LED顯示屏色度校正原理與應(yīng)用

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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(cè)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(duì)色度校正相關(guān)的基本概念做一簡(jiǎn)單梳理:1.1 三刺激值根據(jù)格拉斯曼顏色匹配原理

2、,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(duì)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 只代表色品。1.2 色坐標(biāo)CIE

3、 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 Yy ZY 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:Yy zZ Y Y Yy xX *= (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礎(chǔ)。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、數(shù)碼輸出及

4、印刷復(fù)制所能表現(xiàn)的顏色范圍。對(duì)于LED 顯示屏來說,對(duì)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,G0,B0、(R0,G255,B

5、0、(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 = (式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 BX WY RY GY+BY WZ RZ GZ

6、 BZ +=+(式5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

7、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

8、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(chǎng)合非常有限。因?yàn)槿搜蹖?duì)像素級(jí)的色差分辨力約為4nm,而分光分色機(jī)的分色精度普遍可達(dá)到±1nm。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。

9、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(duì)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)換首先需要確定原始色域空間三刺激值矩陣XYZ_original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conv

10、ersion_coefficient。RX_orig RY_orig RZ_orig XYZ _originalGX_orig GY_orig GZ_orig BX_orig BY_orig BZ_orig =(式6RX_targ RY_targ RZ_targ XYZ _t arg etGX_targ GY_targ GZ_targ BX_targ BY_targ BZ_targ =(式7令RR RG RB conversion _coefficient=GR GG GB BR BG BB (式8據(jù)色域空間變換的需要,有:conversion_coefficient *XYZ_origina

11、l= 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);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

12、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 0.022224 0.654321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)亮情況如下: R = R * RR + G * GR + B * BR= 238.45 (約等于238G = R * RG + G * GG + B * BG= 127.73 (約等于 128B = R *

13、 RB + G * GB + B * BB= 70.89 (約等于 71即源信號(hào)(R255,G128,B64,在該像素上實(shí)際顯示為(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

14、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(duì)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(duì)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，可以使用常規(guī)的彩色亮度計(jì)測(cè)量區(qū)