。但大屏幕液晶电视机制造 成本都很高，因此价格要明显高过等离子电视机。液晶电视机还有一大优点就是 画面精细度非常高，但画面质量上的小小劣势也常常被看作液晶电视的软肋。 虽然液晶电视在整个平板电视市场中占了上风，但在超大屏幕( 4 0 英寸及 以上) 平板电视市场上暂时仍然难敌等离子。等离子电视机的优势是画质好，而 浙江大学硕士论文 且价格便宜，并且尺寸越大价格优势越明显。但是其清晰度却一直不能做高： 4 2 寸等离子电视机清晰度多半只有4 8 0 p ，不能符合未来高清晰度电视机需求。 虽然现在已经开发出高精度等离子电视机，但是其价格优势几乎丧失，也让等离 子陷入两难的地步。除非新的高清晰等离子在价格上能保持一贯的优势，否则等 离子必然被液晶电视打败。 有不少研究机构认为，液晶电视未来将一统平板电视的天下，但以目前的发 展状况来看，应是未来液晶电视、等离子电视、背投电视在特定尺寸的范围内， 将拥有各自的市场空间。 在3 7 英寸以下的平板电视市场，液晶电视没有竞争对手，只要站稳c r t 替 代市场，就可立于不败之地。就市场发展趋势来看，液晶电视由于是从较小尺寸 起步，因此平均单价远比以4 0 英寸以上市场为主的等离子电视低，消费者较易 接受，液晶电视销售数量及普及速度，也理所当然的比等离子电视及背投高。与 此同时，液晶电视也在持续向大尺寸进军，2 0 0 4 年，2 0 英寸还是液晶电视的主 流产品，但2 0 0 5 年已经上升为3 2 英寸。2 0 0 6 年的液晶电视市场上，3 7 英寸应 该是主打产品，4 0 英寸4 2 英寸的上量应该在2 0 0 7 年。 在4 0 4 6 英寸区间的平板电视市场，以等离子电视为主，在2 0 0 5 年的销 售过程中，其出货量超越了背投电视。至少在2 0 0 9 年以前，等离子电视将在4 0 英寸以上大尺寸电视机市场中占主导地位。 至于5 0 英寸以上的电视机，因为到2 0 0 7 年才能提供较大量的5 2 5 4 英寸 t f t l c d 面板，所以等离子电视是目前比较有机会能与背投电视一决高下的显示 技术，其成本低于液晶而略高于微显背投。 目前，商场上已经少见背投电视的踪影，取而代之的是各种型号不同款式的 平板电视。背投真正能发挥性价比优势的地方是5 0 英寸以上市场。在我国，这 一尺寸的电视主要面向金字塔顶端的小量消费人群，市场份额还非常小。因此背 投相比起等离子和液晶的发展速度来说，就相形见绌了。 1 1 3 高清平板电视 高清电视( h d t v ，h i 曲d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 系统是未来将逐步发展起 来的一种广播电视系统。它比目前的电视系统增加了扫描线数，可以欣赏到更清 2 浙江大学硕士论文 晰的画面与更多的细节。目前高清电视有3 种格式，一种是1 0 8 0 i ，另外一种是 7 2 0 p ，还有一种则是1 0 8 0 p 。 1 0 8 0 i 和1 0 8 0 p 每帧视频图像有1 0 8 0 条扫描线，7 2 0 p 每帧视频图像有7 2 0 条扫描线、但1 0 8 0 i 采用隔行扫描模式，每一帧都是通过2 次扫描来完成的，每 次实际扫描线数只有一半即1 0 8 0 2 = 5 4 0 线，分为奇数线和偶数线。1 0 8 0 p 和7 2 0 p 采用的是逐行扫描方式，每帧图像的实际扫描线就是1 0 8 0 线和7 2 0 线。逐行扫 描方式可以解决在隔行扫描中带来的闪烁现象。所以欣赏一些充满大量快速动作 的节目时，7 2 0 p 将比1 0 8 0 i 更合适，它可提供更清晰、更稳定的图像画面；若 欣赏没有太强动作性的节目，则1 0 8 0 i 可提供更细腻的图像。这3 种格式画面的 宽高比都是1 6 ：9 ，只有1 6 ：9 的宽屏才是真正的h d t v 。 要满足高清电视的条件，除了1 6 ：9 的宽屏格式外，还需要有足够的垂直分 辨率，满足电视扫描线的要求。 高清电视是一种同时支持高清输入和高清显示的数字电视，是数字电视 ( d t v ) 标准中最高级的一种。数字电视“1 通常表示图像和音质比模拟电视有所 改善，它是一项全新的有线电视服务，用户通过机顶盒用现有有线电视网络即可 收看数字电视系统播出的数字电视，所以数字电视不等于高清电视。 