長久以來，LED電子顯示屏制造廠家一直被LED顯示屏亮度和色度不一致問題困擾，原因在于加工工藝，以及LED顯示屏幕在使用中會(huì)出現(xiàn)不同程度的亮度衰減等問題。

圖1  LED的亮度和色度的不一致性影響了電子顯示屏的顯示效果

在LED顯示視頻時(shí)，由于切換速度比較快和人眼的視覺問題，呈現(xiàn)出來的缺陷并不是很明顯，但是對于播放靜止的畫面時(shí)，很容易被人眼識(shí)別到。

1.LED亮度和色度校正原理：

由于LED的色度隨著電流變化會(huì)發(fā)生比較明顯的變化，一般采取PWM脈寬調(diào)制來調(diào)節(jié)LED亮度。

像素點(diǎn)的色度和亮度校正是通過分別調(diào)節(jié)該點(diǎn)的紅綠藍(lán)分量來實(shí)現(xiàn)的，對于每個(gè)需要校正的像素點(diǎn)，需要3*3的校正系數(shù)矩陣與之相乘。通過與校正系數(shù)對應(yīng)的脈沖寬度來驅(qū)動(dòng)LED，從而使得整個(gè)顯示屏的亮度和色度獲得很高的一致性。

2.基于光譜儀的逐點(diǎn)校正技術(shù)：

早期的逐點(diǎn)校正技術(shù)是基于光譜儀(Spectroradiometer)的點(diǎn)校正技術(shù)。如下圖所示：

圖2  基于光譜儀的逐點(diǎn)校正

光譜儀的原理是利用分光棱鏡將某一點(diǎn)發(fā)出的不同波段的可見光按等間隔波段分開后，通過線陣的CCD完成光電轉(zhuǎn)換，最后得出待測點(diǎn)的光譜分布，從而得出其亮度值和色度值。

由于是逐點(diǎn)測量，所以光譜儀測量具備很高的測量精度，也具有很好的測量一致性。早期有部分LED顯示屏制造商采用了這項(xiàng)技術(shù)。但LED顯示屏在現(xiàn)場使用一段時(shí)間（通常在半年~兩年）后，每一顆LED都會(huì)有不同程度的亮度和色度的變化，而基于光譜儀的校正技術(shù)只能一次測量一個(gè)點(diǎn)，只能在生產(chǎn)的過程中在線測量，無法在現(xiàn)場進(jìn)行校正，這使得該項(xiàng)技術(shù)在LED電子顯示屏的逐點(diǎn)校正上的應(yīng)用非常受限。

3.基于工業(yè)相機(jī)的LED逐點(diǎn)校正流程：

圖3  基于工業(yè)相機(jī)的逐點(diǎn)校正

基于工業(yè)相機(jī)的LED逐點(diǎn)校正系統(tǒng)一次可以對多個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行測量，測量流程如下：

(1)采用標(biāo)準(zhǔn)光源標(biāo)定相機(jī)和鏡頭。

(2)采用工業(yè)相機(jī)對顯示屏上多個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行成像。

(3)用戶設(shè)定校正后的目標(biāo)值，包括白屏亮度，紅分量、綠分量和藍(lán)分量的色度。

(4)主機(jī)軟件對像素點(diǎn)定位，并且依據(jù)得到的圖像計(jì)算每一個(gè)像素點(diǎn)的亮度和色度值。

(5)主機(jī)軟件計(jì)算出每一個(gè)點(diǎn)的校正系數(shù)矩陣。

(6)將校正系數(shù)矩陣發(fā)送至顯示屏，顯示屏針對每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行矩陣運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)校正。

4.基于工業(yè)相機(jī)的LED逐點(diǎn)校正系統(tǒng)校正效果如下：

圖4 校正前與校正后的LED顯示屏效果對比

5.基于工業(yè)相機(jī)的LED逐點(diǎn)校正方案的關(guān)鍵問題：

在用工業(yè)相機(jī)對LED進(jìn)行逐點(diǎn)校正的時(shí)候，需要注意以下幾個(gè)關(guān)鍵問題：

(1)工業(yè)相機(jī)的選擇；

(2)鏡頭的標(biāo)定；

(3)分區(qū)校正；

(4)校正系數(shù)的數(shù)據(jù)管理；

5.1工業(yè)相機(jī)的選擇：

LED電子顯示屏的亮度和色度測量需要非常高的精度，成像質(zhì)量尤為重要，而工業(yè)相機(jī)所使用的傳感器則是決定成像質(zhì)量的首要的因素。常見的工業(yè)相機(jī)傳感器如下：

全幀CCD(Full Frame CCD)；

幀轉(zhuǎn)移CCD（Frame Transfer CCD）；

行間轉(zhuǎn)移CCD（Progressive Interline Transfer CCD）；

CMOS

圖5 常見CCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)

全幀CCD（Full Frame CCD）具備非常高的靈敏度和大的動(dòng)態(tài)范圍。

幀轉(zhuǎn)移CCD（Frame Transfer CCD）也具備非常高的靈敏度和大的動(dòng)態(tài)范圍，它與全幀CCD唯一的不同是因?yàn)橛袝捍鎱^(qū)，所以無需快門可以拍攝運(yùn)動(dòng)物體（LED測量屬靜態(tài)測量）。

