LED顯示屏逐點校正精度探討

1、 LED顯示屏逐點校正精度探討韓周1,袁勝春1,楊城1摘要:LED顯示屏逐點校正技術的關鍵在于高效精確的亮色度測量方式,而評價亮色度測量方式優(yōu)劣的標準最終取決于人眼,所以本文首先通過理論和實驗分析了人眼視覺精度,從而論證了基于設備的逐點校正測量方式的精度均低于人眼視覺精度。目前,在對同一生產批次LED顯示屏的逐點校正中,彩色數(shù)碼相機和工業(yè)相機的測量精度并沒有本質區(qū)別,均能滿足逐點校正領域的要求,但對于多生產批次LED顯示屏逐點校正,現(xiàn)有設備的測量精度均不能滿足要求,所以LED顯示屏逐點校正技術中的亮色度測量精度還有待于進一步提升,以徹底解決LED顯示屏行業(yè)內的多批次問題。關鍵詞:LED顯示屏,

2、逐點校正,人眼視覺中圖分類號:TN312+.8; TN873+.92 文獻標識碼: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 a

3、ccuracy 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 digita

4、l 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

5、 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顯示屏色彩鮮艷、可視性高、功耗小且環(huán)保節(jié)能,已應用于城市廣場、商業(yè)中心等眾多場合。隨著工業(yè)技術的發(fā)展,人們對LED顯示屏的顯示效果也有了更高要求,然而由于 國內制造工

6、藝水平有限,使得LED燈自身差異性比較大,從而導致LED顯示屏亮色度不能達到高度均勻一致性,所以目前LED顯示屏仍然維持著按單生產的模式。LED顯示屏逐點校正系統(tǒng)利用測量設備逐點采集LED亮色度值,并通過調節(jié)LED發(fā)光強度來改善顯示屏亮色度均勻性【1】。LED顯示屏逐點校正技術的關鍵在于高效精確的亮色度測量方式,而目前校正行業(yè)內主要有基于分光型色度儀、工業(yè)相機、彩色數(shù)碼相機等幾種設備的測量方式,這些測量設備的精度和效率各有優(yōu)劣?？紤]到LED顯示屏最終使用對象是人,而且基于這些測量設備的顯示屏逐點校正效果也需要由人眼視覺來評判,所以本文首先通過理論和實驗分析了人眼視覺精度,闡述了現(xiàn)有設備的亮色度

7、測量精度均不能完全滿足逐點校正領域的要求,隨后本文針對目前校正行業(yè)中的測量設備精度和效率做出對比分析,指出并論證了目前更具優(yōu)勢的LED顯示屏逐點校正測量方式,為LED顯示屏非均勻性校正行業(yè)提供了實用的參考價值。2.人眼視覺精度LED顯示屏逐點校正的效果取決于人眼,因此首先有必要分析研究人眼視覺系統(tǒng)的精度,從而為后續(xù)分析基于設備的逐點校正測量方式的精度奠定基礎。人眼對比敏感度函數(shù)曲線【2】(Contrast Sensitivity Function描述了人眼恰能鑒別出時間或空間上兩相鄰視覺信號差別的能力。文獻2中的對比敏感度曲線表明,人眼感知亮度精度的理論閾值約0.15%,也就是說人眼最高能分辨

8、出LED顯示屏約0.15%的亮度差異。此外,通過實驗分析人眼視覺敏感性的過程如下:1測試人員:10位顯示屏從業(yè)人員,視覺正常;2實驗設備:某品牌分辨率768*256的P6全彩LED顯示屏;3實驗環(huán)境:暗室;4觀測位置:位于屏幕中心法線的上下夾角小于30度、左右夾角小于60度,與LED 屏平行直線距離屏幕6米;5實驗步驟:第一,對LED顯示屏進行亮度校正使屏體亮度均勻一致,亮度調節(jié)過程中使用色度計測量控制屏體亮度和色溫保持在合理范圍內;第二,將LED屏體均分成左右兩部分(各部分的分辨率384*256,分別保持左邊屏體亮度30cd/m2、150cd/m2、500cd/m2并記錄左邊屏體灰度值(如表