所谓的完美支持高清是在可以接收数字高清信号的前提下并可以无损还原 显示画面的高清电视，因为高清视频其分辨率至少为7 2 0 p ，最高更可达1 0 8 0 p ， 那么相对应的液晶或者等离子电视也应该要达到此要求才是。由于等离子在目前 的国内消费级市场还没有如此高分辨率的产品销售( 指1 0 8 0 p ) ，因此重要重任 就落在了液晶电视上。而液晶电视能够达到如此高分的产品也是屈指可数。随着 高清越来越走近寻常百姓家中，购买液晶电视也将会开始重视对f u l lh d 系列产 品的选购，而不像以往只是一味得在外观品牌之间游走。 1 2 电视的颜色复现和白平衡 彩色电视图像的复现，是由摄像机先将自然界中的各种颜色按一定比例分解 为相应红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三基色信号，然后在彩色电视中，如实还原三 基色信号所代表的图像，以熏现被摄物的色彩和色调。在色度学上，常以白色为 标准，作为分解、重现颜色的参考。所以在彩色电视系统中，摄像端和显像端都 浙江大学硕士论文 应选择一个基准白色，作为传输彩色图像的参考白色。如果电视屏幕上显示的白 色不等于基准白，在彩色电视颜色复现时就会产生较大的颜色失真，将引起所重 现图像彩色的不真实感“1 。我国彩色广播标准和彩色电视接收机白场色温及其宽 容度标准中，都规定选取d 6 5 白场色温作为分解、传送、重现彩色电视信号的基 准白。d 6 5 ( 色温为6 5 0 0 k ，7 m p c d ，色坐标x 产o 3 1 3 、y 产o 3 2 9 ) 是白昼太阳光的 平均色温，选用d 6 5 作为基准白重现彩色图像的优点是：彩色失真小，重现背景 和肤色较真实，因为图像背景和肤色属于记忆色，略有失真，人眼会立即意识到。 同时，d 6 5 白场重现图像较柔和，视觉疲劳程度小，对人眼刺激较小，特别对保 护儿童的视力有利。 当基准白的色度坐标误差超标时会影响彩色图像的再现，降低图像质量。因 此，要对偏离的白场进行调整使之接近标准白，这就是白平衡调整。彩色电视机 的白平衡调整保证彩色电视机重现不同亮度的彩色图像时色温基本保持不变，不 出现附加颜色。当白平衡调整不好时，重现不同亮度的彩色图像时，会产生色调 畸变。重现不同亮度的黑白图像时，会出现附加颜色。在彩色电视机中，白平衡 调整是指彩色电视接收机在只加亮度信号时，使屏幕呈现基准白色，当用彩色电 视机接收黑白信号时，不论是暗场或亮场，都能重现一幅良好的黑白图像，而不 带任何彩色。 要判断一台彩电的白平衡准确与否，应先将整机彩色调到最小，此时观察画 面上人物的头发、衣服、天空等不同亮暗程度的任何部分，都应该是不带任何彩 色，如同黑白照片般的图像。由于生产中自平衡校调误差的客观存在和不同型号 的显像管性能差异，各电视厂生产的彩电白平衡主观效果差异大，即使是同一牌 子的电视，各型号间也有差异。对于校调准确的彩电，经过一段时间的工作后， 显像管的红、绿、蓝荧光粉的发光亮度以及三基色电予发射比例也会发生变化， 同样会引起白平衡偏色问题，为此必须进行白平衡调整。 白平衡的调整分为暗平衡和亮平衡两个步骤。现有的模拟电视在生产线上实 际的白平衡调整过程为给被调彩色电视机加上半白半黑或全白全黑的白平衡信 号，通过彩色分析仪或白平衡仪测量出亮场和暗场的色坐标相对于标准白场色坐 标的偏差，根据偏差值同时调整五个电位器的大小来改变彩色电视机的截止电压 和激励电压，使彩色电视机在这两个亮度下的白场与标准白场一致，从而保证 4 浙江大学硕士论文 在其它亮度下彩色电视机的白场基本上与基准白的白场一致。数字电视中的白平 衡调整与模拟式彩电的白平衡调整不同。1 ，它不是调整电位器，而是通过1 2 c 总 线将调节数据送给该电视机中的微处理器，微处理器接收到调整数据后，改变相 关控制寄存器的值，从而使内部有关控制器件的输出模拟量大小发生变化，实现 对驱动显像管的r 、g 、b 三枪的电流调节，达到白平衡调整目的。对于液晶电视， 则通过调整r 、g 、b 三枪的驱动电压。1 ，实现白平衡调整。 浙江大学光辐射所在9 0 年代中期研制了面向数字电视的白平衡调整系统。 该系统采用可以由p e 机控制的白平衡信号发生器，使亮度的软件控制和跟踪得 以实现。