LED顯示屏色度校正原理與應(yīng)用(精)

1、LED 顯示屏色度校正原理與應(yīng)用深圳中科維優(yōu)科技有限公司張俏梅隨著逐點(diǎn)校正的技術(shù)進(jìn)步，客戶對 LED 屏的顯示質(zhì)量要求也越來越高，從僅僅追 求亮度與白平衡指標(biāo)，漸漸提升到了對顯示均勻度和色保真度的要求。利用逐點(diǎn)校 正技術(shù)大幅提升顯示屏的均勻度，當(dāng)前正處于快速的普及應(yīng)用進(jìn)程中，而色度校正的 需求也漸漸浮出水面，越來越為業(yè)內(nèi)所關(guān)注。本文將簡要介紹 LED 顯示屏色度校正 的原理、應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)方法與技巧。1、色度校正基礎(chǔ)概念LED 顯示屏的色度測量與計(jì)算需使用 CIE XYZ 1931 標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)。為了后面 引入色度校正的計(jì)算公式，首先對色度校正相關(guān)的基本概念做一簡單梳理：1.1 三刺激值根據(jù)格拉斯

2、曼顏色匹配原理，選擇三種原色，三原色中任何一種顏色不能由其他 兩種原色相加混合得到，如 RGB 三原色，通過選一特定白光做為標(biāo)準(zhǔn)，定出三原色的 相對亮度單位，則其他顏色的光可以看成是由不同數(shù)量的三原色光混合而成，所需的三原色各自的數(shù)量就是三刺激值。CIE XYZ 1931 色度系統(tǒng),使用了三個(gè)假想的原色，X,Y,Z替代 RGB 三原色, 通過匹配等能白光定出三種原色的單位。在定量表達(dá)某種光源的亮度與色度時(shí)，色度學(xué)方程可表達(dá)如下：CC=XX+YY+ZZ( 式 1式中的 X,Y,Z 即三刺激值，而混合色的三刺激值為各組成色的三刺激值之和 注意,三原色中只有Y原色既代表色品又代表亮度，X,Z只代表色

3、品。1.2 色坐標(biāo)CIE XYZ 1931 色度系統(tǒng)中的色坐標(biāo) x, y, z 與三刺激值 XYZ 之間的關(guān)系式如下ZY X Zz Z Y X YyZY X Xx +=+=+=（式 2可以看到,x, y, z 并不獨(dú)立,x+y+z=1,因此一般只用 x,y 兩個(gè)色坐標(biāo)即可唯一地表達(dá)色品。有了三刺激值，就可以計(jì)算得到色坐標(biāo) x,y。反之，有了色坐標(biāo) x,y,和 Y,也可以計(jì)算出三刺激值 XYZ,如下式所示：YX *=（式 3三刺激值 XYZ 是混色疊加計(jì)算的基礎(chǔ)，而混色疊加計(jì)算正是色度校正的理論基1.3 色域空間色域就是指某種表色模式所能表達(dá)的顏色數(shù)量所構(gòu)成的范圍區(qū)域，也指具體介 質(zhì)如屏幕顯示、

4、數(shù)碼輸出及印刷復(fù)制所能表現(xiàn)的顏色范圍。對于 LED 顯示屏來說,對應(yīng)到 CIE 1931 色品圖(參見圖 1 上，就是三原色色坐標(biāo) 連線構(gòu)成的色域三角形和設(shè)定的白點(diǎn)。三原色色域三角形決定了該LED 顯示屏能表現(xiàn)的色彩。而白點(diǎn)定義了所需要的三原色配比，也就是單位量。一張顯示屏生產(chǎn) 完成，其色域三角形就確定了，而調(diào)整白平衡可通過調(diào)電阻等方法改變 RGB 的配比 來實(shí)現(xiàn)。三原色色域三角形內(nèi)部的顏色為顯示屏通過三原色的混色可實(shí)現(xiàn)的全部顏色。 因此，一張 LED 顯示屏的原始色域空間定義應(yīng)包含以下參數(shù)：(Rx,Ry;(Gx,Gy;(Bx,By;(Wx,Wy;以上四組色坐標(biāo)分別為顯示屏顯示為(R255,G

5、0,B0、(R0,G255,B0、(R0,G0,B255以及(R255,G255,B255 等紅綠藍(lán)白四色時(shí)的色坐標(biāo)。白色由 RGB 三原色混色而成，因此,如給出 RGB 三色的亮度值 RY,GY,BY,就可 以計(jì)算出 RGB 三色各自的三刺激值。RX RY RZ RY*Rx/Ry RY RY*(1-Rx-Ry/Ry GX GY GZ GY*Gx/Gy GY GY*(1-Gx-Gy/Gy BX BY BZ BY*Bx/By BY BY*(1-Bx-By/By ?=?4 而白色的色坐標(biāo) Wx,Wy 以及白色亮度值 WY 都可以通過 RGB 三色的 XYZ 三刺激值的疊加計(jì)算得到：WX RX GX

