基于工业相机的LED电子显示屏逐点校正技术

　　摘要：针对LED电子显示屏在生产和使用过程中亮度和色度的不一致性问题，本文探讨了LED显示屏逐点校正技术，着重介绍了基于工业相机的逐点校正方案，并且针对该方案提出了实用可行的建议。

　　关键词： 逐点校正 工业相机 LED显示屏

　　由于LED制造过程中的工艺问题，加上在使用的过程中LED不同程度的亮度衰减和色度漂移，LED显示屏亮度和色度的不一致性一直困扰着众多显示屏制造厂商。

　　1．LED的亮度和色度的不一致性：

　　按照LED制造商的工业分级标准，同一批次的LED允许亮度误差为20%~40%，允许色度误差为5nm。对于将视频源放大数百倍甚至数千倍的LED电子显示屏，人眼可以分辨模块之间色度1~2%的差异，色度1~2nm的差异。并且，在电子显示屏的使用过程中，每一颗LED灯都会有不同程度的亮度衰减和色度的漂移。这些因素严重地影响了LED电子显示屏的显示效果。

　　图1 LED的亮度和色度的不一致性影响了电子显示屏的显示效果

　　在显示动态视频时，由于视频图像的快速切换和人眼的视觉惰性，上述显示缺陷还不是太明显，但在显示静态图像时(一般在显示广告客户的Logo时)，上述影响就很容易被人眼觉察。

　　2．LED亮度和色度校正原理：

　　由于LED的色度随着电流变化会发生比较明显的变化，一般采取PWM脉宽调制来调节LED亮度。

　　像素点的色度和亮度校正是通过分别调节该点的红绿蓝分量来实现的。例如，当红色的分量的亮度和色度都不准确时，如果只是通过PWM脉宽调制红色LED，那么只能调节亮度，不能调节色度。所以，除了调节红色LED以外，还需要通过绿色LED和蓝色LED来弥补亮度和色度的误差，从而实现一个像素点的一个分量的校正。因此对于每个需要校正的像素点，需要3*3的校正系数矩阵与之相乘。通过与校正系数对应的脉冲宽度来驱动LED，从而使得整个显示屏的亮度和色度获得很高的一致性。

　　3．基于光谱仪的逐点校正技术：

　　早期的逐点校正技术是基于光谱仪(Spectroradiometer)的点校正技术(图2) 。

　　图2 基于光谱仪的逐点校正

　　光谱仪的原理是利用分光棱镜将某一点发出的不同波段的可见光按等间隔波段分开后，通过线阵的CCD完成光电转换，最后得出待测点的光谱分布，从而得出其亮度值和色度值。

　　由于是逐点测量，所以光谱仪测量具备很高的测量精度，也具有很好的测量一致性。早期有部分LED显示屏制造商采用了这项技术。但LED显示屏在现场使用一段时间(通常在半年~两年)后，每一颗LED都会有不同程度的亮度和色度的变化，而基于光谱仪的校正技术只能一次测量一个点，只能在生产的过程中在线测量，无法在现场进行校正，这使得该项技术在LED电子显示屏的逐点校正上的应用非常受限。

　　 4 ．基于工业相机的LED逐点校正流程：

　　图3 基于工业相机的逐点校正

　　基于工业相机的LED逐点校正系统一次可以对多个像素点进行测量，测量流程如下：

　　(1)      采用标准光源标定相机和镜头。

　　(2)      采用工业相机对显示屏上多个像素点进行成像。

　　(3)      用户设定校正后的目标值，包括白屏亮度，红分量、绿分量和蓝分量的色度。

　　(4)      主机软件对像素点定位，并且依据得到的图像计算每一个像素点的亮度和色度值

　　(5)      主机软件计算出每一个点的校正系数矩阵。

　　(6)      将校正系数矩阵发送至显示屏，显示屏针对每一个点进行矩阵运算，实现逐点校正。

　　基于工业相机的LED逐点校正系统校正效果如下：

　　校正前                                               校正后

　　图4 校正前与校正后的LED显示屏效果对比

　　5．基于工业相机的LED逐点校正方案的关键问题：

　　在用工业相机对LED进行逐点校正的时候，需要注意以下几个关键问题：

　　(1)      工业相机的选择;

