LED顯示屏相機(jī)采集過(guò)程中的漸暈補(bǔ)償

王司潮，鄭喜鳳，毛新越，程宏斌，陳 宇1,

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.長(zhǎng)春希達(dá)電子技術(shù)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130103)

1 引 言

隨著平板顯示技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)平板顯示設(shè)備的需求越來(lái)越大。LED顯示屏以其主動(dòng)發(fā)光、高色彩飽和度、廣視角、高對(duì)比度、無(wú)縫拼接等優(yōu)點(diǎn)，在顯示市場(chǎng)中的需求日益迫切，這就對(duì)LED顯示屏的顯示質(zhì)量提出了更高的要求，評(píng)價(jià)顯示質(zhì)量的重要指標(biāo)之一就是顯示均勻性[1]。

目前提高LED顯示屏顯示均勻性的主要方法是通過(guò)CCD相機(jī)對(duì)顯示屏進(jìn)行亮度采集再校正。但是在采集過(guò)程中，由于相機(jī)成像時(shí)部分軸外光束被攔截，導(dǎo)致離軸越遠(yuǎn)的光線在像面上的光強(qiáng)度越弱，這種現(xiàn)象就是相機(jī)的漸暈[2-7]。相機(jī)的漸暈會(huì)使圖像的邊緣下降，采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致校正后的顯示屏呈現(xiàn)出“中間暗，四周亮”的現(xiàn)象，因此需要進(jìn)行漸暈補(bǔ)償來(lái)提高亮度一致性。

文獻(xiàn)[6]和[7]給出了兩種通過(guò)LED顯示屏進(jìn)行漸暈補(bǔ)償?shù)姆椒?但前者沒(méi)有對(duì)LED的離散性進(jìn)行分析，也沒(méi)有提出解決LED亮度離散性對(duì)相機(jī)漸暈補(bǔ)償影響的方法；后者通過(guò)圖像濾波，只能消除圖像的高頻差異，中、低頻部分無(wú)法去除。文獻(xiàn)[18]提出了基于二維Gauss曲面擬合的圖像灰度補(bǔ)償算法，根據(jù)圖像灰度分布統(tǒng)計(jì)特性估算二維Gauss曲面的各個(gè)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)漸暈補(bǔ)償，但是積分計(jì)算部分準(zhǔn)確度不高，導(dǎo)致結(jié)果也存在一定誤差。文獻(xiàn)[8]提出利用逐行擬合的方法進(jìn)行漸暈效應(yīng)的復(fù)原，可在一定程度上減輕漸暈效應(yīng)的影響，但是當(dāng)相鄰兩行的亮度變化較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生條紋。文獻(xiàn)[9]對(duì)于漸暈現(xiàn)象的研究主要針對(duì)人眼的主觀感受進(jìn)行補(bǔ)償，沒(méi)有從客觀上進(jìn)行亮度還原。

因此，本文提出了一種應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律的相機(jī)漸暈補(bǔ)償方法，通過(guò)高斯濾波和數(shù)據(jù)疊加減小亮度離散性，同時(shí)得到相機(jī)采集的漸暈曲面，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相機(jī)的漸暈補(bǔ)償，可以更好地提高顯示均勻性。此方法在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了理想的效果。

2 LED顯示屏發(fā)光特性

2.1 溫度對(duì)LED發(fā)光強(qiáng)度的影響

LED的核心部分是由P型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體組成的晶片，其實(shí)質(zhì)性結(jié)構(gòu)是P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體之間的過(guò)渡層，稱為 PN 結(jié)。LED的發(fā)光原理是處于激發(fā)態(tài)的電子/空穴從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，與空穴/電子結(jié)合而發(fā)射光子。當(dāng)PN結(jié)溫度上升時(shí)，半導(dǎo)體的晶格振動(dòng)幅度增加，當(dāng)原子的振動(dòng)能量高于一定值時(shí)，電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)會(huì)與晶格原子(或離子)交換能量，發(fā)生無(wú)輻射躍遷，無(wú)法發(fā)射光子，而這種幾率隨著溫度升高呈指數(shù)式增加，因此，當(dāng)溫度上升到一定程度后，半導(dǎo)體的發(fā)光強(qiáng)度就會(huì)下降[10-12]。而且晶格的振動(dòng)，在一定程度上會(huì)影響能級(jí)的分裂，當(dāng)原子能級(jí)變化時(shí)，電子躍遷產(chǎn)生的發(fā)光光譜也會(huì)隨之變化，進(jìn)一步導(dǎo)致LED的亮度改變。