6、 BX WY RY GY+BY WZ RZ GZ BZ +? ? =+? ? ? ?+? ?反之,給出白色的色坐標(biāo)和亮度值，也可以計(jì)算得到所需的 RGB 三原色亮度 值。（圖 1說明:圖中的藍(lán)色與白色大三角形為假定的兩塊 LED 屏的原始色域空間，內(nèi)部的 黑色小三角形為設(shè)定的目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)色域空間 SRGB,該色域三角形被兩個(gè)原始色域三 角形完全包含，因此是兩塊顯示屏都可以通過校正實(shí)現(xiàn)的色域空間。2、色度校正應(yīng)用領(lǐng)域2.1 提高色保真度LED 屏色度校正最本原的應(yīng)用服務(wù)于提高顯示的色保真度，使顯示的圖像與源 圖像的顏色一致，更真實(shí)地還原自然色彩。通俗一點(diǎn)說，就是讓顯示的色彩更 正”。LED 屏上的顯

7、示內(nèi)容一般來自電視攝像機(jī)、相機(jī)，或計(jì)算機(jī)。而電視與計(jì)算機(jī) 監(jiān)視器的色域空間與 LED 屏的色域空間不一致，就造成了顯示色彩失真的現(xiàn)象。如 常見的電視的色域空間標(biāo)準(zhǔn) PAL、NTSC,電腦監(jiān)視器的色域空間標(biāo)準(zhǔn) SRGB 等，都 與 LED顯示屏固有的色域空間不一致。LED 色域空間較大，色彩表現(xiàn)通常過飽和, 視覺感受是更艷麗、夸張，因而失真。色度校正的目標(biāo)之一，就是將顯示屏的色域空間校正到視頻或圖像源的色域空 間上,或盡可能接近，以改善顯示的色保真度。2.2 不同批次箱體混用租賃屏主經(jīng)常會(huì)遇到這種情況：分時(shí)段采購的批量箱體，希望能一起混用，方便承接更大的演出項(xiàng)目。工程商有時(shí)也會(huì)遭遇客戶的要求，希

8、望將一塊原有的顯示屏擴(kuò)大面積，新制作一部分箱體和老屏拼接成一塊大屏。然而，不同批次的箱體因?yàn)樵剂炼扰c原始色域空間的差異，各自為政,格格不 入。此時(shí)，色度校正可以將不同批次的箱體的原始色域空間校正到一個(gè)重合的目標(biāo) 色域空間上，從而實(shí)現(xiàn)不同批次箱體混用和新老屏的拼接。2.3 色度均勻性校正色度均勻性校正目的是改善顯示屏的像素間色差。 此時(shí)，每一個(gè)像素點(diǎn)，一組 RGB燈的組合，都可視為一個(gè)色域空間，色度校正要完成的任務(wù)是將顯示屏上所有像 素?cái)?shù)量的色域空間校正到同一個(gè)色域空間上。當(dāng)前分光分色機(jī)的分色精度和有效的混燈技術(shù)，使得色度均勻性的應(yīng)用場合非 常有限。因?yàn)槿搜蹖ο袼丶壍纳罘直媪s為 4nm,而

9、分光分色機(jī)的分色精度普遍 可達(dá)到nm。除非將非常多批次且少量的庫存 LED 燈用于同一張屏，色度均勻性 校正才是必要的。3、色度校正原理在清晰了色度概念和色度校正的應(yīng)用領(lǐng)域后，讓我們來看看 LED 顯示屏色度校 正的原理和具體實(shí)現(xiàn)方法。色度校正的原理就是色域空間變換。將 LED 屏固有的寬色域空間變換到一個(gè) 用戶設(shè)定的目標(biāo)色域空間上，該目標(biāo)色域空間可以是標(biāo)準(zhǔn)色域空間，也可以是用戶自 定義的一個(gè)色域空間。對于 LED 屏來說，要保證顯示質(zhì)量，必須在色度校正的同時(shí)，保證亮度的均勻 度。因此亮色校正一定是同步完成的。因此應(yīng)同時(shí)給出校正的目標(biāo)亮度值。3.1 色域空間轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣的計(jì)算色域空間轉(zhuǎn)換首先需

10、要確定原始色域空間三刺激值矩陣XYZ_orig in al和目標(biāo)色域空間三刺激值矩陣XYZ_target,從而計(jì)算出轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣con versi on _coefficie nt。RX_orig RY_orig RZ_orig XYZ _origi nalGX_orig GY_orig GZ_orig BX_origBY_orig BZ_orig ? ? ? =? ?（式 6RX_targ RY_targ RZ_targ XYZ _t arg etGX_targ GY_targ GZ_targ BX_targBY_targ BZ_targ ? ?=?(式 7令RR RG RB con ver