行間轉(zhuǎn)移CCD（Interline Transfer CCD）的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和信噪比不是太高。

CMOS是近10年才發(fā)展的技術(shù)，有著很高的讀出速率和很好的性價(jià)比，但由于其電荷到電壓的轉(zhuǎn)換集成在像元內(nèi)，所以電路噪聲比較高。

對于圖像傳感器，除了結(jié)構(gòu)和材料以外，像元尺寸、填充因子也是很重要的標(biāo)準(zhǔn)，一般來說，像元尺寸越大和填充因子越高，相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度和信噪比也越高。

綜上所述，對于LED電子顯示屏測量，大像元尺寸（10um*10um以上）的全幀CCD是最佳選擇，最好選擇制冷型的工業(yè)相機(jī)以降低工業(yè)相機(jī)的噪聲。

5.2 鏡頭的標(biāo)定：

鏡頭屬于比較復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，除了制造工藝的不一致性以外，鏡頭本身固有的需要校正的因素有：（1） 由光圈帶來的鏡頭焦平面上光強(qiáng)不一致，具體表現(xiàn)為中心區(qū)域的光強(qiáng)比周邊區(qū)域的光強(qiáng)強(qiáng)。（2） 鏡頭引起的幾何畸變，具體表現(xiàn)為在鏡頭邊緣會(huì)出現(xiàn)內(nèi)縮的畸變。對于前者，可以通過標(biāo)準(zhǔn)光源，取參考圖，通過算法可以得到校正系數(shù)。對于后者，則需要盡量采用長焦鏡頭（最好選擇焦距為150mm以上的鏡頭），因?yàn)殓R頭焦距越長，幾何畸變越小。

5.3 分區(qū)校正：

對于選定的鏡頭，在對大型電子顯示屏進(jìn)行校正時(shí)（我課題組研發(fā)的的LED顯示屏控制系統(tǒng)結(jié)合專用校正系統(tǒng)曾經(jīng)校正過面積達(dá)1312m²的戶外全彩屏），由于每一個(gè)顯示屏上的像素點(diǎn)需要相機(jī)上的大約10*10個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行采樣，所以需要分區(qū)校正。

由于每一個(gè)區(qū)的校正時(shí)間比較長（約1個(gè)小時(shí)），此期間空氣的濕度以及外圍環(huán)境光的變化，以及相機(jī)的視角的變化，會(huì)在校正后的區(qū)域邊界有邊界線，所以最后要對全屏進(jìn)行一次校正來消除邊界線。

5.4 校正系數(shù)的數(shù)據(jù)庫管理：

LED電子顯示屏的維護(hù)是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，顯示屏在投入使用的2年里亮度會(huì)有著明顯的下降，色度也會(huì)有漂移，所以出廠的時(shí)候的校正系數(shù)只有比較短的時(shí)效性。系統(tǒng)集成商或電子顯示屏制造廠商需要根據(jù)自己的實(shí)際需求管理好校正系數(shù)數(shù)據(jù)庫。在考慮數(shù)據(jù)庫管理方案的時(shí)候，需要考慮如下問題：

(1)數(shù)據(jù)庫管理的最小單位一般是廠商維修屏體故障時(shí)更換的最小單位，一般為模塊。

(2)顯示屏如果在投入使用的初期出現(xiàn)了故障燈，在換模塊的時(shí)候可采用與新模塊對應(yīng)的出廠校正系數(shù)；

(3)顯示屏在投入使用一定時(shí)期后，如果出現(xiàn)了故障燈，因?yàn)轱@示屏上原來的模塊已經(jīng)有了比較明顯的衰減，所以重新?lián)Q的模塊出廠時(shí)的校正系數(shù)就不再適用，需要手工修正后或重新校正。

(4)顯示屏在使用一定的時(shí)期后，各LED會(huì)因?yàn)椴煌潭鹊乃p，需要在現(xiàn)場進(jìn)行校正，以保證顯示屏的顯示效果。

6．總結(jié)：

結(jié)合高端工業(yè)相機(jī)和專用圖像處理軟件，該方案在我課題組研發(fā)的LED控制系統(tǒng)中對大型LED顯示屏校正的結(jié)果表明，可實(shí)現(xiàn)整屏中的LED亮度誤差小于百分之一，色度誤差Cx/Cy小于0.003，從而明顯地提升了LED顯示屏的亮度和色度一致性，有效提高了顯示屏的圖像質(zhì)量。

維視智造多年來致力于機(jī)器視覺技術(shù)在電子行業(yè)的檢測應(yīng)用，不斷解決工業(yè)客戶不同需求問題，歡迎咨詢4000400860，我們給您出方案！

參考文獻(xiàn)

[1] 周晶晶，色彩校正方法的研究及其在LED顯示屏上的應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)碩士論文，2008年3月[2] 袁勝春，選擇適合您的工業(yè)相機(jī)，機(jī)器視覺， 2007年1月.

作者：  袁勝春（1979.10－）湖北黃岡人，西安電子科技大學(xué)技術(shù)物理學(xué)院教師，博士研究生。