LED显示屏逐点校正精度探讨.doc

7 LED显示屏逐点校正精度探讨韩周1，袁胜春1，杨城1摘要：LED显示屏逐点校正技术的关键在于高效精确的亮色度测量方式，而评价亮色度测量方式优劣的标准最终取决于人眼，所以本文首先通过理论和实验分析了人眼视觉精度，从而论证了基于设备的逐点校正测量方式的精度均低于人眼视觉精度。目前，在对同一生产批次LED显示屏的逐点校正中，彩色数码相机和工业相机的测量精度并没有本质区别，均能满足逐点校正领域的要求，但对于多生产批次LED显示屏逐点校正，现有设备的测量精度均不能满足要求，所以LED显示屏逐点校正技术中的亮色度测量精度还有待于进一步提升，以彻底解决LED显示屏行业内的多批次问题。关键词：LED显示屏，逐点校正，人眼视觉中图分类号：TN312+.8; TN873+.92 文献标识码：AABSTRACT: The key to the LED display calibration by pixel is the efficient and accurate way which measures the degree of brightness and chromaticity, however, the standard of evaluating that way depends on human eye. So this essay analyzes the human visual accuracy through theory and experiment, which demonstrates the precision of pixel by pixel calibration based measurement equipment is lower than the human eye. At present, when calibrating the LED display which is on the same production batch, there is no essential difference between the color digital camera and industrial camera, both of them can meet the requirements of the calibration in pixel by pixel level. But for multiple batches LED display calibration, measurement accuracy of the existing equipment cannot meet the requirements, so the measurement accuracy of brightness and chromaticity in the LED display calibration technology needs to be further improved, in order to solve the problem of multiple batches of LED display industry.Keywords: LED display, Pixel by pixel calibration, Human visual1.引言LED显示屏色彩鲜艳、可视性高、功耗小且环保节能，已应用于城市广场、商业中心等众多场合。随着工业技术的发展，人们对LED显示屏的显示效果也有了更高要求，然而由于国内制造工艺水平有限，使得LED灯自身差异性比较大，从而导致LED显示屏亮色度不能达到高度均匀一致性，所以目前LED显示屏仍然维持着按单生产的模式。LED显示屏逐点校正系统利用测量设备逐点采集LED亮色度值，并通过调节LED发光强度来改善显示屏亮色度均匀性【1】。LED显示屏逐点校正技术的关键在于高效精确的亮色度测量方式，而目前校正行业内主要有基于分光型色度仪、工业相机、彩色数码相机等几种设备的测量方式，这些测量设备的精度和效率各有优劣。考虑到LED显示屏最终使用对象是人，而且基于这些测量设备的显示屏逐点校正效果也需要由人眼视觉来评判，所以本文首先通过理论和实验分析了人眼视觉精度，阐述了现有设备的亮色度测量精度均不能完全满足逐点校正领域的要求，随后本文针对目前校正行业中的测量设备精度和效率做出对比分析，指出并论证了目前更具优势的LED显示屏逐点校正测量方式，为LED显示屏非均匀性校正行业提供了实用的参考价值。