11、sion _coefficie nt=GR GG GB BR BG BB ? ? (式 8?據(jù)色域空間變換的需要，有：conversion_coefficient *XYZ_original= XYZ_target( 式 9 由上式可得到：conversion_coefficient= XYZ_target* XYZ_original-1 ( 式 10 式 8 的轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣中，RR 為顯示源信號(hào)為紅色時(shí)，紅燈的亮度系數(shù)；RG 為顯示源信號(hào)為紅色時(shí)，綠燈的亮度系數(shù)；RB 為顯示源信號(hào)為紅色時(shí)，藍(lán)燈的亮度系數(shù)；GR 為顯示源信號(hào)為綠色時(shí)，紅燈的亮度系數(shù)；GG 為顯示源信號(hào)為綠色時(shí)，綠燈的亮度系數(shù)

12、；GB 為顯示源信號(hào)為綠色時(shí)，藍(lán)燈的亮度系數(shù);BR 為顯示源信號(hào)為藍(lán)色時(shí)，紅燈的亮度系數(shù)BG 為顯示源信號(hào)為藍(lán)色時(shí)，綠燈的亮度系數(shù)；BB 為顯示源信號(hào)為藍(lán)色時(shí)，藍(lán)燈的亮度系數(shù)；3.2 色域空間轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣的應(yīng)用得到逐像素的色域空間轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣后，控制系統(tǒng)將顯示源信號(hào)進(jìn)行逐像素的 實(shí)時(shí)運(yùn)算，就可以將顯示屏的色域空間調(diào)整至目標(biāo)色域空間了。假設(shè)某像素的轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣如下：0.876543 0.111111 0.002222 0.011112 0.765432 0.222223 0.211113 0.0222240.654321? ?當(dāng)顯示信號(hào)為（R255,G128,B64 時(shí)，該像素的三顆燈的實(shí)際點(diǎn)亮

13、情況如下：R = RRR + G * GR + B * BR=255 * 0.876543 + 128 * 0.011112 + 64 * 0.211113=238.45 約等于 238G = R * RG+ G * GG + B * BG=255 * 0.111111 + 128 * 0.765432 + 64 * 0.022224=127.73 約等于 128B = R * RB + G * GB + B * BB=255 * 0.002222 + 128 * 0.222223 + 64 * 0.654321=70.89 （約等于 71即源信號(hào)（R255,G128,B64,在該像素上實(shí)際顯

14、示為（R238,G128,B71。需要注意 的是，以上運(yùn)算基于線性亮度，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)在伽瑪校正后再進(jìn)行系數(shù)的應(yīng)用與線性 運(yùn)算。4、LED 屏色度校正技巧計(jì)算方法和應(yīng)用方法都十分清晰明了，然而在 LED 屏的校正實(shí)踐中，還是有著一些需注意的事項(xiàng)和技巧。4.1 目標(biāo)色域空間設(shè)定目 標(biāo)色域空間的合理設(shè)定十分重要，否則，或者不能實(shí)現(xiàn)，或者白平衡無法達(dá)到， 或者亮度均勻度將受損。1）目標(biāo)色域空間的三原色坐標(biāo)，必須全部位于原始色域 三角形之內(nèi)。原始色域三 角形之外的色彩是這塊顯示屏無法通過混色實(shí)現(xiàn)的。中 科維優(yōu)的 SV-1 校正系統(tǒng)中，提 供 CIE1931色品圖，程序會(huì)繪出原始色域三角形與 目標(biāo)色域三

15、角形，并給出目標(biāo)三原 色已均位于原始色域三角形之內(nèi)的圖解提示， 避免設(shè)定錯(cuò)誤。2）因?yàn)轱@示屏三原色的最高亮度有限，如果目標(biāo)色域空間的白點(diǎn) 坐標(biāo)和亮度值 設(shè)定不合理，將使得顯示屏上大量像素?zé)o法達(dá)到預(yù)定目標(biāo)值，SV-1校正系統(tǒng)中，會(huì)根 據(jù)目標(biāo)色域空間的設(shè)定參數(shù)，計(jì)算出顯示屏上無法達(dá)到目標(biāo)值 的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)、比例與位置，通過模擬圖顯示出來，幫助用戶合理設(shè)定目標(biāo)白點(diǎn) 和亮度。4.2 對顯示屏和控制系統(tǒng)的要求 從 3.2 中的示例色度校正數(shù)據(jù)可以看出， 轉(zhuǎn)換校正系數(shù)中的補(bǔ)色系數(shù)數(shù)值較小，變化較大，有時(shí)只有千分之一，有時(shí)甚至需要達(dá)到 1/3。因此，轉(zhuǎn)換校正系數(shù)的應(yīng)用，對顯示屏和控制系統(tǒng)提出了更高的要求。1）顯示屏必須真正能夠?qū)崿F(xiàn) 12 位以上的灰階；2）控制系統(tǒng)應(yīng)能夠讀入至 少 12 位以上精度的轉(zhuǎn)換校正 9 系數(shù)數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn) 算；滿足以上 2 個(gè)條件， 顯示屏才可能保證色度校正的準(zhǔn)確度和校正后的亮度均勻度。4.3 絕大多數(shù)色度校正的應(yīng)用是色域空間的校正。色域空間的校正需要的原始三原色色坐標(biāo)值