同时采用i i c 总线输出白平衡调节信号，以与带i i c 总线的数字化彩电 进行接口，开始白平衡自动调整。 1 3 研究平板电视白平衡自动调节系统的重要性 平板电视颜色复现和白平衡调节原理与c r t 电视是一样的，都需要进行自平 衡自动调节。 由于平板电视的发光特性与c r t 电视不同，以液晶电视为例，液晶电视的显 像原理是将液晶置于二片导电玻璃之间，靠两个电极问电场的驱动。引起液晶分 子的扭曲，改变液晶分子取向，从而控制光线的透过，产生明暗的图像。若加上 彩色滤光片，则可产生彩色图像。l c d 电光特性如图1 1 所示。图1 一l 中v 1 是阀值电压，v 2 是饱和电压。电视输入电信号与输出光信号的关系应如图1 2 所示。这种电光曲线，可以保证重现景物的相对灰度级。比较图1 1 和图l 一2 ， 可以看出，l c d 的电光特性与电视的电光特性有很大差异，不能保证重现景物的 相对灰度级。另一方面，液晶显示器不能保证三种基色具有相同的电光转换曲线。 当输入信号为不同亮度的白信号时，输出信号的色坐标将随亮度变化而变化，出 现白平衡误差。液晶电视光色特性的不足，会影响液晶电视的观看效果。 因此，除了研究并不断提高液晶电视显示器件本身特性之外，液晶电视在生 产过程中通过对光色性能的检测和调整，达到最优的光色性能也是非常重要和必 须的。 浙江大学硕士论文 驱动电压 图1 1l c d 电光特性示意图 图1 2 电视电光特性示意图 要对液晶电视的光色特性加以校正，必须依靠精确的仪器设备。利用先进的 设备，对液晶电视的光电特性进行测量及自动调整，以改善液晶电视的光色显示 特性。 平板电视光色性能检测设备，国外主要产品为日本美达能公司生产的c a 系 列彩色分析仪。彩色分析仪的主要作用为测量电视机的色品坐标和亮度。c a 一1 0 0 彩色分析仪主要用于测量c r t 彩电和p d p 彩电。c a 一2 1 0 主要用于测量l c d 彩电 及背投彩电。c a 系列彩色分析仪性能稳定，测量结果可靠。但仪器不包括调整 光色性能所需的信号源和自动调整分析软硬件。彩电生产厂家还必须购买昂贵的 信号源，开发自己的调整分析软硬件才能工作。由于测量l c d 彩电采用c a - 2 1 0 彩色分析仪，测量p d p 彩电使用c a 一1 0 0 彩色分析仪，两种仪器不能兼容。相同 工位上需放置两台彩色分析仪，造成测量仪器的浪费，且价格较高。 平板电视可以接收模拟和数字信号。接收不同电视信号，由于处理电路的不 同，平板电视的光色特性会随输入信号种类的变化而有差异。为了保证最佳的光 色显示特性，在不同的信号下，需调整电路参数，以保证颜色复现的一致性、鲜 艳性及真实性。 一m 透过率 浙江大学硕士论文 目前，供平板电视调试用的信号源，主要分成三大类：模拟信号源、数字信 号源、混合信号源。混合信号源同时具有模拟信号和数字信号。这些信号源不仅 提供光色检测及调试信号，还提供几何图像、伴音等检测信号。进口的混合信号 源，虽然功能齐全，但价格昂贵。这些信号源主要用于目视比较彩电的光色性能。 为方便目视比较，信号源的图案设计得非常复杂，对电路要求也比较高。而使用 仪器进行光色测试及自动调整，只需亮度可控制的灰色信号。如果使用以上的信 号源，则造成较大的浪费。 开发适应仪器进行光色检测及自动调试用的混合信号源，不仅可以方便仪器 进行光色检测及自动调试，还可节约购买各种信号源的成本。 彩色分析仪国内只有浙江大学光电系一家研制。其研制的c m 一7 彩色分析仪 性能同c a 一1 0 0 彩色分析仪。但c m 一7 彩色分析仪只能测量c r t 、p d p 彩电，不能 测量l c d 彩电。同时，c m 系列白平衡自动调整系统由于没有混合信号源，不能 对平板电视，只能对c r t 彩电进行光色参数的自动调整。因此，目前还没有一种 彩色分析仪可以在生产线上同时测量c r t 、l c d 、p d p 彩电。也没有一种光色自动 调整系统，可以在生产线上同时调整c r t 、l c d 、p d p 彩电的光色参数。 因此，研究平板电视光色性能自动测量系统，对改善平板电视的光色特性， 提高平板电视产品的竞争能力是非常重要和必需的。 