改善校正后低輝均勻度的算法研究

導(dǎo)讀：本文將對(duì)校正后低輝均勻度存在的問題和成因進(jìn)行探討，并提出在現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)的條件下，通過改進(jìn)應(yīng)用校正系數(shù)的軟件算法，來改善低輝均勻度效果的方法，最后通過軟件模擬校正效果，驗(yàn)證算法可行性。

正如畫龍最后須點(diǎn)睛，逐點(diǎn)校正已經(jīng)成為高端顯示屏制造必備工序，也是讓舊屏和“花”屏一夜之間煥然一新的售后法寶。然而，雖然校正后整體亮色均勻度得到了極大的提升，但在校正后0～30灰階上，低輝顯示均勻度卻存在瑕疵，在個(gè)別灰度級(jí)別上均勻度甚至出現(xiàn)嚴(yán)重惡化現(xiàn)象。雖然這種瑕疵對(duì)絕大部分顯示內(nèi)容的播放效果并沒有影響，但如何能加以改善，讓校正后的顯示質(zhì)量更加完美，依然是受到業(yè)界廣泛關(guān)注的課題。

本文將對(duì)校正后低輝均勻度存在的問題和成因進(jìn)行探討，并提出在現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)的條件下，通過改進(jìn)應(yīng)用校正系數(shù)的軟件算法，來改善低輝均勻度效果的方法，最后通過軟件模擬校正效果，驗(yàn)證算法可行性。

1. 校正后低輝均勻度存在的問題

亮度校正后，0～30灰階的低輝段，往往存在如下問題：

1) RGB單色臨近起輝點(diǎn)的灰階會(huì)呈現(xiàn)出一部分燈點(diǎn)亮，一部分燈點(diǎn)不亮的“滿天星”圖樣;而白色臨近起輝點(diǎn)的灰階則表現(xiàn)為彩色的 “滿天星”;

2) RGB單色及白色的低輝段，出現(xiàn)個(gè)別灰階，均勻度明顯惡化，甚至不如不校正;

3) RGB單色及白色的低輝段，可能會(huì)出現(xiàn)“灰階亮度逆變”，即高灰階的亮度低于相鄰的低灰階亮度，和“灰階亮度躍升”，即高灰階的亮度相對(duì)相鄰的低灰階，出現(xiàn)異常的陡升。

而亮色一體校正，除了以上問題外，還會(huì)出現(xiàn)單色點(diǎn)亮顯示屏?xí)r，部分灰階出現(xiàn)色斑。

2. 校正后低輝均勻度問題成因分析

簡單地說，校正后低輝均勻度問題的成因，是LED屏低輝段原始灰階亮度的階梯躍升。這種階梯躍升的產(chǎn)生有多方面的深層原因，包括控制系統(tǒng)的伽瑪校正精度，灰階位數(shù)與實(shí)際實(shí)現(xiàn)能力，掃描屏的行掃描電流沖擊，驅(qū)動(dòng)芯片的響應(yīng)，LED的啟動(dòng)電壓，PCB的電路設(shè)計(jì)等等等等，這里不做詳細(xì)分析。

LED屏原始低輝段灰階亮度非平滑過渡可以歸納為以下幾種現(xiàn)象：

1) 起輝灰階以下，所有燈點(diǎn)不亮;

2) 起輝灰階到30灰階之間，亮度呈階梯狀上升;

3) 起輝灰階到30灰階之間，可能存在“灰階亮度逆變”和“灰階亮度躍升”;

以下為我們對(duì)一P6表貼屏使用PR655色彩亮度計(jì)實(shí)測的RGB低輝段灰階亮度曲線：

從曲線中可以看到：

1)該屏在當(dāng)前控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置條件下，起輝灰階為14級(jí);

2)RGB三色在低輝段均存在臺(tái)階式的亮度變化，在14-16級(jí)，17-19級(jí)，RGB三色均無亮度變化，GB兩色在20-23共4級(jí)灰階無明顯亮度變化，G在25-26級(jí)無亮度變化;

3)R亮度在17，25，28灰階有較大的亮度躍升;B在17，25灰階有輕微亮度躍升;

正是這種低輝度的亮度臺(tái)階和躍升跳變乃至逆變等現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)用校正系數(shù)后，起輝點(diǎn)附近的灰階上，會(huì)出現(xiàn)部分燈點(diǎn)處于起輝點(diǎn)下的“滿天星”現(xiàn)象;而在某些灰階，不同區(qū)域的燈點(diǎn)亮度分處于臺(tái)階的上下沿，就會(huì)造成均勻度不佳，遇到亮度大幅躍升的灰階附近，均勻性會(huì)嚴(yán)重惡化。

均勻性不理想的灰階出現(xiàn)在哪些級(jí)別，與校正目標(biāo)值、灰階亮度臺(tái)階的位置，以及屏原始亮度均勻性相關(guān)。

在上述P6表貼屏上，用90%的亮度平均值作為校正目標(biāo)值時(shí)：

沒有出現(xiàn)起輝點(diǎn)附近“滿天星”;出現(xiàn)均勻度惡化的灰階為B17，B18，G17，G19，G25，R17，R25，R29;均位于灰階亮度躍升的臺(tái)階附近;

而在用80%的亮度平均值作為校正目標(biāo)值時(shí)：

RGB的14，15灰階均表現(xiàn)為“滿天星”，或多或少的燈點(diǎn)落在起輝點(diǎn)下;出現(xiàn)均勻度惡化的灰階為：B18，B19，G18，G21，G26，R18，R27，R32;

