新型檢測(cè)戶外全彩LED顯示屏的方法

LED（LightEmittingDiode,發(fā)光二極管）是當(dāng)今世界發(fā)展最為快速的產(chǎn)業(yè)之一。LED高亮度、低能耗、長壽命的特點(diǎn)使得LED顯示屏在戶外平板顯示領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯。但是，LED間存在的光、電學(xué)特性差異通常會(huì)引起LED顯示屏亮度、色度不一致，進(jìn)而破壞顯示屏的白平衡，降低顯示品質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成花屏、馬賽克等問題。在解決這一問題時(shí)，以往的研究主要集中在單個(gè)LED的光電學(xué)特性差異上面，目的在于找到RGB（紅、綠、藍(lán)）三基色LED合適的補(bǔ)償曲線以修正其驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)來改善顯示效果。這類檢測(cè)和校正方案能較好解決花屏、馬賽克等嚴(yán)重問題。可是，即便是同一基色、同一批次的LED間也存在特性差異，且LED全彩顯示屏包含的LED像素點(diǎn)多，在生產(chǎn)、制造的過程中都難免會(huì)出現(xiàn)各種問題，將導(dǎo)致某個(gè)LED像素點(diǎn)不亮，或產(chǎn)生亮度、色度差。所以，這類檢測(cè)方案對(duì)單個(gè)LED像素點(diǎn)的校正效果較差，顯示效果改善有限。作為補(bǔ)償方案，人工目測(cè)也只能檢測(cè)出個(gè)別差異明顯的LED像素點(diǎn)，且對(duì)檢測(cè)人員的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)要求較高；同時(shí)，LED的高亮度也加大了檢測(cè)人員的工作強(qiáng)度，致使檢測(cè)效率低。

　　因此，本文從戶外全彩LED顯示屏整體著手，運(yùn)用數(shù)字圖像處理的方法對(duì)顯示屏上的每個(gè)LED像素點(diǎn)進(jìn)行快速檢測(cè)，目的在于提高檢測(cè)速度和準(zhǔn)確度，從而改善戶外全彩LED顯示屏的顯示效果。

　　1 檢測(cè)原理

　　如圖1所示，計(jì)算機(jī)通過圖像采集/控制模塊將CCD（ChargeCoupledDevices,電荷耦合器件）傳感器采集到的LED顯示屏的顯示圖像進(jìn)行處理。處理過程主要包括LED像素點(diǎn)的定位和亮度、色度的快速檢測(cè)兩部分。

　　1.1 LED像素點(diǎn)的定位

　　要確定LED像素點(diǎn)的位置，首先要對(duì)采集的LED顯示屏圖像進(jìn)行二值化。由基于直方圖的圖像閾值分割方法可以知道：圖像由可以分離的具有不同灰度等級(jí)的一種或多種物體和背景組成。根據(jù)這一原理，圖像的直方圖中將會(huì)呈現(xiàn)多個(gè)峰值，每個(gè)峰值對(duì)應(yīng)一種物體或是背景，要將不同的物體分離開，可以以谷值點(diǎn)為閾值來劃分相鄰峰值。

　　由于LED顯示屏的點(diǎn)陣特性，實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)采集的圖像（如圖2（a）其灰度直方圖（如圖2（b））雙峰分布特征十分明顯。對(duì)于這類情況，采用式（1）的最大方差閾值法來自動(dòng)選擇分割閾值，不僅效果好，而且速度快。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)組成原理圖

　　式中T表示分割閾值，w0、w1分別表示灰度值小于T、大于T的像素點(diǎn)在圖像中所占的比重， 0、1分別表示圖像整體的灰度平均值、灰度值小于T的那部分圖像的灰度平均值、灰度值大于T的那部分圖像的灰度平均值。

　　利用式（1）計(jì)算出的閾值T對(duì)圖2（a）的灰度圖像進(jìn)行二值化處理后得到圖2（c），再對(duì)圖2（c）分別進(jìn)行水平和垂直投影，就可以計(jì)算出LED像素點(diǎn)在顯示屏上的位置。

2（a）采集的藍(lán)色圖像 2（b）灰度直方 2（c）二值化圖像

圖2 定位處理結(jié)果

1.2 LED像素點(diǎn)亮度、色度的快速檢測(cè)

　　借鑒成功用于PAL（PhaseAlternatingLine,逐行倒相制）制式的電視系統(tǒng)中的YUV顏色模型（Y表示亮度，U和V是構(gòu)成彩色的兩個(gè)分量），將圖像中采用的RGB顏色模型轉(zhuǎn)換成式（2）的顏色模型，可以方便、快捷地計(jì)算出各像素點(diǎn)的相對(duì)亮度值。