浙江大学硕士论文 第二章项目研究的关键问题和解决的原理方法 2 1 液晶电视的发光特性及其白平衡调整 2 1 1 液晶电视的发光特性 液晶。1 是一种既具有晶体性质，又具液体性质的物质，其在一定温度范围内 可在晶态、液态、液晶态、气态这四个相态之间互相转化。一般可分热致液晶和 溶致液晶两类，在显示应用领域，使用的是热致液晶。液晶本身不发光，工作性 质受温度的影响很大，其工作温度范围为一5 5 7 7 。液晶具有电光效应，即 在电场的作用下，液晶分子有规则的排列受到破坏，液晶的透光率和反射率发生 变化，使照射液晶的外界光发生散射，从而能产生具有不同灰度层次和各种颜色 的图像。利用液晶的电光效应研制成功的液晶显示器已广泛应用于各个领域。 2 1 1 1 常见液晶显示器件类型 常见的液晶显示器按物理结构分为四种： ( 1 ) 扭曲向歹0 型( t n t w i s t e dn e m a t i c ) ； ( 2 ) 超扭曲向列型( s t n s u p e rt n ) ； ( 3 ) 双层超扭曲向列型( d s t n d u a ls c a nt o r t u o s i t yn o m o g r a p h ) ； ( 4 ) 薄膜晶体管裂( t f t t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) 。 1 t n 型采用的是液晶显示器中最基本的显示技术，而之后其它种类的液晶 显示器也是以t n 型为基础来进行改良。而且，它的运作原理也较其它技术来的 简单。将涂有透明导电层的两片玻璃基板间夹上一层正介电导向性液晶，液晶分 子沿玻璃表面平行排列，排列方向在上下玻璃之间连续扭转9 0 。然后上下各 加一偏光片，底面加上反光片，基本构成了t n 型液晶。 2 s t n 型的显示原理与t n 相类似。不同的是，t n 扭转式向列场效应的液 晶分子是将入射光旋转9 0 度，而s t n 超扭转式向列场效应是将入射光旋转1 8 0 2 7 0 度。其特点是电光响应曲线更好，可以适应更多的行列驱动。 t n 或s t n 型液晶，一般是对液晶盒施加电压，达到一定电压值，对行和列 进行选择，出现“显示”现象，所以行列数越多，要求驱动电压越高，因此，往 往t n 或s t n 型液晶要求有较高的正极性驱动电压或较低的负极性电压，也因此， 浙江大学硕士论文 t n 和s t n 型液晶难以做成高分辨率的液晶模块。 3 d s t n 是通过双扫描方式来扫描扭曲向列型液晶显示屏，从而达到完成显 示目的。d s t n 是由超扭曲向列型显示器( s t n ) 发展而来的。由于d s t n 采用双 扫描技术，因此显示效果相对s t n 来说，有大幅度提高。 4 t f t 型的液晶显示器较为复杂，主要是由：萤光管、导光板、偏光板、 滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等构成。首先，液晶显 示器必须先利用背光源，也就是萤光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏 光板然后再经过液晶。这时液晶分子的排列方式就会改变穿透液晶的光线角度， 然后这些光线还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改 变加在液晶上的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，这样就能在液晶 面板上变化出有不同色调的颜色组合。 t n 由于无法显示细腻的字符，通常应用在电子表、计算器上。作为显示器 t n 系列的液晶显示器己基本被淘汰，s t n 由于扭转角度较大，字符显示比t n 细 腻，同时也支持基本的彩色显示，多用于液晶电视、摄像机的液晶显示器、掌上 游戏机等。而d s t n 和t ”则被广泛制作成液晶显示设备，d s t n 液晶显示屏多用 于早期的笔记本电脑，由于支持的彩色数有限，所以也称为伪彩显。t f t 则既应 用在笔记本电脑上，又进入主流台式显示器市场。 2 1 1 2 液晶电视的发光特陛 1 亮度和对比度 l c d 光电特性示意图如图1 1 所示，由图可以看出：当外加电压小于v 1 或 大于v 2 时，透光率几乎没有变化，只有在v l 与v 2 之间能够用于图像显示。