所以工作溫度對(duì)LED的發(fā)光亮度有很大的影響，本文提出的算法針對(duì)室內(nèi)的顯示屏，環(huán)境溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，LED個(gè)體間溫度差異較小，可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)消除溫度造成的亮度差異。

2.2 工作電流對(duì)LED亮度的影響

LED亮度與工作電流的關(guān)系如圖1所示。由圖可知，LED 亮度隨著電流強(qiáng)度的增加而增大，近似為線性關(guān)系[13-14]，且每一個(gè)基色隨電流增大程度也不相同。故而LED顯示屏中的每一個(gè)LED所在的電路均會(huì)影響每個(gè)LED的發(fā)光亮度，這也會(huì)增加顯示屏亮度的離散性差異。本文研究采用恒流驅(qū)動(dòng)的顯示屏，排除因電流變化過(guò)大導(dǎo)致的亮度問(wèn)題。

圖1 LED亮度與工作電流的關(guān)系Fig.1 Relation between LED brightness and working current

2.3 半導(dǎo)體器件自身的亮度離散性

同基色的LED發(fā)光管亮度本身具有很大的離散性，LED平板顯示屏正是由成千上萬(wàn)個(gè)亮度相差比較大的LED發(fā)光管組成，即使是同一亮度檔次的LED發(fā)光管，其亮度也存在30%～60%的偏差，這是造成顯示屏亮度不均勻的根本原因[15-19]。

3 漸暈補(bǔ)償算法

漸暈補(bǔ)償算法的基本思路是：首先通過(guò)濾波降低采集過(guò)程中的噪聲，再應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，降低亮度離散性，得到相機(jī)的漸暈曲面，求逆得到相機(jī)漸暈補(bǔ)償曲面，從而對(duì)LED顯示屏進(jìn)行相機(jī)漸暈補(bǔ)償。

3.1 高斯濾波降噪

采集得到的數(shù)據(jù)不可避免的包括噪聲，因此首先要對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，常用的濾波算法有均值濾波、中值濾波和高斯濾波等。均值濾波使用模板內(nèi)的平均值代替中心值，不能完全消除噪聲，只能相對(duì)減弱噪聲；中值濾波計(jì)算模板內(nèi)的中值，并用中值代替中心值，這種方法雖可較好的消除噪聲，但容易導(dǎo)致圖像的不連續(xù)性。因此選擇高斯濾波器進(jìn)行降噪處理。

高斯濾波器實(shí)現(xiàn)降噪有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是離散化窗口滑窗卷積，另一種是傅里葉變換。由于傅里葉變換過(guò)程復(fù)雜，較難實(shí)現(xiàn)，因此當(dāng)滑窗計(jì)算量不大時(shí)選擇滑窗方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。高斯噪聲的滑窗卷積實(shí)際是一種加權(quán)平均的過(guò)程，每一個(gè)像素點(diǎn)的值，都由其本身和鄰域內(nèi)的其他像素值經(jīng)過(guò)高斯函數(shù)加權(quán)平均后得到，具有低通特性。具體操作是通過(guò)建立模板，在待處理數(shù)據(jù)中移動(dòng)模板，用模板確定的鄰域內(nèi)像素的加權(quán)平均灰度值去替代模板中心像素點(diǎn)的值[9,20]。加權(quán)平均的權(quán)重值是由高斯模板系數(shù)決定的，模板中的系數(shù)通過(guò)高斯函數(shù)計(jì)算，計(jì)算高斯模板參數(shù)時(shí)，通過(guò)高斯公式：

(1)

其中:(x，y)為點(diǎn)坐標(biāo)，σ是標(biāo)準(zhǔn)差。以模板的中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，將各個(gè)位置的坐標(biāo)代入公式(1)中，得到的值就是模板系數(shù)。繪制出的二維高斯圖像如圖2所示。

圖2 二維高斯圖像Fig.2 Two-dimensional Gauss image

3.2 閾值設(shè)定

LED顯示屏的校正標(biāo)準(zhǔn)取決于人眼的視覺(jué)精度[20]。通過(guò)人眼對(duì)比敏感度函數(shù)曲線與文獻(xiàn)[2]中的實(shí)驗(yàn)可知，人眼視覺(jué)敏感性的亮度閾值約為1.2%，也就是說(shuō)當(dāng)亮度差異小于1.2%時(shí)，人眼基本無(wú)法分辨出亮度差異。因此，當(dāng)像素亮度的最大相對(duì)誤差小于1.2%時(shí)，可以認(rèn)為人眼已經(jīng)分辨不出亮度差異，顯示屏呈現(xiàn)亮度一致性。

