基于PC的數(shù)字電視白平衡測量調(diào)整儀設(shè)計

本文介紹了一種基于PC的白平衡自動測量調(diào)整儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本原理。該系統(tǒng)的測試信號發(fā)生、調(diào)整信號輸出、白場色度測量均由PC控制，實現(xiàn)了基于PC的測控一體化。該測量調(diào)整儀可用于有I2c接口的數(shù)字電視的白平衡調(diào)整，通過適當(dāng)調(diào)整還可用于彩屏手機(jī)和LCD顯示器等的白平衡調(diào)整。

數(shù)字電視的巨大市場為消費電子廠家看好，目前已經(jīng)成為各家電廠家的開發(fā)熱點。在對TV色彩效果要求愈來愈高的情況下，白平衡調(diào)整成為TV質(zhì)量控制的必備工 序。與模擬電視不同，數(shù)字電視的白平衡調(diào)整采用不同的方法，因此需要不同的白平衡調(diào)整設(shè)備。本文介紹一種基于PC的白平衡自動測試調(diào)整設(shè)備，該設(shè)備適用于 數(shù)字電視的生產(chǎn)質(zhì)量控制。基于同樣原理，工程師可開發(fā)適用于彩屏手機(jī)、PDA、可視電話等有顯示色彩質(zhì)量要求的產(chǎn)品的白平衡調(diào)整控制設(shè)備。

基準(zhǔn)白與白平衡調(diào)整

在色度學(xué)上， 常以白色作為標(biāo)準(zhǔn)，作為分解、重現(xiàn)顏色的參考。在彩色電視系統(tǒng)中，攝像端和顯像端都應(yīng)選擇一個基準(zhǔn)白色，作為傳輸彩色圖像的參考白色。如果電視屏幕上顯示 的白色不等于基準(zhǔn)白，在彩色電視顏色復(fù)現(xiàn)時會產(chǎn)生較大的顏色失真。我國彩色廣播標(biāo)準(zhǔn)和彩色電視接收機(jī)白場色溫及其寬容度標(biāo)準(zhǔn)中，都規(guī)定選取D65白場色溫 作為分解、傳送、重現(xiàn)彩色電視信號的基準(zhǔn)白。D65(色溫為6500K，7MPCD，色坐標(biāo)x0=0.313、y0=0.329)是白晝太陽光的平均色 溫，基準(zhǔn)白的色度坐標(biāo)誤差超標(biāo)時會影響彩色圖像的再現(xiàn)，降低圖像質(zhì)量。因此，要對偏離的白場進(jìn)行調(diào)整使之接近標(biāo)準(zhǔn)白，這就是白平衡調(diào)整。彩色電視機(jī)的白平 衡調(diào)整保證彩色電視機(jī)重現(xiàn)不同亮度的彩色圖像時色溫基本保持不變，不出現(xiàn)附加顏色。

彩色電視機(jī)的白場由紅綠藍(lán)三電子束轟擊熒 光屏上相應(yīng)的三色熒光粉形成，當(dāng)送到彩色顯象管紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三路電壓相等時產(chǎn)生白色。但由于實際紅、綠、藍(lán)三個調(diào)制極的截止電壓不完全相 同，其調(diào)制特性和R、G、B三種熒光粉的發(fā)光效率和色坐標(biāo)與理論值有差異，為此必須進(jìn)行白平衡調(diào)整。白平衡調(diào)整就是通過使RGB三路輸出電壓不相等使各電 子束電流比例稍微有些差異，從而彌補(bǔ)三電子束和三種熒光粉在性能上的差，見圖1。

現(xiàn)有的模擬電視在生產(chǎn)線上實際的白平衡調(diào)整 過程為給被調(diào)彩色電視機(jī)加上半白半黑的白平衡信號，通過彩色分析儀或白平衡儀測量出亮場和暗場的色坐標(biāo)相對于標(biāo)準(zhǔn)白場色坐標(biāo)的偏差，根據(jù)偏差值同時調(diào)整五 個電位器的大小來改變彩色電視機(jī)的截止電壓和激勵電壓，使彩色電視機(jī)在這兩個亮度下的白場與標(biāo)準(zhǔn)白場一致，從而保證在其它亮度下彩色電視機(jī)的白場基本上與 基準(zhǔn)白的白場一致。

數(shù)字電視中的白平衡調(diào)整與模擬式彩電的白平衡調(diào)整不同，它不是調(diào)整電位器，而是通過I2C總線將調(diào)節(jié)數(shù)據(jù) 送給該電視機(jī)中的微處理器，微處理器接收到調(diào)整數(shù)據(jù)后，改變相關(guān)控制寄存器的值，從而使內(nèi)部有關(guān)控制器件的輸出模擬量大小發(fā)生變化，實現(xiàn)對驅(qū)動顯像管的 R、G、B三槍的電流調(diào)節(jié)，達(dá)到白平衡調(diào)整目的。

用于調(diào)整白平衡的數(shù)據(jù)通常有5個, 其中三個為R、G、B三槍截止電壓控制，另兩個為束流控制，即激勵電壓控制。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 是針對數(shù)字電視的白平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，它由兩塊PC機(jī)插卡組成，一塊是白場電視信號發(fā)生器電路，同時也包含和I2C總線接口的調(diào)節(jié)信號輸出電路。白 場電視信號發(fā)生器核心采用飛利浦公司的視頻編碼器IC芯片TDA8501來生成復(fù)合電視信號，該板卡中采用12位分辨率的D/A輸出，提供R、G、B輸入 電平給TDA8501。D/A的輸出由PC軟件設(shè)定值控制，可靈活改變使輸出圖像具有任意性，既可產(chǎn)生白場信號又可產(chǎn)生單色信號。輸出信號的亮度也可以選 擇，為單色定標(biāo)提供了方便，通過改變RGB的值可實現(xiàn)亮度設(shè)定與跟蹤。另一塊是色度參數(shù)測量和信號采集電路，該電路由放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)及 接口電路、RS232通訊接口電路組成，主要完成測量和定標(biāo)工作。該電路將探頭送來的電信號放大，A/D轉(zhuǎn)換后通過計算來得到測量值。測量工作由單片機(jī)控 制，同時單片機(jī)負(fù)責(zé)與主機(jī)通訊，以接受主機(jī)的指令和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