激 励信号与透光率存在非线性关系，这使得电信号处理不能保证在曲线的非线性区 域始终重现景物的相对灰度级，也不能保证三种基色具有相同的电光转换曲线。 因而，液晶显示器在不同亮度条件时的亮度对比度、各基色量的对比度是很重要 的参数，同时，亮度的均匀性也非常重要，亮度均匀与否，和背光源与反光镜的 数量与配置方式息息相关。l c d 显示器的最大亮度通常由冷阴极射线管( 背光源) 来决定，在较强的环境光照下，如果显示器亮度不够，画面就会晦暗而缺乏层次， 甚至细节难以看清。如果要在较强的环境光线下达到较好的显示效果，至少要 9 浙江大学硕士论文 3 0 0 尼特( c d m 2 ) ，最好能达到4 0 0 一5 0 0 尼特。 目前提高亮度的方法有两种，一种是提高l c d 面板的光通过率；另一种就是 增加背景灯光的亮度，即增加灯管数量。 2 可视角度 可视角度是指用户可以从不同的方向清晰地观察屏幕上所有内容的角度。由 于提供l c d 显示器显示的光源经折射和反射后输出时已有一定的方向性，各个方 向上的亮度不同，使得使用者从不同的角度去看画面时会有所变化，超出某一范 围观看就会产生色彩失真现象。 目前市场上出售的l c d 显示器的可视角度都是左右对称的，但上下就不一定 对称了，常常是上下角度小于左右角度。当我们说可视角是左右8 0 度时，表示 站在始于屏幕法线( 就是显示器正中间的假想线) 8 0 度的位置时仍可清晰看见 屏幕图像。视角越大，观看的角度越好，l c d 显示器也就更具有适用性。 由于每个人的视力不同，因此我们以对比度为准，在最大可视角度时所测量 到的对比度越大就越好。目前市场上大多数产品的可视角度在1 2 0 度以上，部分 产品达到了1 4 0 度以上。 3 响应时间 响应时间是液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即像素由暗转亮或 由亮转暗所需要的时间。液晶分子每一种稳定的状态都对应着一定的电压。当在 电极上加电压时，液晶分子不是即时转动到目标状态，而是在一定的响应时间之 后才能达到这个状态，电压越高，分子转动的速度越快。不同灰阶对应电压的不 同，分子需要转过的角度也不同，这就造成了不同灰阶转换的响应时间千差万别 “。响应时间慢，在显示动态画面时就会产生拖尾现象。 随着液晶显示技术的发展，响应时间变得越来越短，特别是目前的广视角技 术都包含同时降低响应时间的技术，比如m v a p r e m i u m 中的特殊电极、0 c b 技术 中特殊的分子排列方式等等。目前常用的有过驱动技术和黑屏插入技术。 过驱动技术是通过驱动电压的调整来实现的。在采用过驱动技术的显示器 中，施加的驱动电压在起始的时候稍高于目标状态的对应电压，使得液晶分子转 动的速度更快，在到达目标状态时，电压再回落至目标状态的对应电压以保持状 态，这样就有效缩短了反应时间，而且使不同灰阶切换的响应时间平均化。 1 0 浙江大学硕士论文 黑屏插入技术是通过在每个图像帧之间插入黑色帧，可以产生与c r t 相似的 快速脉冲调制效应。入脑可以滤除这种闪烁并自动产生中间图像。 此外，通过对背光进行脉冲调制的背光扫描技术也可以达到很好的效果。目 前的趋势是将这几种快速响应技术结合使用，以获得更短的灰阶响应时间。 2 1 2 液晶电视的白平衡调整 液晶电视的白平衡调整是通过通信线将调整数据发送给电视机中的微处理 器，微处理器接收到调整数据后，改变相关控制寄存器的值，从而使内部有关控 制器件的模拟输出量的大小发生变化，改变r 、g 、b 三个驱动电压的值，使r g b 三基色的三条光电转换曲线重合，从而达到白平衡。 以韩国公司的z i p r o s x 芯片组为例，z i p r o s x 芯片内部结构如图2 1 所示。 图2 1z i p r o s x 芯片内部结构图 z i p r o s x 芯片不仅能接受v i d e o 信号，还能接受r g b 或者y u v 信号输入。并 且能以r g b 信号的方式输出信号。