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(hù)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。灰度級(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?xún)H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。灰度級(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。