LED大屏幕顯示屏灰度等級檢測技術(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鑒別方法已經(jīng)相對落后。文章通過分析LED顯示器的顯示特性和灰度復(fù)現(xiàn)過程中圖像數(shù)據(jù)和灰度級之間函數(shù)關(guān)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(jì)結(jié)果，得出LED大屏幕顯示產(chǎn)品灰度級控制的能力。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LED顯示屏的應(yīng)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(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，人們對平板顯示器的顯示質(zhì)量要求越來越高。灰度級控制能力作為評定平板顯示器的顯示質(zhì)量的重要參數(shù)之一，長期以來備受關(guān)注?；叶燃壙刂颇芰τ苫叶燃墧?shù)量來表示，所謂灰度級數(shù)量就是指可以進(jìn)行控制的灰度級等級的多少，現(xiàn)行市場LED大屏幕顯示產(chǎn)品灰度級數(shù)量一般在12bit以上，但是現(xiàn)有的灰度測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還停留在8bit灰度測試基礎(chǔ)上，這種測試遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足技術(shù)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(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顯示屏灰度級檢測方法

根據(jù)SJ/T1128122007LED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(gè)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(yīng)隨著灰度級的上升呈現(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顯示屏測試方法為線性檢測方法。如果LED顯示屏線性灰度級顯示數(shù)量n超過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顯示屏測試方法測量的是顯示屏最小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，顯示屏的最小線性灰度等級分辨率越精細(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，使有效灰度級顯示的能力得到提高。

測定LED顯示屏的最小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(shù)LED顯示屏灰度參數(shù)都在12bit以上，同時(shí)在光電轉(zhuǎn)換過程中，由于某些細(xì)微的情況發(fā)生，產(chǎn)生一些對應(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分辨率并不完全代表其灰度級控制的準(zhǔn)確性。

3圖像數(shù)據(jù)和灰度級之間函數(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造成灰度級畸變問題。灰度級指的就是顯示器的亮度等級。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)灰度級時(shí)存在嚴(yán)重失真。這種失真是由光電信號之間的相互轉(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)備的輸出亮度信號數(shù)值和實(shí)際亮度Li之間的非線性；（2）亮度信號數(shù)值之間的非線性；（3）顯示設(shè)備復(fù)現(xiàn)亮度Lo和傳輸過來的亮度信號數(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)。為了保證灰度級的正確復(fù)現(xiàn)，必須在傳輸以前對圖像數(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。

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)對圖像數(shù)據(jù)不能正確處理，就會導(dǎo)致灰度級的畸變，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。為了保證灰度級在平板顯示器上的正確復(fù)現(xiàn)，在顯示過程中必須進(jìn)行灰度級校正。

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。