LED大屏幕顯示屏灰度等級檢測技術研究-技術方案

精品文檔-下載后可編輯LED大屏幕顯示屏灰度等級檢測技術研究-技術方案摘要：在當今以數字化為主要特征的LED顯示領域，顯示灰度控制技術已經日臻成熟，沿用的亮度和灰度等級鑒別方法已經相對落后。文章通過分析LED顯示器的顯示特性和灰度復現(xiàn)過程中圖像數據和灰度級之間函數關系，提出了一種顯示屏灰度等級的檢測方法，利用采集到的灰度差增量幅度的統(tǒng)計結果，得出LED大屏幕顯示產品灰度級控制的能力。實驗結果表明本文方法具有很好的實用性。

1引言

科技、經濟等方面的不斷發(fā)展，為LED顯示屏的應用提供了廣闊的市場。作為一種媒介載體，LED顯示屏已成為影視表演、大型歌舞、綜藝晚會等不可缺少的組成部分，同時也是公共媒體、戶外廣告、亮化工程等城市建設的寵兒。

作為當前多媒體顯示終端的主流，人們對平板顯示器的顯示質量要求越來越高?；叶燃壙刂颇芰ψ鳛樵u定平板顯示器的顯示質量的重要參數之一，長期以來備受關注?；叶燃壙刂颇芰τ苫叶燃墧盗縼肀硎?，所謂灰度級數量就是指可以進行控制的灰度級等級的多少，現(xiàn)行市場LED大屏幕顯示產品灰度級數量一般在12bit以上，但是現(xiàn)有的灰度測試技術標準還停留在8bit灰度測試基礎上，這種測試遠遠不能滿足技術和市場高速發(fā)展的雙重要求，因此，需要一種可以檢測8bit以上灰度級控制的能力的方法和手段。

本文通過對采集到的灰度差增量畸變情況進行分析，利用畸變幅度的統(tǒng)計結果計算出LED大屏幕顯示產品灰度級控制的能力。實驗結果表明本文方法具有很好的實用性。

2目前LED顯示屏灰度級檢測方法

根據"SJ/T1128122022LED顯示屏測試方法",灰度等級檢查方法如下：環(huán)境照度變化率小于±10%,整個測試過程儀器采集范圍不變；啟動軟件，逐級增加灰度級，顯示的亮度應隨著灰度級的上升呈現(xiàn)單調上升。其中標準為128G≤256,即顯示屏具有8bit灰度技術。

可以看到，目前使用的LED顯示屏測試方法為線性檢測方法。如果LED顯示屏線性灰度級顯示數量n超過8bit,就需要準備額外的數據輸入設備和軟件，十分不便。實際上，LED顯示屏測試方法測量的是顯示屏線性灰度等級分辨率，而不是真正意義上的顯示屏有效灰度級。從理論上講，顯示屏的線性灰度等級分辨率越精細，則灰度校正深度越高，同時抽值式校正的準確程度越好，使有效灰度級顯示的能力得到提高。

測定LED顯示屏的線性灰度等級分辨率的方法雖然可以從某方面反映顯示屏的有效灰度級水平，但是不能直觀評估顯示屏的顯示灰度特性。另外，目前大多數LED顯示屏灰度參數都在12bit以上，同時在光電轉換過程中，由于某些細微的情況發(fā)生，產生一些對應關系失衡，所以僅僅知道LED顯示屏的線性灰度等級分辨率并不完全代表其灰度級控制的準確性。

3圖像數據和灰度級之間函數關系

由于歷史原因，當前的標準視頻圖像數據如果直接用于平板顯示器就會造成灰度級畸變問題?；叶燃壷傅木褪秋@示器的亮度等級。在起初的顯示系統(tǒng)中，顯示終端為CRT設備，由于CRT設備并不是線性發(fā)光器件，在復現(xiàn)灰度級時存在嚴重失真。這種失真是由光電信號之間的相互轉換和傳輸使整個圖像信息傳輸系統(tǒng)具有非線性引起的。這種非線性主要是由3方面引入的：

（1）攝像設備的輸出亮度信號數值和實際亮度Li之間的非線性；（2）亮度信號數值之間的非線性；（3）顯示設備復現(xiàn)亮度Lo和傳輸過來的亮度信號數值之間的非線性。

其復現(xiàn)亮度Lo和實際亮度Li之間的關系可以表示為：

式中，c為比例系數；γ1、γ2、γ3分別為第（1）、第（2）、第（3）部分非線性校正系數。為了保證灰度級的正確復現(xiàn)，必須在傳輸以前對圖像數據進行γ校正。令γ1γ2=γ，γ3=γCRT則式（1）可以變化為：

其中LCRT為CRT復現(xiàn)亮度，Li為實際亮度，γ為原始傳輸的預先校正系數，γCRT為CRT顯示特性系數，Si為原始圖像數據。由式（2）可知，現(xiàn)在采用的標準圖像數據是經過γ校正后的原始顯示圖像數據，直接量化以后形成的數字化數據同樣包含有γ校正的信息，這些數字化的圖像數據如果由同CRT顯示特性完全相同的顯示設備完成終的圖像顯示時，可以正確復現(xiàn)原始的灰度級。