z i p r o s x 芯片中b r i g h t n e s s c o n t r a s t 模块就 是白平衡控制的主要器件，它在g a m m a 校正模块的前面，主要包括了红绿蓝的对 比度控制寄存器和亮度控制寄存器共六个控制寄存器。r g b 信号的调整公式如下 所示： 浙江大学硕士论文 r o u t = r c o n t r a s t 十b r i g h t n e s s g o u t = g c o n t r a s t + b r i g h t n e s s b o u t = b c o n t r a s t + b r i g h t n e s s 在调整过程中，可以通过修改对比度和亮度的数值来达到调整r g b 输出，再 通过i i c 总线或r s 一2 3 2 串口修改e e p r 蹴中亮暗场红绿蓝六个地址内的值，就 能达到白平衡调整的目的。 2 2 平板电视颜色的测量和处理 2 2 1 颜色测量的基本原理 在我们周围，各种各样的物质都具有一定的颜色，不同颜色的各种物质，组 成了这五彩缤纷的大千世界，美化了人类的生活。为了研究人眼的颜色感觉机理， 研究对颜色的测量计算等问题，需要利用广泛的知识，如物理学、心理学、光谱 学、生理学，同时也需要大量的现代化仪器对其进行检测。从生理学、心理学对 人眼的视觉生理和视觉心里等的研究表明：颜色是由于各种光谱能量对人的视觉 系统的刺激而引起的感觉。而色度学则是研究颜色视觉机理、颜色测量的一门科 学。 任何一种颜色都可以用亮度、色饱和度、色调描述，通常把色饱和度、色调 称为色度。为了描述各种颜色，必须测量出它的亮度和色度坐标。亮度表示颜色 的明亮程度，色度可以用1 9 3 1c i e x y z 系统的两个坐标标定。亮度测量就是 测量出物体的亮度y ，色度测量就是设法测出它的色品坐标x ，y 值。 在颜色钡l 量中，首要的任务是测定色刺激值函数妒( a ) ：如果要测量的是光 源色，实际上是要测定被测光源的相对光谱功率分布只( a ) ；如果要测量的是物 体色，则是测定物体的光度特性，如：光谱透射比f ( 五) ( 对于透射物体) 、光谱 反射比p ( 旯) ( 对于反射物体) 、光谱辐亮度系数卢( a ) 。有了这些参数，再根据 1 9 3 l c i e x y z 标准色度观察者光谱三刺激值函数就可由色度学的三个基本方程 式求得颜色的三刺激值x 、y 和z 为 打r 0 一 j = 七| 8 0 妒( a ) x ( 五) d 丑 1 2 浙江大学硕士论文 一8 0 一 】，= 七1 8 0 伊( 五) y ( a ) d 五 ( 2 1 ) ，7 曲 一 z = 七j s op ( 五) 三( 五) d 丑 其中，；( 五) ，歹( a ) ，i ( 兄) 是c i e 标准色度观察者光谱三刺激值函数“”o ”。其图 形如图2 2 所示。 1o 卞 - l j ，j ( ) 厂乃f f砹_心 图2 2c i e l 9 3 1 标准人眼三刺激值曲线 得到了颜色三刺激值之后，就可以由下式求出该颜色在c i e 色度坐标系统中 的色品坐标值： 盖 x = 一 x + y + z y ( 2 2 ) y 2 i 而 刺激值y 被定义为被测目标的亮度“。 颜色测量一般有以下三种方法：目视法、分光光度法和光电积分法( 三刺激 值法) 。 目视法虽是一种古老的方法，但却是最基本的色度测量方法。这种测量方法 需要用目视比较，同时测量结果中还包含着人为的因素，也比较麻烦，所以现在 很少使用。 分光光度法测量从测定物体的基本光度特性着手，测量物体的反射光谱功率 分布或物体本身的光度特性，然后再由这些光谱测量数据以及c i e 标准色度观察 者光谱三刺激值- ( a ) ，歹( 旯) ，：( 丑) ，通过式( 2 1 ) 计算而得到物体在各种标准 浙江大学硕士论文 光源和标准照明体下的三刺激值。这种方法可以获得很高的精度，但由于需要光 谱扫描，因此所需时间长，数据处理量大，系统要配备结构复杂的分光元件，体 积庞大且对工作环境要求高。 光电积分法是通过把探测器的光谱响应匹配成所需要的c i e 标准色度观察 者光谱三刺激值曲线，或菜一特定的光谱响应曲线，来对被测量的光谱功率进行 积分测量。它不像分光光度法测量一次仅测量某一波长的色刺激。而是在整个测 量波长范围内进行一次积分测量。