　　根據(jù)色度學(xué)中的加色法原理，戶外全彩LED顯示屏由RGB三基色LED構(gòu)成顯示屏上的每個(gè)像素點(diǎn)，通過控制每個(gè)像素點(diǎn)中的某基色LED的發(fā)光強(qiáng)度，就可以配出各種顏色，在顯示屏上顯示出豐富多彩的彩色圖像。在CIE（國際照明委員會(huì)）rg色度圖中，色度坐標(biāo)反映的是三基色各自在三刺激值總量中的相對(duì)比例，一組色度坐標(biāo)表示了色相相同和飽和度相同而亮度不同的那些顏色的共同特征。

　　而LED顯示屏上的每個(gè)像素點(diǎn)總是能在待測(cè)圖像中找到對(duì)應(yīng)的區(qū)域。因此，可通過其對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)圖像數(shù)據(jù)中的RGB值來確定該像素點(diǎn)的色度，其計(jì)算公式如式（3）。

　　設(shè)測(cè)得的LED像素點(diǎn)的亮度值為Y1,色度坐標(biāo)為（r1,g1），分析Y1、（ri,g1）的離散性，就能確定LED顯示屏上亮度和色度不一致的LED像素點(diǎn)。

　　為驗(yàn)證檢測(cè)方法的有效性， 本文用AvaSpec-2048微型光譜儀對(duì)同一戶外全彩LED顯示屏的單元模塊進(jìn)行了亮度和色度的對(duì)比測(cè)試。為減小計(jì)算量和方便調(diào)試， 本文采用了CIErg色度坐標(biāo)系，這與光譜儀采用的國際通用的CIExy色度坐標(biāo)系不同。因此，測(cè)試時(shí)要對(duì)色度坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如式（4）所示。

2 處理結(jié)果及分析

　　本文利用CCD圖像傳感器采集圖像，對(duì)三合一表貼戶外全彩LED顯示屏的單元模塊中的LED像素點(diǎn)進(jìn)行了算法測(cè)試。

　　以藍(lán)色為例，圖2（a）為CCD圖像傳感器采集的三合一表貼單元模塊顯示的藍(lán)色圖像。為更好地驗(yàn)證該檢測(cè)方法的有效性， 本文對(duì)該LED顯示單元模塊的某些像素點(diǎn)進(jìn)行了遮蔽處理，形成了圖2（a）中的黑色部分。

圖3 麥克亞當(dāng)顏色寬容量橢圓圖

　　由于LED是自發(fā)光體，并且發(fā)光強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)與提供給它的驅(qū)動(dòng)電流成正比，因此在驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試過程中，通過合理控制驅(qū)動(dòng)電流，可以盡量減小亮度差，以平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值來計(jì)算，應(yīng)小于15%至20%。因此，為方便后續(xù)的亮度校正，實(shí)驗(yàn)對(duì)偏離整體亮度平均值5%以上的LED像素點(diǎn)進(jìn)行定位和統(tǒng)計(jì)，以求將這些偏離較大的像素點(diǎn)的亮度差值控制在10%以內(nèi)。在進(jìn)行色度檢測(cè)時(shí)，本文參照麥克亞當(dāng)（D.L.MacAdam）對(duì)顏色寬容度進(jìn)行量化的方法（如圖3），對(duì)各LED像素點(diǎn)的色度坐標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，求出這些色度坐標(biāo)的幾何中心，并記錄下與該幾何中心的歐式距離大于d0的LED像素點(diǎn)3-5%（不同顏色d0取值不同），如式（5）。

　　表1為檢測(cè)結(jié)果（以藍(lán)色為例），其中亮度值Y1為相對(duì)亮度，正比于最大亮度255;色度坐標(biāo)為（r1,g1）。

表1 檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表（藍(lán)色）

　　用AvaSpec-2048微型光譜儀對(duì)同一單元模塊進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表2所示。對(duì)比可知，本文采用的檢測(cè)方法是有效、可行的，且檢測(cè)速度快、精度高。

表2 AvaSpec-2048微型光譜儀測(cè)試結(jié)果（藍(lán)色）

　　3 結(jié)語

　　本文運(yùn)用CCD圖像傳感器及數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)戶外全彩LED顯示屏的亮度、色度均勻性評(píng)價(jià)提出了一種新的快速檢測(cè)方法，較好地保證了顯示屏上各LED像素點(diǎn)顯示效果的一致性，為后續(xù)的亮度、色度校正工作提供了定量調(diào)試的參考依據(jù)，能大大提高戶外全彩LED顯示屏的檢測(cè)效率和顯示質(zhì)量。下一步將繼續(xù)開展環(huán)境光對(duì)亮度、色度檢測(cè)的影響及克服方法，以及亮度、色度自動(dòng)校正驅(qū)動(dòng)電路的研究，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)戶外全彩顯示屏上每個(gè)LED像素點(diǎn)的亮度、色度值的精確檢測(cè)和校正。