LED顯示屏灰度等級的提高及非線性糾正

LED顯示屏灰度等級的提高及非線性糾正

 http://www.doc88.com/p-09193698596.html之原文

作者：楊賡

上海中大高新電子技術有限公司

摘要：本文從增加LED元色調灰深度着手對LED顯示屏的非線性灰度糾正提出了不同的解決方法，從而徹底改變LED顯示屏顯示效果不佳的現狀，深入實施可望帶動中國整個LED產業，使LED產品的圖象品質步入新的時代

關鍵詞： 顯示；LED；非線性糾正；

一、引言

LED顯示屏作為大型顯示設備的一種，具有亮度高、價格低、壽命長、維護簡便等優點。帶有灰度效果的LED顯示屏較之普通LED顯示屏，可以表現出更多豐富多彩的視覺效果，有很大的市場潛力和技術發展空間。無論業界還是客戶方，一般從壽命、單位面積亮度、三元色的偏差程度、點距、對比度、灰度等級（包括灰度級數和線性度）、掃描頻率等指標來衡量或橫向比較大型顯示設備的好壞。很明顯由於后四項技術指標處於劣勢，LED顯示屏所表現出的整體顯示效果遠遠未達到理想水平，以至於給人無法和LCD投影機及其拼屏相提並論的感覺。

　　顯示屏顯示效果好壞的原因是多方面的，其很重要的一方面在於可展現灰度即顏色深度的能力。顏色深度為每種元色可獨立調節亮度級數的乘積，如果從計算機專業角度定義，顏色深度指顯示卡可同時顯示的顏色數目及投入使用的調色板寄存器的數目。顏色深度越大，色彩越細膩，這就是多數人喜歡將電腦顯示卡的顏色深度設置到64K色以上的原因。如果說顯示屏顯示的能力達不到顯示卡的輸出能力，那么此顯示屏的顯示效果可想而知，更談不上額外的亮度、色度、對比度的調整了。LED顯示屏正處於如此低層次的境地。

　　為了改變幾年來市場對LED顯示屏形成的傳統觀念，拓展的LED顯示技術的發展空間和新的市場領域，我們在提高灰度等級（包括灰度級數和線性度）、掃描頻率等方面作了嘗試，並在關鍵技術上取得了重大突破。排除點距因素，本文依據實驗數據和結果，將就灰度等級的非線性糾正對LED顯示屏顯示效果的影響作出結論。

二、非線性糾正實踐

LED的亮度與通過其電流之間的關系是線性的，人眼對亮度的感知是非線性的，比如：LED由電流控制可形成64級等分的亮度，但在人眼看來這64級亮度並非等分，在低亮度段能感覺出較明顯的亮度變化，隨着亮度提高，每一級的感覺到的亮度變化差值迅速減小。而且LED的亮度較高，高亮度段處於人眼非線性亮度感知曲線的平坦段，因此同其它顯示屏相比LED顯示屏的亮度非線性顯得更加重要。要顯示感覺上等分的64級灰度，LED顯示屏必須具有非線性或遠遠大於64級灰度的顯示能力，而實際上有實現可能的，只有后者。

　　我們采用非線性糾正方法為函數映射法。其原理如圖1所示：

圖1、函數映射表達式

n為單元色的輸入灰度數據寬度，n=4，則灰度等級為16級。m為單元色的輸出灰度數據長度，m=6，則灰度等級為64級。一般m-n>1才有比較大的非線性糾正空間，n>4才有比較好的顯示效果。

1、實驗平台

　　為了說明問題、簡化程序，我們沒有采用任何特殊獲取RGB數據的硬件，而使用軟件屏幕直接取數的方法，並特別編寫了“中大LED調灰較比中心”軟件，如圖2所示。操作系統為WINDOWS 98，屏幕顏色深度為24位色。

　　為了便於實驗和觀察效果，采用320×64點陣、1／16掃描的雙色室內LED顯示屏，控制線路的調灰深度為每種元色256級，點亮占空比＞70％，帶有12級亮度控制（不影響調灰深度）。

圖2、實驗用軟件界面

2、色彩深度對比

　　由“LED調灰較比中心”產生4條256×16點陣的灰度帶，如圖3所示，用以檢驗LED顯示屏確有相應調灰能力。但無論64級灰度還是256級灰度，在未進行非線性糾正前，都存在人眼視覺上的非線性。高亮度段無法分辨色階差，只有64級灰度低亮度段能感覺出明顯的色階差。

