LED大屏幕顯示屏灰度等級(jí)檢測(cè)技術(shù)研究

摘要：在當(dāng)今以數(shù)字化為主要特征的LED顯示領(lǐng)域，顯示灰度控制技術(shù)已經(jīng)日臻成熟，沿用的亮度和灰度等級(jí)鑒別方法已經(jīng)相對(duì)落后。文章通過(guò)分析LED顯示器的顯示特性和灰度復(fù)現(xiàn)過(guò)程中圖像數(shù)據(jù)和灰度級(jí)之間函數(shù)關(guān)系，提出了一種顯示屏灰度等級(jí)的檢測(cè)方法，利用采集到的灰度差增量幅度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得出LED大屏幕顯示產(chǎn)品灰度級(jí)控制的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文方法具有很好的實(shí)用性。

1引言

科技、經(jīng)濟(jì)等方面的不斷發(fā)展，為L(zhǎng)ED顯示屏的應(yīng)用提供了廣闊的市場(chǎng)。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(huì)等不可缺少的組成部分，同時(shí)也是公共媒體、戶外廣告、亮化工程等城市建設(shè)的寵兒。

作為當(dāng)前多媒體顯示終端的主流，人們對(duì)平板顯示器的顯示質(zhì)量要求越來(lái)越高?；叶燃?jí)控制能力作為評(píng)定平板顯示器的顯示質(zhì)量的重要參數(shù)之一，長(zhǎng)期以來(lái)備受關(guān)注?；叶燃?jí)控制能力由灰度級(jí)數(shù)量來(lái)表示，所謂灰度級(jí)數(shù)量就是指可以進(jìn)行控制的灰度級(jí)等級(jí)的多少，現(xiàn)行市場(chǎng)LED大屏幕顯示產(chǎn)品灰度級(jí)數(shù)量一般在12bit以上，但是現(xiàn)有的灰度測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還停留在8bit灰度測(cè)試基礎(chǔ)上，這種測(cè)試遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足技術(shù)和市場(chǎng)高速發(fā)展的雙重要求，因此，需要一種可以檢測(cè)8bit以上灰度級(jí)控制的能力的方法和手段。

本文通過(guò)對(duì)采集到的灰度差增量畸變情況進(jìn)行分析，利用畸變幅度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算出LED大屏幕顯示產(chǎn)品灰度級(jí)控制的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文方法具有很好的實(shí)用性。

2目前LED顯示屏灰度級(jí)檢測(cè)方法

根據(jù)"SJ/T1128122007LED顯示屏測(cè)試方法"，灰度等級(jí)檢查方法如下：環(huán)境照度變化率小于±10%，整個(gè)測(cè)試過(guò)程儀器采集范圍不變；啟動(dòng)軟件，逐級(jí)增加灰度級(jí)，顯示的亮度應(yīng)隨著灰度級(jí)的上升呈現(xiàn)單調(diào)上升。其中最高標(biāo)準(zhǔn)為128

可以看到，目前使用的LED顯示屏測(cè)試方法為線性檢測(cè)方法。如果LED顯示屏線性灰度級(jí)顯示數(shù)量n超過(guò)8bit，就需要準(zhǔn)備額外的數(shù)據(jù)輸入設(shè)備和軟件，十分不便。實(shí)際上，LED顯示屏測(cè)試方法測(cè)量的是顯示屏最小線性灰度等級(jí)分辨率，而不是真正意義上的顯示屏有效灰度級(jí)。從理論上講，顯示屏的最小線性灰度等級(jí)分辨率越精細(xì)，則灰度校正深度越高，同時(shí)抽值式校正的準(zhǔn)確程度越好，使有效灰度級(jí)顯示的能力得到提高。

測(cè)定LED顯示屏的最小線性灰度等級(jí)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(jí)水平，但是不能直觀評(píng)估顯示屏的顯示灰度特性。另外，目前大多數(shù)LED顯示屏灰度參數(shù)都在12bit以上，同時(shí)在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于某些細(xì)微的情況發(fā)生，產(chǎn)生一些對(duì)應(yīng)關(guān)系失衡，所以僅僅知道LED顯示屏的最小線性灰度等級(jí)分辨率并不完全代表其灰度級(jí)控制的準(zhǔn)確性。