可以看到，校正目標(biāo)值降低，即校正幅度變深時(shí)，起輝點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重惡化的“滿天星”，有多少灰階會(huì)出現(xiàn)“滿天星”，則是由屏的原始均勻度決定的，原始均勻度越差，就會(huì)有越多的“滿天星”灰階級(jí)別出現(xiàn)。

均勻度惡化的灰階級(jí)別數(shù)量與校正幅度無關(guān)，只與灰階亮度臺(tái)階數(shù)相關(guān)，臺(tái)階數(shù)越多，均勻度惡化的灰階也就越多;但校正目標(biāo)值降低，出現(xiàn)惡化的灰階級(jí)別會(huì)提高。

3. 改善校正后低輝均勻度的算法

由于存在上述的低輝段灰階亮度非平滑階梯躍升，事實(shí)上低輝段不加校正，均勻性表現(xiàn)優(yōu)于校正后。那么，如果設(shè)計(jì)一種分段處理的算法，讓逐點(diǎn)校正系數(shù)的應(yīng)用不是簡單的全灰階應(yīng)用，而是一種從起輝灰階開始不加校正，而在一段灰階范圍逐漸“緩釋”過渡到正常應(yīng)用的方式，將會(huì)對(duì)低輝段的均勻性表現(xiàn)起到非常大的改善。

綜合考慮算法的簡潔和起輝點(diǎn)附近不應(yīng)用系數(shù)的需要，我們采用平方函數(shù)作為“緩釋”函數(shù)。

如某像素的單色校正系數(shù)為 “CorrectionFactor”;

令起輝灰階為“BreakPoint”;當(dāng)前灰階為“GrayScale”;

令緩釋灰階范圍為“SlowReleaseRange”;

常規(guī)系數(shù)灰階應(yīng)用曲線為全灰階應(yīng)用，示意圖如下：

而低輝改良算法中，

即：1)0 GrayScale BreakPoint區(qū)間，校正系數(shù)=1;

2)BreakPoint GrayScale (BreakPoint + SlowReleaseRange) 區(qū)間，

校正系數(shù)=1-(1-CorrectionFactor) *((GrayScale-Breakpoint)/(SlowReleaseRange))2;

3) (BreakPoint + SlowReleaseRange) GrayScale 255區(qū)間，校正系數(shù)=CorrectionFactor ;

將上述算法從亮度校正延伸到亮色一體校正中，此時(shí)單色校正系數(shù)有3個(gè)。

假設(shè)某像素的紅色校正向量(RR，RG，RB) =(0.8715，0.1253，0.1864);

RR為主色校正系數(shù)，RG與RB為補(bǔ)色校正系數(shù)。

低輝改良算法中，合理的系數(shù)應(yīng)用“緩釋”機(jī)制應(yīng)為：

Ø 主色校正系數(shù)RR在緩釋區(qū)域SlowReleaseRange從1過渡到0.8715;

Ø 補(bǔ)色校正系數(shù)RG在緩釋區(qū)域SlowReleaseRange從0過渡到0.1253;

Ø 補(bǔ)色校正系數(shù)RB在緩釋區(qū)域SlowReleaseRange從0過渡到0.1864;

同理，綠藍(lán)亮色的系數(shù)向量可應(yīng)用同樣的算法處理。

應(yīng)用以上的緩釋機(jī)制，將使補(bǔ)色起作用的灰階提高，但因補(bǔ)色的低輝階梯產(chǎn)生的均勻度惡化現(xiàn)象也將得到相當(dāng)?shù)母纳啤?/p>

4. 軟件模擬校正效果驗(yàn)證算法

我們使用軟件生成校正圖樣輸出給LED屏，模擬校正后效果的方法，對(duì)以上算法改善低輝效果的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

設(shè)定80%平均亮度為目標(biāo)值，應(yīng)用低輝改良算法，設(shè)

BreakPoint =14，SlowReleaseRange = 20;

無論是亮度校正還是亮色一體校正后，RGBW 14，15灰階均正常起輝，不再出現(xiàn)“滿天星”;低輝段個(gè)別灰階仍有輕微麻點(diǎn)現(xiàn)象外，不再有嚴(yán)重均勻度惡化現(xiàn)象;在補(bǔ)色開始起作用的閾值灰階段，均勻度不理想的級(jí)別也被從5-8級(jí)壓縮到1-2級(jí)。

5. 結(jié)束語

校正的低輝段均勻度不理想的現(xiàn)象是由于低輝段的灰階亮度的階梯躍升造成的。為在不改變現(xiàn)有硬件的條件下，改善校正后的低輝效果，我們?cè)O(shè)計(jì)了“低輝段校正系數(shù)應(yīng)用分段緩釋算法”，經(jīng)過軟件模擬驗(yàn)證，該算法可以大幅改善校正后低輝效果。

軟件模擬效果仍有不盡人意之處，這是因?yàn)镈VI信號(hào)僅有8位，通過軟件模擬校正視頻源的方法精度受限，另外，軟件模擬的伽瑪校正使用的是理論伽瑪函數(shù)，與控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的伽瑪曲線之間存在差別，如果由控制系統(tǒng)在伽瑪校正后以10位以上的精度應(yīng)用該算法，低輝效果會(huì)比軟件模擬更佳。

但需要說明的是，本算法雖能改善低輝均勻度，但只是現(xiàn)有條件下的權(quán)益之計(jì)，LED屏實(shí)現(xiàn)更好的低輝線性才是真正的解決之道。尤其對(duì)于色度校正來說，大部分灰階級(jí)別上，補(bǔ)色都處于低輝段，低輝段的線性平滑與否，直接決定了色度校正的準(zhǔn)確和校正后的均勻度表現(xiàn)。

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