液晶電視的白平衡調整

孫立新

（中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，四川 廣漢 618307）

0 引言

為了適應不同人種對顏色的主觀感受，液晶電視在生產過程中需要進行白平衡的調整[1-2]。目前，生產線上大都采用PC機與彩色分析儀實現白平衡自動調整，如圖1所示[3-5]。

現有調整方法一般只考慮色溫的誤差，基本未考慮色差，所以產品在顯示不同亮度的白信號時，有些信號的色差值較大，影響電視的主觀效果。本文提出一種白平衡調整方案，采用PC機與彩色分析儀Chroma7120，通過曲線擬合的方法補償色溫差異，實現液晶電視白平衡的調整。

1 基本知識

不同的人種對顏色的感覺是不一樣的，比如白色人種的眼球是藍色的，就要求色溫偏藍，而黃色人種就要求色溫偏紅。為此，國際照明委員會（CIE）定義了標準白色光源，用“色溫”表示[6]。

根據三基色原理存在如下公式[7-8]

式中：Y是顯示信號的亮度，白平衡調整就是要調整顯示信號的3種基色的配比，使其達到規定的色溫值并將調整結果存入E2PROM中。這些數據可在系統上電初始化過程中使用，也可以開放給用戶使用。

2 方案設計

系統方案采用PC機、信號發生器和彩色分析儀Chroma7120組成，參見圖2。這里，不同亮度的復合視頻廣播信號（Composite Video Broadcast Signal，CVBS）白信號由自制的PCI卡產生，當然也可以采用標準成品。而彩色分析儀Chroma7120可以測量顯示信號的色溫和色差值。

2.1 軟件設計思路

液晶電視信號處理電路首先接收高頻信號進行圖像和聲音的分離，再在視頻解碼芯片中將CVBS信號進行A/D變換以及視頻解碼，然后以ITU601/656格式輸入顯示格式變換器Scaler，經過處理（一般包括隔行變逐行以及顯示信號分辨力的變換）后將信號送入液晶屏中的控制電路。

相對于視頻解碼芯片（比如NXP的SAA7114），格式變換器屬于數字電路，對數字電路中的寄存器進行調整，不僅可以減少畫面中圖像的紋波干擾，而且調整值的改變更加準確。所以，在產品設計時一般都調整Scaler中的寄存器。Scaler中可供選擇的寄存器組有2種。第1組是三基色分別對應的偏移（OFFSET）和增益（GAIN）寄存器，共6個。而第2組共由768個寄存器組成，共3張表，每張表各包含256個寄存器，分別對應3種顏色每一采樣輸入值的調整輸出值，也稱為伽馬校正寄存器。很顯然，系統一般都是調整OFFSET和GAIN。

但是，由于產品需要向用戶開放亮度和對比度的調整功能，OFFSET和GAIN寄存器要被占用。如果白平衡調整的最終結果仍然使用該組寄存器就會面臨沖突。所以，系統軟件首先是利用OFFSET和GAIN寄存器進行白平衡的自動調整，然后再把調整后的值擬合到伽馬表中。

系統軟件首先進行暗平衡調整，產生低亮度白信號輸入到LCD中，調整OFFSET使色溫和色差都達到要求。然后進行亮平衡調整，產生高亮度白信號輸入到LCD中，調整GAIN使色溫和色差都達到要求。由于OFFSET和GAIN對輸出信號改變是相互的，暗平衡和亮平衡需要交替調整數次。當調整完成后，信號改變過程見式（2）

式中：GAINR，OFFSETR，GAINB，OFFSETB，GAING 和OFFSETG是白平衡調整后所得到的寄存器值。而RINPUT，GINPUT，BINPUT，ROUT，GOUT和BOUT分別對應紅綠藍3色的輸入和輸出的數字信號值。

由于OFFSET，GAIN寄存器與伽馬處理是屬于串行信號處理流程，兩者交換順序對整個系統的信號處理沒有影響。所以系統軟件利用組（2）可以完成直線在伽馬表中的擬合。紅綠藍3種顏色的輸入值是0～255的整數，計算后四舍五入得到伽馬表中各相應寄存器的值。這樣，也能實現相同的白平衡校正功能。

2.2 色溫及色差逼近算法

調整OFFSET或GAIN寄存器的值，使色溫、色差和亮度都要滿足要求，其逼近算法具體描述如下。

為了保證產品在比較大的動態顯示范圍內都具有較好的色溫和色差一致性，采用CIE坐標系進行逼近計算，并同時要求CIEX，CIEY和亮度都要滿足設定的誤差范圍。

當用戶輸入色溫、高亮度值、低亮度值和對應的誤差后，就可以得到對應該亮度和色溫值的CIEX和CIEY[9]。

假設先進行暗平衡調整，計算機設定OFFSET和GAIN寄存器值分別為OFFSETR，OFFSETG，OFFSETB和GAINR，GAING，GAINB，通過串口可從彩色分析儀讀出CIEX’，CIEY’，Y’，然后計算