它的特点是速度快，因为它不必象分光光度法 那样先测光谱分布，也省掉了在整个可见光谱范围内的大量积分计算。而且只要 光探测器的匹配精度足够好，那么光电积分法也是具有相当的测量精度的。 在选用光电积分法测量颜色时，必须把探测器的相对光谱灵敏度s ( a ) 修正 成国际照明委员会推荐的标准色度观察者光谱三刺激值x ( a ) ，y ( 名) ，z ( 五) ，那 么用这样的三个光探测器接受光刺激时，就能用一次积分测量出目标的三刺激值 x 、y 、z 。可以写出如下三个方程式： z = 后1 8 0p ( a ) x ( a ) d a 2 q j 妒( 五) s ( a ) ( 丑) d 名 y = i e 妒( 五) 歹( 旯) d 五= o p ( ) s ( 五) o ( 五) d 五 ( 2 3 ) 一蚰 一 ， z = i 1 8 0 妒( ) z ( 五) d 25 乞j 妒( a ) s ( a ) t ( 丑) d 咒 式中，k 和q 、q 、q 是常数；t ( 兄) 、0 ( a ) 、t ( 五) 为覆盖的色玻璃的光谱透 射比，可以简单的写成： x ( ) = o ( ) s ( 五) y ( 五) = f 。( 2 ) s ( a ) z ( z ) = f ：s ( 2 ) 础) = 器 硝炉器 c z 叫， f ( 舢：三盟 s ( 式( 2 4 ) 称为卢瑟条件。为实现光电积分测色，需要寻找合适的色玻璃以满足 式( 2 4 ) 的要求。我们用全滤色片法和部分滤色片法就可以近似满足上述要求。 由于；( 兄) 具有两个峰值波长，给x 探测器的匹配带来很大困难，在色度测 1 4 浙江大学硕士论文 量中一般将；( a ) 曲线分成i ( 五) 和_ ( a ) 两部分，如图2 3 所示。 1 o o 5 4 0 05 0 06 0 07 0 0 图2 3 x ( z ) 的长波和短波部分 通常假设_ ( a ) 和；( 五) 的形状相似。x 的总刺激值为 x = x r + x b = xr + c z ( 2 5 ) 其中， c = 鲁= 甓鬻 ( 2 6 ) 不同型号，不同色温的平板电视机的光谱功率分布( a ) 是不同的，因此c 值也不同。 2 2 2 平板电视颜色测量与处理 由于l c d 电视目前的发光特性在各个方向上存在较大差异，亮度随着发光 视角的增大而减小，详见2 1 所述，因此探测器必须能测量某一视场角下l c d 电视的颜色。探测器采用如图2 4 所示的结构，就能正确的测量不同方向上l c d 电视的颜色。与c r t 探测器不同的是，此探测器加入了成像系统。 浙江大学硕士论文 l m 板 电 视 图2 4 探测器结构 成像系统将一定面积上某一方向一定视场角下的光成像于色度传感器上， 成像系统在设计时，要求物距l 应尽可能小。由于物距l 的存在l c d 不可能进行 接触测量，此探测器在测量的时候，当物距l 在一定范围内变化时，到达色度传 感器的能量不变，使得测量结果在一定的测量范围内，不随物距l 的变化而变化。 平板电视机颜色测量采用光电积分法。由上述原理可知，用经过匹配的三 个光探测器可以一次测量出被测目标的三刺激值x 、y 、z 。我们选用色度型探头， 用硅光电池来测量。光电探测器采用具有高分流电阻的硅光电池，其光谱响应被 匹配成x ( 五) 、y ( 五) 、z ( 五) ，硅光电池在零偏置时，输出电流与光照成线性关系。 经电流一电压转换后，此电压经放大器放大，a d 转换，便得到了与三刺激值成 正比的数字量。由它可进一步计算出色坐标的值。 将三个探测器的光谱响应分别匹配成茸( 五) 、y ( 五) 、z ( z ) 曲线，这便于匹 配设计，并有良好的实用效果。 由于探测器的光谱响应曲线与c i e l 9 3 l 光谱三刺激值曲线存在一定的差 异，如x 探测器只能探测出( z ) 部分的曲线，而没有( 丑) 部分。为了克服这些 差异带来的测量误差，必须对测量电路进行定标。 一般先在a 光源的条件下定标。根据c i e l 9 3 1 色度系统，在a 光源下，三 个探测器的输出比例关系为： x 。：】，：z = 1 0 4 4 6 ：1 0 0 o o ：3 5 5 8 ( c i e l 9 3 1 系统) ( 2 7 ) 根据这个关系对仪器的x y z 三个通道进行比例校正。