3圖像數(shù)據(jù)和灰度級(jí)之間函數(shù)關(guān)系

由于歷史原因，當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)視頻圖像數(shù)據(jù)如果直接用于平板顯示器就會(huì)造成灰度級(jí)畸變問(wèn)題?；叶燃?jí)指的就是顯示器的亮度等級(jí)。在起初的顯示系統(tǒng)中，顯示終端為CRT設(shè)備，由于CRT設(shè)備并不是線性發(fā)光器件，在復(fù)現(xiàn)灰度級(jí)時(shí)存在嚴(yán)重失真。這種失真是由光電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換和傳輸使整個(gè)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(shè)備的輸出亮度信號(hào)數(shù)值和實(shí)際亮度Li之間的非線性；（2）亮度信號(hào)數(shù)值之間的非線性；（3）顯示設(shè)備復(fù)現(xiàn)亮度Lo和傳輸過(guò)來(lái)的亮度信號(hào)數(shù)值之間的非線性。

其復(fù)現(xiàn)亮度Lo和實(shí)際亮度Li之間的關(guān)系可以表示為：

式中，c為比例系數(shù)；γ1、γ2、γ3分別為第（1）、第（2）、第（3）部分非線性校正系數(shù)。為了保證灰度級(jí)的正確復(fù)現(xiàn)，必須在傳輸以前對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行γ校正。令γ1γ2=γ，γ3=γCRT則式（1）可以變化為：

其中LCRT為CRT復(fù)現(xiàn)亮度，Li為實(shí)際亮度，γ為原始傳輸?shù)念A(yù)先校正系數(shù)，γCRT為CRT顯示特性系數(shù)，Si為原始圖像數(shù)據(jù)。由式（2）可知，現(xiàn)在采用的標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)γ校正后的原始顯示圖像數(shù)據(jù)，直接量化以后形成的數(shù)字化數(shù)據(jù)同樣包含有γ校正的信息，這些數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)如果由同CRT顯示特性完全相同的顯示設(shè)備完成最終的圖像顯示時(shí)，可以正確復(fù)現(xiàn)原始的灰度級(jí)。

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(shù)。以表現(xiàn)256灰度顯示數(shù)據(jù)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(jìn)行圖像顯示時(shí)對(duì)圖像數(shù)據(jù)不能正確處理，就會(huì)導(dǎo)致灰度級(jí)的畸變，大幅降低圖像的顯示質(zhì)量。如圖2所示，圖2（a）是經(jīng)過(guò)γ校正后的原始圖像數(shù)據(jù)，由于LED顯示器的顯示特性，實(shí)際顯示結(jié)果同預(yù)期的現(xiàn)實(shí)結(jié)果存在很大的誤差；圖2（b）給出了在各個(gè)灰度級(jí)上實(shí)際圖像數(shù)據(jù)和理想的圖像數(shù)據(jù)的偏差。

γ校正最初只是為了消除整個(gè)顯示系統(tǒng)的非線性誤差而引入的，由于在此前相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)顯示終端的主導(dǎo)地位一直為CRT所占據(jù)，所以這種經(jīng)過(guò)γ校正后的原始圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)被確定為標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)。短期來(lái)看，這種圖像數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)還不能被新的標(biāo)準(zhǔn)所取代。為了保證灰度級(jí)在平板顯示器上的正確復(fù)現(xiàn)，在顯示過(guò)程中必須進(jìn)行灰度級(jí)校正。

圖2LED上實(shí)際的和理想的圖像數(shù)據(jù)的偏差。（a）原始圖像數(shù)據(jù)；（b）圖像數(shù)據(jù)的偏差。

4灰度級(jí)差檢測(cè)分析方法的提出和實(shí)現(xiàn)

4。1測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中使用的測(cè)試儀器主要有柯美CS2100A色彩亮度計(jì)、柯美CL2200色彩照度計(jì)和溫濕度計(jì)等。

測(cè)試條件如下：

（1）相對(duì)環(huán)境照度變化小于±10%;

（2）測(cè)試距離在3。5~5。0m，測(cè)試時(shí)相對(duì)測(cè)試位置不發(fā)生變化；

（3）測(cè)試單元最小面積不得小于0。5m2;