前面提到CRT的顯示特性為：

而LED顯示屏的顯示特性為：

其中c和c′為比例系數。以表現(xiàn)256灰度顯示數據為例，CRT的顯示特性和平板顯示器的顯示特性分別如圖1（a）和圖1（b）所示。

圖1CRT和FPD的顯示特性

如果在進行圖像顯示時對圖像數據不能正確處理，就會導致灰度級的畸變，大幅降低圖像的顯示質量。如圖2所示，圖2（a）是經過γ校正后的原始圖像數據，由于LED顯示器的顯示特性，實際顯示結果同預期的現(xiàn)實結果存在很大的誤差；圖2（b）給出了在各個灰度級上實際圖像數據和理想的圖像數據的偏差。

γ校正初只是為了消除整個顯示系統(tǒng)的非線性誤差而引入的，由于在此前相當長一段時間內顯示終端的主導地位一直為CRT所占據，所以這種經過γ校正后的原始圖像數據已經被確定為標準圖像數據。短期來看，這種圖像數據的標準還不能被新的標準所取代。為了保證灰度級在平板顯示器上的正確復現(xiàn)，在顯示過程中必須進行灰度級校正。

圖2LED上實際的和理想的圖像數據的偏差。（a）原始圖像數據；（b）圖像數據的偏差。

4灰度級差檢測分析方法的提出和實現(xiàn)

4.1測試

實驗中使用的測試儀器主要有柯美CS2100A色彩亮度計、柯美CL2200色彩照度計和溫濕度計等。

測試條件如下：

（1）相對環(huán)境照度變化小于±10%;

（2）測試距離在3.5~5.0m,測試時相對測試位置不發(fā)生變化；

（3）測試單元面積不得小于0.5m2;

（4）采集面積不得小于4×4,16個像素點。

測試方法如下：

（1）采集儀器水平放置地面，與待測屏幕保持在同一高度，鏡頭視野完全覆蓋于待測屏幕內，采集積分面少覆蓋16個像素點；

（2）黑屏狀態(tài)下，測試屏幕亮度及環(huán)境照度均值，同時記錄環(huán)境溫濕度值；

（3）屏幕滿負荷工作30min后，開始測試；

（4）全屏隨機選取9點測試，每組測試點、每級灰度連續(xù)測試5次，取均值，記錄。

4.2數據分析

根據γ校正原理，任何LED顯示屏的顯示數據目前為8~10bit,以8bit顯示數據為例，設定屏幕的灰度等級能力為8bit,在灰度級正確顯示的前提下，得到如下灰度函數，如圖3所示。

圖3LED顯示灰度函數

圖中的橫向坐標為屏幕顯示的8bit顯示數據（d）:0~255,縱坐標為這些顯示數據對應的顯示屏幕顯示的相對亮度數值（L）.

對數據進行規(guī)格化處理后，該函數的灰度級差分布情況如圖4所示。

圖4LED顯示8bit灰度等級的級差分布

圖4中的橫向坐標仍為屏幕顯示的8bit顯示數據（d）:0~255;縱坐標為這些顯示數據對應的具有8bit灰度等級顯示精度的屏幕顯示的相對亮度數值之間的灰度級差（ΔL）.可以看到，由于精度的問題，灰度差的增量有畸變之處；同時可以看到這種量化的畸變從一定程度上反映出顯示屏的灰度控制精度。

如果屏幕的灰度等級能力提高到10bit,此時灰度級差分布情況如圖5所示。

圖5中的橫向坐標仍為屏幕顯示的8bit顯示數據（d）:0~255;縱坐標為這些顯示數據對應的具有10bit灰度等級顯示精度的屏幕顯示的相對亮度數值之間的灰度級差（ΔL）.

通過分析得到，具有8bit灰度等級顯示能力的顯示屏灰度增量畸變幅度約為4‰,而10bit灰度等級顯示能力的顯示屏灰度增量畸變幅度控制在1‰左右，因而通過數據分析可以得到灰度等級的控制精度。

圖5LED顯示10bit灰度等級的級差分布

5實驗結果與討論

如果測量儀器的精度在±0.1cd/m2,而環(huán)境照度在5lx以下，變化量參照前面的測量條件說明，通過灰度增量畸變檢測的方法可以初步獲得8~15bit顯示屏的灰度控制精度。但是在某些實際條件下，由于測量環(huán)境及儀器的誤差，加之顯示屏灰度控制的偏差可能影響測量的結果。

因此，在一定的條件下，采用灰度增量畸變統(tǒng)計分布的方式，可以更加準確地評估顯示屏的灰度控制精度。對8bit和10bit灰度等級顯示能力的顯示屏增量畸變幅度進行統(tǒng)計，得到如圖6所示的分布。

圖6LED顯示8bit灰度等級的級差統(tǒng)計

圖6和圖7所示的是灰度增量畸變幅度的統(tǒng)計結果，圖中橫向坐標仍為屏幕顯示的灰度數量（d）:0~255;縱坐標為灰度增量畸變幅度的排序情況（SΔL）.其中圖6顯示的為8bit灰度精度等級的顯示屏統(tǒng)計情況，圖7顯示的為10bit灰度精度等級的顯示屏統(tǒng)計情況。

灰度增量畸變分布為前后兩個區(qū)，對于8bit灰度精度等級的顯示屏來說，其增量畸變幅度約為±0.04;對于10bit灰度精度等級的顯示屏來說，其增量畸變幅度約為±0.01.對這些統(tǒng)計數據求倒數，經過計算得到圖6所示的灰度級控制精度為254~255,灰度精度為8bit;而圖7為1020~1022,灰度精度為10bit.計算結果同實際情況相符合，基本說明了方法的有效性。

圖7LED顯示10bit灰度等級的級差統(tǒng)計

6結論

通過分析LED顯示器的顯示特性和灰度復現(xiàn)過程中圖像數據和灰度級之間