3.3 漸暈補(bǔ)償

(1)設(shè)定型號(hào)A箱體，對(duì)該型號(hào)箱體進(jìn)行暗場(chǎng)采集，得到暗電流噪聲，設(shè)暗電流噪聲矩陣為D，每個(gè)像素的暗電流噪聲記為為dxy(x，y為各像素點(diǎn)橫縱位置坐標(biāo))。即：

(2)

(2)使用相機(jī)在暗室對(duì)一定數(shù)量的A型號(hào)的箱體進(jìn)行亮度采集，第k個(gè)顯示屏箱體的原始亮度矩陣記為L(zhǎng)k(k=1,2，3，…，n)，通過(guò)高斯濾波去除高頻噪聲后亮度矩陣記為Fk，每個(gè)像素的亮度為fxy(x，y為各像素點(diǎn)橫縱位置坐標(biāo))。即：

(3)

(3)將采集到的每箱LED顯示屏亮度值疊加，令

(4)

其中：μk為去除暗電流噪聲后k個(gè)箱體亮度數(shù)據(jù)的平均值矩陣，Δk為第k次疊加后與第k-1次疊加后的相對(duì)亮度差異矩陣，Δkmax為該矩陣最大相對(duì)亮度差異，則

(5)

Δkmax=max(|Δk|)，

(6)

當(dāng)滿足公式(7)時(shí)，停止疊加，認(rèn)為此時(shí)得到的即為光滑的相機(jī)漸暈曲面，記第(k+2)次的曲面為P(x，y)(x，y為各像素點(diǎn)橫縱位置坐標(biāo))。

(7)

(4)對(duì)相機(jī)漸暈曲面的每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行取倒數(shù)運(yùn)算，得到相機(jī)漸暈的補(bǔ)償曲面S(x，y)，用補(bǔ)償曲面S(x，y)對(duì)LED顯示屏進(jìn)行漸暈補(bǔ)償。

(5)用光譜色度計(jì)對(duì)修正后的LED顯示屏進(jìn)行亮度測(cè)量，分析修正后的亮度均勻性。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 箱體驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取一定數(shù)量的160×160個(gè)像素點(diǎn)的A型LED顯示屏箱體，像素點(diǎn)間距為1.27 mm，對(duì)箱體進(jìn)行標(biāo)號(hào)。首先使用光譜色度計(jì)對(duì)1號(hào)箱體亮度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方法按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SJ/T 11281_2017 中 4.21 規(guī)定的方法進(jìn)行。設(shè)定測(cè)量步長(zhǎng)為16，得到一個(gè)10×10的亮度矩陣Qxy(x，y= 0～9)。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，經(jīng)計(jì)算得Qxy的最大亮度差異約為9%。

表1 漸暈補(bǔ)償前亮度值Tab.1 Brightness value before vignetting compensation cd/m2

繪制出的亮度分布如圖3所示。

圖3 補(bǔ)償前亮度分布Fig.3 Brightness distribution before compensation

使用CCD相機(jī)在暗室環(huán)境下對(duì)A型號(hào)LED顯示屏進(jìn)行暗場(chǎng)采集，相機(jī)距顯示屏5 m，得到暗電流噪聲。

接下來(lái)進(jìn)行亮度采集，首先在暗室環(huán)境下采集一組LED顯示屏的亮度，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯濾波，為有效抑制圖像的高頻噪聲并保留低頻分量，本文采用5×5標(biāo)準(zhǔn)差為1的模板，以保證輸出響應(yīng)仍在原來(lái)的亮度范圍。去掉高頻噪聲與暗電流噪聲后后，LED顯示屏的亮度差異就是亮度離散性差異與相機(jī)漸暈帶來(lái)的。為了更好地觀察采集數(shù)據(jù)的離散性，提取出中心行亮度并繪制曲線圖，對(duì)數(shù)據(jù)歸一化后中心行亮度分布如圖3所示。通過(guò)中心行亮度曲線圖可以看出，由于亮度的離散性導(dǎo)致采集形成的亮度數(shù)據(jù)曲線并不光滑，產(chǎn)生的“毛刺”非常明顯。

接下來(lái)在同樣的測(cè)量條件下，重復(fù)上述操作，對(duì)下一個(gè)同樣的A型號(hào)箱體進(jìn)行亮度測(cè)采集，并將第二次與第一次測(cè)量數(shù)據(jù)疊加，去除暗電流噪聲后取平均，以此類推，采集到第5個(gè)箱體時(shí)，濾波后中心行亮度歸一化后曲線圖如圖4所示。

由圖4可以看出，由于亮度離散性導(dǎo)致的“毛刺”現(xiàn)象較只采集一個(gè)箱體時(shí)有所改善，但曲線仍不光滑，故繼續(xù)采集并將數(shù)據(jù)疊加。

圖4 第1箱顯示屏亮度。(a)亮度曲面圖；(b)中心行亮度曲線圖。Fig.4 Brightness of the 1st box display screen.(a)Brightness surface;(b)Brightness curve of central tine.