9、1中灰度1數(shù)值,然后以1 個灰度級的改變量不斷調節(jié)右邊屏體的顯示灰度(如表1中灰度2數(shù)值,直至測試人員觀察到左右兩部分屏體亮度差異為止;第三,選取LED屏體中心位置32*32區(qū)域,分別保持該區(qū)域周圍亮度30cd/m2、150cd/m2、500cd/m2并記錄灰度值(如表1中灰度1數(shù)值,然后以1個灰度級的改變量不斷調節(jié)該區(qū)域的顯示灰度(如表1中灰度2數(shù)值,直至測試人員觀察到兩部分區(qū)域屏體亮度差異為止;第四,選取LED屏體中心位置3*3區(qū)域,分別保持該區(qū)域周圍亮度30cd/m2、150cd/m2、500cd/m2并記錄灰度值(如表1中灰度1數(shù)值,然后以1個灰度級的改變量不斷調節(jié)該區(qū)域的顯示灰度(如

10、表1中灰度2數(shù)值,直至測試人員觀察到兩部分區(qū)域屏體亮度差異為止。表1 人眼視覺敏感性分析實驗數(shù)據(jù) 從表1數(shù)據(jù)看出,人眼視覺敏感性的亮度閾值為1.2%,而且人眼視覺系統(tǒng)對于不同亮度差異面積的分辨能力不同,隨著顯示屏亮度差異面積不斷增大,人眼識別精度會不斷提高。綜上,理論和實驗兩方面數(shù)據(jù)都表明人眼對鑒別LED顯示屏亮度差異具有較高視覺精度。3.測量設備精度LED顯示屏逐點校正的測量設備主要有分光型色度儀、工業(yè)相機、彩色數(shù)碼相機等,以下分別分析這些測量設備的精度。1分光型色度儀分光型色度儀又稱為色彩分光輻射亮度計,其亮色度測量原理:點光源發(fā)出復合光進入分光輻射亮度計鏡頭,其前端的分光光柵將復合光分解

11、為不同波長的相對光譜,再離散到線陣CCD感光元上,而線陣CCD數(shù)目足夠多,能夠以離散的形式比較完整地采集待測光的相對光譜分布值,后端微處理器利用相對光譜分布值計算出CIE-XYZ值輸出,所以分光輻射亮度計能夠相對準確地采集點光源亮色度值。分光輻射亮度計的測量原理【3】如圖1: 圖1 分光型測量原理分光輻射亮度計一般為國外進口,而且產品出廠后都在計量局用標準A光源標定過,所以能夠很好的符合CIE標準。美能達CS2000是一款高精度的色彩分光輻射亮度計,其亮度測量精度為±2%,色度測量精度為±0.0015。從精度數(shù)據(jù)可看出,其測量精度要比人眼視覺精度低,所以它并不能完全滿足LE

12、D顯示屏逐點校正的要求。2工業(yè)相機工業(yè)相機可分為帶XYZ分光濾色片和不帶XYZ分光濾色片兩種,其中帶XYZ分光濾色片的工業(yè)相機的亮色度測量精度相對較高,其亮色度測量原理:面光源發(fā)出復合光進入工業(yè)相機鏡頭,其前端配備的XYZ濾色片可直接將復合光分解為XYZ三通道單色光,再離散到面陣CCD感光元上,XYZ三通道單色光經后端微處理器計算出CIE-XYZ值輸出。帶XYZ濾色片的工業(yè)相機測量原理【3】如圖2: 圖2 XYZ三刺激值法測量原理帶XYZ濾色片的工業(yè)相機由于其CCD感光元數(shù)目相對較多,甚至能達到上萬個,所以單次能夠采集LED的數(shù)量龐大,但是這要求其XYZ濾色片的測量值盡可能接近或完全匹配CIE