　　(2)      镜头的标定;

　　(3)      分区校正;

　　(4)      校正系数的数据管理;

　　5.1 工业相机的选择：

　　LED电子显示屏的亮度和色度测量需要非常高的精度，成像质量尤为重要，而工业相机所使用的传感器则是决定成像质量的首要的因素。常见的工业相机传感器如下：

　　全帧CCD(Full Frame CCD);

　　帧转移CCD(Frame Transfer CCD);

　　行间转移CCD(Progressive Interline Transfer CCD);

　　CMOS

　　全帧CCD(Full Frame CCD)具备非常高的灵敏度和大的动态范围。

　　图5 常见CCD内部结构

　　帧转移CCD(Frame Transfer CCD)也具备非常高的灵敏度和大的动态范围，它与全帧CCD唯一的不同是因为有暂存区，所以无需快门可以拍摄运动物体(LED测量属静态测量)。

　　行间转移CCD(Interline Transfer CCD)的灵敏度、动态范围和信噪比不是太高。

　　CMOS是近10年才发展的技术，有着很高的读出速率和很好的性价比，但由于其电荷到电压的转换集成在像元内，所以电路噪声比较高。

　　对于图像传感器，除了结构和材料以外，像元尺寸、填充因子也是很重要的标准，一般来说，像元尺寸越大和填充因子越高，相机的动态范围、灵敏度和信噪比也越高。

　　综上所述，对于LED电子显示屏测量，大像元尺寸(10um*10um以上)的全帧CCD是最佳选择，最好选择制冷型的工业相机以降低工业相机的噪声。

　　5.2 镜头的标定：

　　镜头属于比较复杂的光学系统，除了制造工艺的不一致性以外，镜头本身固有的需要校正的因素有：

　　(1)     由光圈带来的镜头焦平面上光强不一致，具体表现为中心区域的光强比周边区域的光强强。

　　(2)     镜头引起的几何畸变，具体表现为在镜头边缘会出现内缩的畸变。

　　对于前者，可以通过标准光源，取参考图，通过算法可以得到校正系数。对于后者，则需要尽量采用长焦镜头(最好选择焦距为150mm以上的镜头)，因为镜头焦距越长，几何畸变越小。

　　5.3 分区校正：

　　对于选定的镜头，在对大型电子显示屏进行校正时(我课题组研发的的LED显示屏控制系统结合专用校正系统曾经校正过面积达1312平方米的户外全彩屏)，由于每一个显示屏上的像素点需要相机上的大约10*10个像素点进行采样，所以需要分区校正。

　　由于每一个区的校正时间比较长(约1个小时)，此期间空气的湿度以及外围环境光的变化，以及相机的视角的变化，会在校正后的区域边界有边界线，所以最后要对全屏进行一次校正来消除边界线。

　　5.4 校正系数的数据库管理：

　　LED电子显示屏的维护是一个比较复杂的问题，显示屏在投入使用的2年里亮度会有着明显的下降，色度也会有漂移，所以出厂的时候的校正系数只有比较短的时效性。系统集成商或电子显示屏制造厂商需要根据自己的实际需求管理好校正系数数据库。在考虑数据库管理方案的时候，需要考虑如下问题：

　　(1)      数据库管理的最小单位一般是厂商维修屏体故障时更换的最小单位，一般为模块。

　　(2)      显示屏如果在投入使用的初期出现了故障灯，在换模块的时候可采用与新模块对应的出厂校正系数;

　　(3)      显示屏在投入使用一定时期后，如果出现了故障灯，因为显示屏上原来的模块已经有了比较明显的衰减，所以重新换的模块出厂时的校正系数就不再适用，需要手工修正后或重新校正。

　　(4)      显示屏在使用一定的时期后，各LED会因为不同程度的衰减，需要在现场进行校正，以保证显示屏的显示效果。

　　6．总结：

　　结合高端工业相机和专用图像处理软件，迈锐光电对大型LED显示屏校正的结果表明，可实现整屏中的LED亮度误差小于1%，色度误差Cx/Cy小于0.003，从而明显地提升了LED显示屏的亮度和色度一致性，有效提高了显示屏的图像质量。