圖3、灰度驗證與對比實驗

3、單種元色非線性糾正對比

圖4、設定非線性糾正函數

　　由“LED調灰較比中心”產生64級灰度的灰度帶，並設置映射數組。在此選用幾個可接近LED非線性特性的簡單函數，並在程序中添加了限制條件，如：映射結果按序且沒有任意兩個相同的值。

　　由軟件取得屏幕上的顏色深度，保留高6位數據（64級灰度），經映射數組查表，取得8位數據（非線性化64級灰度），送屏顯示。

　　從照片結果圖5～圖7對比來看，經過非線性糾正后，LED顯示屏的灰度效果確實得到改善。從直觀角度，排除LED模塊材質底色太亮、1／16掃描亮度較低、點距太大等因素，視覺效果已經接近電腦顯示器的線性灰度。

4、綜合圖象效果非線性糾正對比

　　由“LED調灰較比中心”調入多組兩幅點陣為128×64的相同圖片，一幅不經過非線性糾正但表現256級元色深度，一幅經過非線性糾正只表現64級元色深度。

　　結果表明：

　　☆經過非線性糾正大部分靜態圖象的視覺效果得到大幅度改善，圖象清晰度、對比度加強。

　　☆從感官上經過非線性糾正的圖象整體亮度有所降低，若假設每種灰度的出現概率相同，則圖象整體的平均亮度將降低四分之一左右。

　　下面是通過實際照片的效果對比

左邊為256級元色深度，右邊為非線性糾正后64級元色深度

圖5、照片對比結果1

圖6、照片對比結果2

圖7、照片對比結果3

　　初步實驗后，又投入部分人力和物力，試制了具有256級元色調灰能力的驅動板卡，並沿用原有的LED模塊板，制作了一塊256×192點陣、點距為6.35mm的雙色LED樣屏。因時間關系，暫時利用ES98多媒體卡的非線性調灰能力，將gamma糾正值設置到0.7左右，播放動畫、數字視頻、疊加視頻等動態信號。

　　由根據實際播放效果得出結論，灰度等級的非線性糾正確實可以大幅度改善LED顯示屏的動態視覺效果，尤其是可以基本消除給以往播放效果大打折扣的背景底色及馬賽克現象，圖象趨於自然柔和，對比度增強（因為沒有加入藍色補償，當播放藍色成分較多的畫面，仍有部分因缺色引起的輕微馬賽克現象）。顯然，對於以往室內LED顯示屏和小型室外LED顯示屏所未敢涉及或棘手的視頻信號，非線性糾正是極大的“福音”。我們只提高了驅動板卡的調灰能力，就使采用以往技術的顯示屏所顯示的圖象質量有了本質上飛躍。

由實驗得結論：

☆提高LED顯示屏的顏色深度可以從一定程度上改善顯示效果，但一味的提高顏色深度並不能達到預期效果，因為對於大型顯示屏，人的肉眼已經很難分辨其64K色與24位色的差異。

☆在提高LED顯示屏的顏色深度的基礎上，“灰度等級的非線性糾正”確實可以大幅度改善LED顯示屏靜態圖象的視覺效果。

☆由於技術上的限制，上述兩個結論相互結合，可實現經濟實用的搭配。

三、“灰度等級非線性糾正”步入實際應用將開創LED顯示屏技術的新時代

　　目前為LED顯示屏提供RGB數據的板卡大部分已經具備了對灰度等級進行非線性糾正的功能，還對視頻提供亮度、色度、對比度等的調節功能，但是這些功能受限於24位比特的數據輸出（每種元色八位），換句話說調節非線性糾正、亮度、色度、對比度的同時也降低了灰度等級，且非線性糾正沒有按LED的特性數碼化。況且按目前國內業界的標准，室內LED顯示屏多為16級灰度等級，少數為64級以上，室外LED屏多為64到256級灰度等級，顯然顯示屏本身的硬件設計不僅沒有充分發揮24位比特數據的灰度潛力，更不用談如何進行非線性糾正，不損失灰度等級的亮度、色度、對比度調節。因此擴充LED顯示屏本身可展現的灰度等級是進行非線性糾正的基礎。