13、-XYZ標準,而高精度XYZ濾色片制作工藝復雜,所以其價格相當昂貴。另外最重要的一點是:盡管工業(yè)相機單次采集LED數(shù)目龐大,在一定程度上能夠解決LED顯示屏逐點校正技術中的效率問題,但是單顆LED所能占有的CCD感光元并不會太多,故其亮色度測量精度要稍低于分光輻射亮度計。工業(yè)相機制冷機制是指消除由于相機長時間工作導致溫度升高所產生的暗電流對圖像數(shù)據(jù)的影響,由暗電流隨溫度變化曲線(如圖3可知,暗電流只有到零下23攝氏度才能趨 于平穩(wěn),而工業(yè)相機只能到 1攝氏度左右,所以說只能是有所改善并不能完全消除。 圖3 暗電流隨溫度變化曲線對LED顯示屏逐點校正來說,不帶XYZ濾色片就沒有價值,而即使配備X

14、YZ濾色片,其測量精度也要稍低于分光型測量設備,更低于人眼視覺精度,所以工業(yè)相機也不能完全滿足LED顯示屏逐點校正的要求。3彩色數(shù)碼相機彩色數(shù)碼相機測量機理與工業(yè)相機類似,都是基于CCD感光元的測量方式【4】,測量過程如圖4所示: 圖4 基于CCD的相機測量過程彩色數(shù)碼相機測量原理:面光源發(fā)出復合光進入彩色數(shù)碼相機鏡頭,其前端配備的Bayer濾色片(如圖5能夠將復合光分解為RGB三通道單色光,再離散到面陣CCD感光元上, RGB三通道單色光經后端微處理器計算出相對RGB值輸出。 6 www.novastar- 圖 5 Bayer 濾色片 彩色數(shù)碼相機的面陣 CCD 感光元數(shù)目與工業(yè)相機 CCD

15、 感光元數(shù)目相當， 所以單次可采集 LED 數(shù)目與工業(yè)相機相當，但是彩色數(shù)碼相機自帶的 Bayer 濾色片精度不如工業(yè)相機的 XYZ 濾色片，而且 Bayer 濾色片測量值是相對值，基于 RGB 色彩空間但并非嚴格符合 CIE-RGB 標準， 故彩色數(shù)碼相機的測量精度要低于帶 XYZ 濾色片的工業(yè)相機， 也更低于人眼視覺精度， 無法完全滿足 LED 顯示屏逐點校正的要求。 彩色數(shù)碼相機的 Bayer 濾色片相比工業(yè)相機的 XYZ 濾光片制作工藝相對較易， 而且彩色 數(shù)碼相機已民用生產化， 所以其價格要遠低于基于 XYZ 濾色片的工業(yè)相機。 如果要將彩色數(shù) 碼相機應用于 LED 顯示屏逐點校正，

16、 必須配有較好的修正算法， 使相機測量值盡可能的接近 CIE-XYZ 標準。 4.逐點校正 從前面分析可知， 現(xiàn)有測量設備的亮色度測量精度均無法完全滿足 LED 顯示屏逐點校正 的要求， 然而針對目前 LED 顯示屏校正行業(yè)存在的單批次均勻性和多批次均勻性問題， 業(yè)內 可以采取不同措施進行改善處理。 1）單批次校正 單批次 LED 顯示屏是指 LED 燈從產品設計、材料加工、焊接、組裝等一系列過程都是同 一生產批次生產出來的。 單批次 LED 自身相對光譜分布差異較小， 亮色度差異主要包括如亮 暗塊、色斑等均勻性問題。 目前，LED 顯示屏逐點校正行業(yè)針對單批次 LED 顯示屏主要有兩種校正方式：一是使用 帶 XYZ 濾色片的工業(yè)相機，二是使用帶 Bayer 濾色片的彩色數(shù)碼相機配上較好的修正算