（4）采集面積不得小于4×4，16個(gè)像素點(diǎn)。

測(cè)試方法如下：

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

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

（3）屏幕滿負(fù)荷工作30min后，開(kāi)始測(cè)試；

（4）全屏隨機(jī)選取9點(diǎn)測(cè)試，每組測(cè)試點(diǎn)、每級(jí)灰度連續(xù)測(cè)試5次，取均值，記錄。

4。2數(shù)據(jù)分析

根據(jù)γ校正原理，任何LED顯示屏的顯示數(shù)據(jù)目前為8~10bit，以8bit顯示數(shù)據(jù)為例，設(shè)定屏幕的灰度等級(jí)能力為8bit，在灰度級(jí)正確顯示的前提下，得到如下灰度函數(shù)，如圖3所示。

圖3LED顯示灰度函數(shù)

圖中的橫向坐標(biāo)為屏幕顯示的8bit顯示數(shù)據(jù)（d）：0~255，縱坐標(biāo)為這些顯示數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的顯示屏幕顯示的相對(duì)亮度數(shù)值（L）。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格化處理后，該函數(shù)的灰度級(jí)差分布情況如圖4所示。

圖4LED顯示8bit灰度等級(jí)的級(jí)差分布

圖4中的橫向坐標(biāo)仍為屏幕顯示的8bit顯示數(shù)據(jù)（d）：0~255;縱坐標(biāo)為這些顯示數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的具有8bit灰度等級(jí)顯示精度的屏幕顯示的相對(duì)亮度數(shù)值之間的灰度級(jí)差（ΔL）。可以看到，由于精度的問(wèn)題，灰度差的增量有畸變之處；同時(shí)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(jí)能力提高到10bit，此時(shí)灰度級(jí)差分布情況如圖5所示。

圖5中的橫向坐標(biāo)仍為屏幕顯示的8bit顯示數(shù)據(jù)（d）：0~255;縱坐標(biāo)為這些顯示數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的具有10bit灰度等級(jí)顯示精度的屏幕顯示的相對(duì)亮度數(shù)值之間的灰度級(jí)差（ΔL）。

通過(guò)分析得到，具有8bit灰度等級(jí)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(jí)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(guò)數(shù)據(jù)分析可以得到灰度等級(jí)的控制精度。

圖5LED顯示10bit灰度等級(jí)的級(jí)差分布

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

如果測(cè)量?jī)x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(cè)量條件說(shuō)明，通過(guò)灰度增量畸變檢測(cè)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(shí)際條件下，由于測(cè)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(cè)量的結(jié)果。

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

圖6LED顯示8bit灰度等級(jí)的級(jí)差統(tǒng)計(jì)

圖6和圖7所示的是灰度增量畸變幅度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖中橫向坐標(biāo)仍為屏幕顯示的灰度數(shù)量（d）：0~255;縱坐標(biāo)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(jí)的顯示屏統(tǒng)計(jì)情況，圖7顯示的為10bit灰度精度等級(jí)的顯示屏統(tǒng)計(jì)情況。

灰度增量畸變分布為前后兩個(gè)區(qū)，對(duì)于8bit灰度精度等級(jí)的顯示屏來(lái)說(shuō)，其增量畸變幅度約為±0。04;對(duì)于10bit灰度精度等級(jí)的顯示屏來(lái)說(shuō)，其增量畸變幅度約為±0。01。對(duì)這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)求倒數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到圖6所示的灰度級(jí)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(jì)算結(jié)果同實(shí)際情況相符合，基本說(shuō)明了方法的有效性。

圖7LED顯示10bit灰度等級(jí)的級(jí)差統(tǒng)計(jì)

6結(jié)論

通過(guò)分析LED顯示器的顯示特性和灰度復(fù)現(xiàn)過(guò)程中圖像數(shù)據(jù)和灰度級(jí)之間函數(shù)關(guān)系，提出了一種顯示屏灰度等級(jí)的檢測(cè)方法，可以更加準(zhǔn)確地評(píng)估顯示屏的灰度控制精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種利用灰度差增量畸變幅度的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法可以有效得到LED大屏幕顯示產(chǎn)品灰度級(jí)控制的精度，具有很好的實(shí)用性。該方法是對(duì)LED顯示屏測(cè)試方法的有效補(bǔ)充，可以檢測(cè)灰度控制精度更好的顯示屏幕，對(duì)于提高顯示屏灰度指標(biāo)也是有利的。同時(shí)，所提出的方法在實(shí)際應(yīng)用中還存在很多問(wèn)題需要解決。如噪聲的評(píng)估和消除、非正態(tài)分布的結(jié)果評(píng)估等，這些工作都將在下一步的研究中開(kāi)展。