　　隨着可展現灰度等級的提高，對LED顯示屏底層驅動系統也提出了新的要求。經過計算，僅具有256級灰度等級1／16掃描的LED驅動電路就必須精確控制十幾毫伏的電壓或十幾微安的電流，若電路設計排版不當，極易造成較大的差異，影響屏幕色彩的表現力和一致性。另外LED驅動電路所工作的頻率將上升2～4倍。通過測試，我公司出品的室內LED燈板及驅動系統中有85％需要進行不同程度的排版布局減小集成電路電源電壓的差異以適應高灰度等級的非線性糾正方案。

　　為了適應新產品時代的到來，我公司制定的下一代LED顯示屏的技術標准為：

室內LED顯示屏：

每單元色具有256級以上的灰度能力，非線性糾正后灰度能力為64級以上；同時，具有16級以上的亮度調節能力，每單元色的亮度可單獨調節且不影響灰度等級。雙色室內屏可顯示256×256×16＝1,048,576色，可同時顯示64×64＝4,096色。全彩色室內屏可顯示256×256×256×16＝268,435,456色，可同時顯示64×64×64＝262,144色。

室外LED顯示屏：

每單元色具有512～1024級以上的灰度能力，非線性糾正后灰度能力為128～256級以上；同時具有32～64級以上的亮度調節能力，每單元色的亮度可單獨調節且不影響灰度等級。雙色室外屏可顯示1024×1024×64＝67,108,864色，可同時顯示256×256＝65,536色。全彩色室內屏可顯示1024×1024×1024×64＝68,719,476,736色，可同時顯示256×256×256＝16,777,216色。

　　我們已推出室內外顯示屏用的具有單元色256級調灰能力的1／4～1／16掃描控制板卡，用於采用串行方式的舊屏的改造以及新屏的生產（包括室內全彩色LED顯示屏），並考慮公開銷售並提供全方位技術支持（包括出售LED燈板的SCH圖紙和PCB印板），以推動LED顯示屏行業的技術發展。

　　另外由於國內LED顯示屏用多媒體卡硬件升級緩慢，軟件服務遠遠落后甚至實用非正規API接口，各種多媒體卡在軟件層缺乏OEM規范和行業標准，導致集成商無法進行二次開發為用戶提供更好的一體化解決方案和完善的升級服務。由於此種狀況近期內無法得到改觀，迫於無奈我們還將涉及此領域，推出新一代獲取RGB數據的設備（直接從顯示卡VGA接口取數）和非線性糾正板卡（映射式數字化糾正並有利於全彩色顯示屏的白平衡度微調），以使LED顯示屏如電視機、CRT監視器、LCD平板顯示器及投影機一樣成為一體化的顯示設備（如圖8所示），使更多的OEM設備如高級視頻疊加卡、高檔3D顯示卡等加入LED顯示屏工程的行列。

圖8、一體化LED顯示屏示意圖

　　謹請有興趣的公司和相關技術人員通過EMAIL與我們聯系，發來自己的感想和建議。

參 考 文 獻

1、AMD Vantis , MACH 可編程邏輯器件及其開發工具， 清華大學出版社

2、Charles Petzold , PROGRAMMING WINDOWS 3.1, 希望電腦公司海洋出版社

3、 ， 程序員大本營 ， www.csdn.net

4、 ， LED CATLAOG , 深圳市迪特龍實業有限公司

Increase Color depth and brightness Nonlinear Correction of LED Display

Author: Yang Geng

(Shanghai ZhongDa High Tech. Elec. Co. Ltd.)

Abstract: This report bring forward a solution for nonlinear correction of LED display using different methods in virtue of increase color depth. This solution will present a brand new visual effect that LED display has never had. Acting as a pioneer, we hope to improve the technique level of China, the perfect image quality will inaugurate a new era of the LED industry.

Key words: Display;LED; brightness Nonlinear Correction

作 者 簡 歷

1、1996年畢業於哈爾濱工業大學自動控制系，工作於上海市計算技術研究所

2、1996年至1997年，參加上海體育場208LED室外屏研制開發。

3、1997年至1998年，從事LED顯示屏播放軟件和外圍設備開發研制工作

4、1999年至文章發布日，主持LED顯示屏硬件和系統的研制、開發和生產，現任上海市計算技術研究所中大高新電子技術有限公司技術總監。