調(diào)節(jié)信號輸出器由I2C控制器PCF8584組成，用于將計算后得到的5個白平衡調(diào)節(jié)控制數(shù)據(jù)送上I2C總線，傳給被調(diào)節(jié)彩電。

光探頭采用色度型探頭，由硅光電池制成，它與濾色片配合可將色度信號轉(zhuǎn)換為與三刺激值成正比的電流信號，送入信號采集板。視頻/射頻轉(zhuǎn)換器將信號發(fā)生器板產(chǎn)生的視頻信號轉(zhuǎn)換為射頻信號，送入電視機(jī)天線入口處。整個系統(tǒng)在設(shè)定好后，可實現(xiàn)對彩電的在線自動白平衡調(diào)節(jié)。

測量的基本原理

測量要用到光輻射學(xué)和色度學(xué)相關(guān)知識。在顏色測量中，首要的任務(wù)是測定色刺激值函數(shù)φ(λ)，實際上是要測定被測光源的相對光譜功率分布Pe(λ)。再根據(jù)色度學(xué)的三個基本方程式求得顏色的三刺激值X、Y和Z為：

EQ1

其中,X-(λ)、Y-(λ)、Z-(λ)是CIE標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值函數(shù)，其圖形如圖3示。

在得到了顏色三刺激值之后，可由下式求出該顏色在CIE色度坐標(biāo)系統(tǒng)中的色品坐標(biāo)值：EQ2

本儀器用光電積分法來測量，光電積分法是通過把探測器的光譜響應(yīng)匹配成所要求的CIE標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激曲線，或某一特定的光譜響應(yīng)曲線，來對被測量 的光譜功率進(jìn)行積分測量。我們選用色度型探頭，用硅光電池來測量。硅光電池在零偏置時，輸出電流與光照成線性關(guān)系,此時的輸出短路電流為：

EQ3

SI為光電池的靈敏度，E為光照，這樣可測定被測光源的相對光譜功率分布Pe(λ)。事先用濾波片將探頭光譜響應(yīng)匹配成X-(λ)、Y-(λ)、Z-(λ)，這樣經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換，然后此電壓經(jīng)放大器放大再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，便得到了與三刺激值X、Y和Z成正比的數(shù)字量，由它可進(jìn)一步計算出色坐標(biāo)值x、y。

工作過程和測控程序

由前面的論述可知，PC白平衡調(diào)整系統(tǒng)是一個閉環(huán)的自動測量和控制系統(tǒng)。它的工作過程分為信號發(fā)生和調(diào)節(jié)、測量、誤差計算、反饋調(diào)節(jié)信號輸出等過程。

系統(tǒng)上電后，先通過信號發(fā)生器給彩電發(fā)出一個由使用者通過PC控制軟件設(shè)定亮度值的白場信號，然后測量電路就開始測量。

整個系統(tǒng)的測量部分分別由三個亮場和暗場探頭、前置六路放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、89c52微處理器等組成，亮場和暗場探頭由光譜響應(yīng)被匹配成X-(λ)、Y -(λ)、Z-(λ)的探測器組成。整個測量過程如下：彩色電視機(jī)發(fā)出的光信號經(jīng)探頭的光電轉(zhuǎn)換后，生成亮場的Xr、Y、Z和暗場的Xr、Y、Z六路信 號；系統(tǒng)通過切換來控制六路信號的放大和處理；得到的六路信號經(jīng)過前置放大器放大后，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到89c52微處理器中；最后通 過89c52微處理器來進(jìn)行相關(guān)的色度參數(shù)運算，得到該彩色電視機(jī)的各項色度參數(shù)，如亮場和暗場的色坐標(biāo)、亮度、歸一化后的RGB值。

上位PC機(jī)通過RS232得到當(dāng)前的測量結(jié)果，如R/G、B/G、G的大小，由精心研究和實驗過的算法來決定如何調(diào)節(jié)彩色電視機(jī)顯象管各槍的截止電壓和激勵 電壓，是增大還是減小各槍的截止電壓和激勵電壓，從而調(diào)整亮、暗平衡，最后達(dá)到白平衡。這當(dāng)中上位PC機(jī)通過I2C總線接口來完成對彩色電視機(jī)顯象管各槍 的截止電壓和激勵電壓的控制，也就是通過I2C總線控制器PCF8584向彩電發(fā)出調(diào)整數(shù)據(jù)。彩電內(nèi)的RGB截止/驅(qū)動控制器件TA8889(I2C器 件)接收到調(diào)整數(shù)據(jù)后，即改變控制彩色電視機(jī)顯象管各槍的截止電壓和激勵電壓的寄存器的值，從而調(diào)整亮、暗平衡。這就是自動調(diào)整過程。測量前要先定標(biāo)以保 證精度。

本文小結(jié)

本調(diào)整儀的測試信號發(fā)生、調(diào)整信號輸出、白場色度測量均由PC控制，實現(xiàn)了基于PC的測控一體化，讓使用者通過軟件能在線干預(yù)測控的全過程。在彩屏手機(jī)、PDA、可視電話、LCD顯示屏的生產(chǎn)中，同樣存在白平衡調(diào)整問題，本測試儀所用色度測量原理經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)，也同樣適用。