2.人眼视觉精度LED显示屏逐点校正的效果取决于人眼，因此首先有必要分析研究人眼视觉系统的精度，从而为后续分析基于设备的逐点校正测量方式的精度奠定基础。人眼对比敏感度函数曲线【2】(Contrast Sensitivity Function)描述了人眼恰能鉴别出时间或空间上两相邻视觉信号差别的能力。文献2中的对比敏感度曲线表明，人眼感知亮度精度的理论阈值约0.15%，也就是说人眼最高能分辨出LED显示屏约0.15%的亮度差异。此外，通过实验分析人眼视觉敏感性的过程如下：1）测试人员：10位显示屏从业人员，视觉正常；2）实验设备：某品牌分辨率768*256的P6全彩LED显示屏；3）实验环境：暗室；4）观测位置：位于屏幕中心法线的上下夹角小于30度、左右夹角小于60度，与LED屏平行直线距离屏幕6米；5）实验步骤：第一，对LED显示屏进行亮度校正使屏体亮度均匀一致，亮度调节过程中使用色度计测量控制屏体亮度和色温保持在合理范围内；第二，将LED屏体均分成左右两部分(各部分的分辨率384*256)，分别保持左边屏体亮度30cd/m2、150cd/m2、500cd/m2并记录左边屏体灰度值(如表1中灰度1数值)，然后以1个灰度级的改变量不断调节右边屏体的显示灰度(如表1中灰度2数值)，直至测试人员观察到左右两部分屏体亮度差异为止；第三，选取LED屏体中心位置32*32区域，分别保持该区域周围亮度30cd/m2、150cd/m2、500cd/m2并记录灰度值(如表1中灰度1数值)，然后以1个灰度级的改变量不断调节该区域的显示灰度(如表1中灰度2数值)，直至测试人员观察到两部分区域屏体亮度差异为止；第四，选取LED屏体中心位置3*3区域，分别保持该区域周围亮度30cd/m2、150cd/m2、500cd/m2并记录灰度值(如表1中灰度1数值)，然后以1个灰度级的改变量不断调节该区域的显示灰度(如表1中灰度2数值)，直至测试人员观察到两部分区域屏体亮度差异为止。表1 人眼视觉敏感性分析实验数据面积384*25632*323*3亮度301505003015050030150500灰度1250250250250250250100200255灰度224724724524524524490186238差异1.2%1.2%2%2%2%2.4%10%7%6.7% 从表1数据看出，人眼视觉敏感性的亮度阈值为1.2%，而且人眼视觉系统对于不同亮度差异面积的分辨能力不同，随着显示屏亮度差异面积不断增大，人眼识别精度会不断提高。综上，理论和实验两方面数据都表明人眼对鉴别LED显示屏亮度差异具有较高视觉精度。3.测量设备精度 LED显示屏逐点校正的测量设备主要有分光型色度仪、工业相机、彩色数码相机等，以下分别分析这些测量设备的精度。 1）分光型色度仪分光型色度仪又称为色彩分光辐射亮度计，其亮色度测量原理：点光源发出复合光进入分光辐射亮度计镜头，其前端的分光光栅将复合光分解为不同波长的相对光谱，再离散到线阵CCD感光元上，而线阵CCD数目足够多，能够以离散的形式比较完整地采集待测光的相对光谱分布值，后端微处理器利用相对光谱分布值计算出CIE-XYZ值输出，所以分光辐射亮度计能够相对准确地采集点光源亮色度值。分光辐射亮度计的测量原理【3】如图1：图1 分光型测量原理分光辐射亮度计一般为国外进口，而且产品出厂后都在计量局用标准A光源标定过，所以能够很好的符合CIE标准。美能达CS2000是一款高精度的色彩分光辐射亮度计，其亮度测量精度为2%，色度测量精度为0.0015。从精度数据可看出，其测量精度要比人眼视觉精度低，所以它并不能完全满足LED显示屏逐点校正的要求。2）工业相机工业相机可分为带XYZ分光滤色片和不带XYZ分光滤色片两种，其中带XYZ分光滤色片的工业相机的亮色度测量精度相对较高，其亮色度测量原理：面光源发出复合光进入工业相机镜头，其前端配备的XYZ滤色片可直接将复合光分解为XYZ三通道单色光，再离散到面阵CCD感光元上，XYZ三通道单色光经后端微处理器计算出CIE-XYZ值输出。