由Δ的大小可以確定大、中、小3種不同的調整步長，這里為描述方便統一命名為δ。

設定紅色偏置寄存器為OFFSETR+δ，從彩色分析儀讀出 CIEX1’，CIEY1’和 Y1’，再設定紅色偏置寄存器為OFFSETR-δ，從彩色分析儀讀出CIEX2’，CIEY2’，Y2’，假設小范圍調整是直線關系，可以得到

同理也可計算綠色和藍色的系數：fGCoffX，fGCoffY，fBCoffX，fBCoffY。

最后根據式（1），有

求解上述方程，可得到nRDiffVal，nGDiffVal和nBDif?fVal。

如果nRDiffVal的絕對值大于調整步長δ，那就有

若nRDiffVal的絕對值小于調整步長δ，那就有

同理可計算綠色和藍色的調整值，按新計算的調整值設定OFFSET寄存器，通過串口讀出CIEX’，CIEY’和Y’，若ΔCIEX，ΔCIEY和ΔY都在設定的誤差范圍內，則結束暗平衡的計算，進行亮平衡計算。否則，暗平衡要從式（3）開始重新逼近。

而亮平衡的調整對應的寄存器0就是格式變換器中的GAIN寄存器組。

2.3 直線擬合的方法

實驗發現：低亮度和高亮度白信號越接近時，色溫、色差的一致性較好但亮度的動態顯示范圍較小。當設定的白信號分別為最大亮度的15%（左右）和85%（左右）時，液晶電視所表現出來的色溫、色差的一致性以及亮度的動態顯示范圍基本滿足要求。只在輸入信號亮度特別低的情況下色溫和色差特性表現出較大的差異。但如果只是簡單地擴大設定值的范圍，不僅不能提升效果，還會使調整時間更加延長。由于系統軟件設計時實際改變的是伽馬表中的寄存器的值。所以，在實際進行直線擬合時，采用的方法描述如下。

首先設定低亮度和高亮度白信號分別為15%和85%的白信號，按照上述算法進行白平衡的調整，可以得到擬合直線①。然后改變輸入的低亮度白信號為5%的白信號，保持增益為1只進行暗平衡的調整，得到擬合直線②。可以知道，直線②基本反映了低亮度信號色溫偏差的真實情況，所以，在低亮度部分（比如10%以下），伽馬表中的寄存器值是由兩條直線平均得到的。

由于液晶電視不同于液晶顯示器，所顯示的圖像大都是動態圖像，用戶對色溫的感覺不如對液晶顯示器那樣挑剔，液晶電視一般不向用戶開放色溫的調整功能，加之各國電視制式以及供電方式的不相同，銷售到不同地區的液晶電視電路互不兼容，所以只需要當系統上電后，自動更新色溫的相關設置即可。另外，現在同一批次的液晶屏在出廠時色溫和色差的誤差已經比較小了。那么，在同批次生產中，只需要調整一臺液晶電視的色溫，其他產品的生產過程可改變為：把已調整結果直接寫入系統軟件后貼片生產，這樣不僅減少生產線上白平衡調試工作，進一步提高生產效率，通過生產線上的抽檢也可以保證產品的質量。

3 結束語

液晶電視白平衡的調整方案對產品質量及生產效率都有重要的影響，上述液晶電視白平衡調整方案已應用于生產，在各級顯示亮度上不但能滿足色溫特性的調整要求，還能滿足色差特性的調整要求。如果采用寫入系統軟件貼片后再生產的方式，效率就會非常高。

[1]李維諟，郭強.液晶顯示應用技術[M].北京:電子工業出版社，2002.

[2]巴特勒.影響液晶電視畫面質量及白平衡調試的因素[J].電視技術，2007，31（08）：47-48.

[3]單學民，郝學元，陳家勝.基于虛擬儀器技術的彩電白平衡測試系統[J].光學儀器，2001，23（2）：3-6.

[4]開躍春，金濤，賈宏志.單片機實現LCD白平衡的自動調整[J].光學儀器，2008（12）：45-48.

[5]喬瑞華.色溫與電視攝像技術中的黑、白平衡調整[J].中國現代教育裝備，2007（4）：46-48.

[6]湯順青.色度學[M].北京:北京理工大學出版社，1990.

[7]王川.彩色電視機原理[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[8]徐艷芳，黃敏，金楊.基于色度比特性的顯示器色度特性化[J].液晶與顯示，2008，12（6）：771-777.

[9]WYSZECKI G，STILES W S.Color science[M].New York：John Wiley&Sons，2000.