也就是调整三个通道 的放大器的放大倍数，使之满足比例关系。这是对硬件电路进行必要的调整。 浙江大学硕士论文 而x 的总刺激值为： x = 墨+ 五= 五十0 1 5 1 z ( 2 8 ) 上式中常数0 1 5 1 根据a 光源的光谱功率分布由式( 2 6 ) 计算得到。 如果a 光源的亮度l = 1 0 0 c d r ，调节相应的置、y 、z 通道，使输出值 符合式( 2 7 ) 的比值，a 光源校正完毕。 在对其它色温的目标( 如不同色温的彩电) 进行实际测量前，还必须进行 下面的修正过程( 标准定标) 才能达到实测时的精度。这时主要利用微机的软件 功能得到相应的修正系数，从而实现对要求色温下目标的精确测量。 设仪器对a 光源定标结束后，其对被测目标的三个通道输出为月，、g 、丑， 由于匹配不完善，存在修正系数c 、g 、q ，则被测目标的三刺激值应为： x = c ，q + c h b j r = g( 2 9 ) z = c b b 为了得到c ，、g 、q ，需要有一个与被测目标接近的标准白光源，其色坐 标为x 。、y 。，把仪器的探测器对准标准光源，并进行测量，存在如下关系方程 墨：g ：生q 鱼：堡：亟 g og 0儿 盔：旦丛：鱼 g og 0 益：旦盘：c z 。c b - 氐 ( 2 1 0 ) 式中，、g o 、z o 、五。为标准光源的三刺激值，b 。、g 0 、岛为仪器的 测量值。c 为标准白光源由式( 2 6 ) 确定的系数。由式( 2 1 0 ) 进一步可得： e = 击( 一c z 0 ) g = c 熹鼍 c z 叫d 浙江大学硕士论文 q = c 蠹鼍 仪器对准标准光源实测得耳”g 0 、岛后，微机利用定标软件按照式( 2 1 1 ) 立即计算出修正系数q 、g 、q ，并存入计算机。在以后的实际测量中， 仪器便能自动调用这组参数来修正测量值，从而由式( 2 9 ) 得到被测目标的三 刺激值x 、y 、z 。通过修正系数加权计算后的x 、y 、z 三刺激值具有较高的精度， 同时有效地消除了在硬件定标时产生的误差和探测器的光谱匹配误差。所以，这 也是提高光电积分式色度仪测量精度的一种可行方法。 2 3 白平衡信号源的产生 随着科技水平的提高，电视机的后背提供了越来越多的视频接口，以满足各 种需求人群的需要。目前，常用的接口有a v 、v g a 、d v i 、y p b p r 这四种。不同的 接口对应着不同的信号源，而不同的源，其白平衡的色品坐标和亮度值也有区别。 因此，需要对这几种信号源逐一进行白平衡调整。下面逐一对这四种信号源及其 接口进行介绍，并提出了白平衡自动调节系统中，这四种信号源产生的方法。 2 3 1 视频信号源的种类 1 a v 信号 a v 信号包括n t s c 制式和p a l 制式。简单的说，n t s c 和p a l 属于全球两大主 要的电视广播制式，但是由于系统投射颜色影像的频率而有所不同。n t s c ( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e m c o 册i t t e e ) 是美国全国电视标准委员会的缩写， 其标准主要应用于日本、美国、加拿大、墨西哥等等，p a l 则是p h a s ea 1 t e r n a t i n g l i n e 的缩写，表示逐行倒相，其主要应用于中国、香港、中东地区和欧洲一带， 这两种制式是不能互相兼容的。 n t s c 电视全屏图像的每一帧有5 2 5 条水平线。这些线是从左到右从上到下 排列的。每隔一条线是跳跃的。所以每一个完整的帧需要扫描两次屏幕：第一次 扫描是奇数线，另一次扫描是偶数线。每次半帧屏幕扫描需要大约1 6 0 秒；整 帧扫描需要1 3 0 秒。这种隔行扫描系统也叫i n t e r l a c i n g ( 也是隔行扫描的意 浙江大学硕士论文 思) 。适配器可以把n t s c 信号转换成为计算机能够识别的数字信号。相反地还有 种设备能把计算机视频转成n t s c 信号。能把电视接收器当成计算机显示器那样 使用。但是由于通用电视接收器的分辨率要比一台普通显示器低，所以即使电视 屏幕再大也不能适应所有的计算机程序。 p a l 格