带XYZ滤色片的工业相机测量原理【3】如图2：图2 XYZ三刺激值法测量原理带XYZ滤色片的工业相机由于其CCD感光元数目相对较多，甚至能达到上万个，所以单次能够采集LED的数量庞大，但是这要求其XYZ滤色片的测量值尽可能接近或完全匹配CIE-XYZ标准，而高精度XYZ滤色片制作工艺复杂，所以其价格相当昂贵。另外最重要的一点是：尽管工业相机单次采集LED数目庞大，在一定程度上能够解决LED显示屏逐点校正技术中的效率问题，但是单颗LED所能占有的CCD感光元并不会太多，故其亮色度测量精度要稍低于分光辐射亮度计。工业相机制冷机制是指消除由于相机长时间工作导致温度升高所产生的暗电流对图像数据的影响，由暗电流随温度变化曲线(如图3)可知，暗电流只有到零下23摄氏度才能趋于平稳，而工业相机只能到1摄氏度左右，所以说只能是有所改善并不能完全消除。图3 暗电流随温度变化曲线对LED显示屏逐点校正来说，不带XYZ滤色片就没有价值，而即使配备XYZ滤色片，其测量精度也要稍低于分光型测量设备，更低于人眼视觉精度，所以工业相机也不能完全满足LED显示屏逐点校正的要求。 3）彩色数码相机彩色数码相机测量机理与工业相机类似，都是基于CCD感光元的测量方式【4】，测量过程如图4所示：图4 基于CCD的相机测量过程彩色数码相机测量原理：面光源发出复合光进入彩色数码相机镜头，其前端配备的Bayer滤色片(如图5)能够将复合光分解为RGB三通道单色光，再离散到面阵CCD感光元上，RGB三通道单色光经后端微处理器计算出相对RGB值输出。图5 Bayer滤色片彩色数码相机的面阵CCD感光元数目与工业相机CCD感光元数目相当，所以单次可采集LED数目与工业相机相当，但是彩色数码相机自带的Bayer滤色片精度不如工业相机的XYZ滤色片，而且Bayer滤色片测量值是相对值，基于RGB色彩空间但并非严格符合CIE-RGB标准，故彩色数码相机的测量精度要低于带XYZ滤色片的工业相机，也更低于人眼视觉精度，无法完全满足LED显示屏逐点校正的要求。彩色数码相机的Bayer滤色片相比工业相机的XYZ滤光片制作工艺相对较易，而且彩色数码相机已民用生产化，所以其价格要远低于基于XYZ滤色片的工业相机。如果要将彩色数码相机应用于LED显示屏逐点校正，必须配有较好的修正算法，使相机测量值尽可能的接近CIE-XYZ标准。4.逐点校正从前面分析可知，现有测量设备的亮色度测量精度均无法完全满足LED显示屏逐点校正的要求，然而针对目前LED显示屏校正行业存在的单批次均匀性和多批次均匀性问题，业内可以采取不同措施进行改善处理。 1）单批次校正单批次LED显示屏是指LED灯从产品设计、材料加工、焊接、组装等一系列过程都是同一生产批次生产出来的。单批次LED自身相对光谱分布差异较小，亮色度差异主要包括如亮暗块、色斑等均匀性问题。目前，LED显示屏逐点校正行业针对单批次LED显示屏主要有两种校正方式：一是使用带XYZ滤色片的工业相机，二是使用带Bayer滤色片的彩色数码相机配上较好的修正算法。对于单批次LED显示屏来说，工业相机和彩色数码相机两种测量方式并没有本质区别，而且逐点校正效果也旗鼓相当，均能解决LED显示屏亮色度均匀性问题，但是彩色数码相机的性价比要远高于工业相机。2）多批次校正多批次LED显示屏是指LED灯设计、生产、加工、组装过程并非同一生产批次生产出来的。多批次LED自身相对光谱分布差异较大，直接拼接使用存在最主要的问题是批次间的亮色度差异。目前，LED显示屏逐点校正行业针对多批次LED显示屏主要的校正方式有：一是使用带XYZ滤色片的工业相机，二是使用色度计和带Bayer滤色片的彩色数码相机配上较好的修正算法，也就是利用彩色数码相机和修正算法来消除同批次LED灯点间的均匀性差异，而利用高精度分光型色度仪来改善批次间的亮色度差异。5.结论实质上，LED显示屏的多批次问题一直是逐点校正行业上的一大难题，现有测量设备的精度都不如人眼视觉精度，都无法完全满足LED显示屏逐点校正行业的要求，所以LED显示屏逐点校正技术中的亮色度测量精度还有待于进一步提升。不过就目前而言，利用分光型测量设备和彩色数码相机相结合的测量方式的校正效果要优于工业相机，而且性价比高，所以具有广阔的应用优势和前景。参考文献1 杨城.基于彩色相机的LED色度测量方法研究D.陕西 西安电子科技大学.2010. 1(1):1-4.2 Barten PGJ. Contrast sen