圖5 第5箱亮度中心行斷面曲線圖Fig.5 Brightness curve of central line of the 5th box display screen

當(dāng)疊加至第20個(gè)箱體的亮度數(shù)據(jù)時(shí)，已經(jīng)得到一個(gè)較為光滑的曲線。高斯濾波后歸一化的數(shù)據(jù)如圖5所示。

經(jīng)計(jì)算，Δ18=1.08%，Δ19=1.02%，Δ20=0.98%，符合閾值條件，停止疊加，認(rèn)為該曲面已經(jīng)消除了亮度離散性差異，是一個(gè)光滑的相機(jī)漸暈曲面。

對(duì)該光滑漸暈曲面進(jìn)行求逆運(yùn)算，得到漸暈補(bǔ)償曲面，將漸暈補(bǔ)償曲面作為修正系數(shù)對(duì)1號(hào)LED顯示屏進(jìn)行漸暈補(bǔ)償。補(bǔ)償后亮度歸一化分布如圖6所示。

圖6 第20箱顯示屏中心行亮度曲線Fig.6 Brightness curve of center line of the 20th box display screen

圖7 漸暈補(bǔ)償后亮度。(a)亮度曲面圖；(b)中心行亮度曲線圖。Fig.7 Brightness after vignetting compensation.(a)Brightness surface;(b)Brightneis curve of centra line.

4.2 數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)論

用光譜色度計(jì)對(duì)漸暈補(bǔ)償后的1號(hào)LED顯示屏進(jìn)行亮度測(cè)量，設(shè)定步長(zhǎng)為16，得到修正后的10×10亮度矩陣Sxy(x，y= 0～9)。測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 漸暈補(bǔ)償后亮度值Tab.2 Brightness value after vignetting compensation cd/m2

續(xù) 表

圖8 補(bǔ)償后亮度分布Fig.8 Brightness distribution after compensation

繪制此時(shí)的亮度分布圖，如圖8所示。

計(jì)算Sxy各元素的最大亮度差異：

(8)

可見，經(jīng)過(guò)漸暈補(bǔ)償后，LED顯示屏的亮度差異較漸暈補(bǔ)償前的9%有很大改進(jìn)，大大提高了顯示屏的顯示均勻性。

同時(shí)使用現(xiàn)階段工程中使用的漸暈補(bǔ)償算法對(duì)該顯示屏進(jìn)行漸暈補(bǔ)償，使用光譜色度計(jì)用同樣的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，得到修正后的10×10亮度矩陣Nxy(x，y= 0～9)。測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 漸暈補(bǔ)償后亮度值Tab.3 Brightness value after vignetting compensation cd/m2

圖9 補(bǔ)償后亮度分布Fig.9 Brightness distribution after compensation

亮度分布如圖9所示。

計(jì)算Nxy各元素的最大亮度差異：

(9)

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，經(jīng)現(xiàn)階段工程中使用的漸暈補(bǔ)償方法補(bǔ)償后的顯示屏的最大亮度差異為1.15%，本文算法可以將顯示屏的最大亮度差異降低至0.86%，較現(xiàn)有方法而言有較大進(jìn)步。而且經(jīng)過(guò)大量不同的顯示屏驗(yàn)證證明本文的算法具有高準(zhǔn)確性和普適性，對(duì)多塊不同的顯示屏的漸暈補(bǔ)償效果較好。

5 結(jié) 論

本文從降低LED發(fā)光像素自身的亮度離散特性角度出發(fā)，提出了一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的相機(jī)漸暈補(bǔ)償算法。在高斯濾波消除高頻混疊噪聲的基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)迭代的方法得到光滑的相機(jī)漸暈曲面，求逆得到相機(jī)漸暈修正系數(shù)，從而對(duì)LED顯示屏進(jìn)行漸暈補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)該方法修正后的顯示屏，最大亮度差異由9%降低至0.86%，證明了該方法的有效性。而且在實(shí)際工程應(yīng)用中，該方法只需用相機(jī)對(duì)LED顯示屏箱體進(jìn)行亮度采集，操作簡(jiǎn)單，可實(shí)施性高。此外，由于本文的算法是對(duì)針對(duì)相機(jī)提出的補(bǔ)償算法，故而該方法適應(yīng)于任何平板顯示產(chǎn)品，尤其適用于高密度、小間距的顯示產(chǎn)品。