LED顯示屏相機采集過程中的漸暈補償

王司潮，鄭喜鳳，毛新越，程宏斌，陳 宇1,

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049；3.長春希達電子技術有限公司，吉林 長春 130103)

1 引 言

隨著平板顯示技術的發展，人們對平板顯示設備的需求越來越大。LED顯示屏以其主動發光、高色彩飽和度、廣視角、高對比度、無縫拼接等優點，在顯示市場中的需求日益迫切，這就對LED顯示屏的顯示質量提出了更高的要求，評價顯示質量的重要指標之一就是顯示均勻性[1]。

目前提高LED顯示屏顯示均勻性的主要方法是通過CCD相機對顯示屏進行亮度采集再校正。但是在采集過程中，由于相機成像時部分軸外光束被攔截，導致離軸越遠的光線在像面上的光強度越弱，這種現象就是相機的漸暈[2-7]。相機的漸暈會使圖像的邊緣下降，采集數據不準確，導致校正后的顯示屏呈現出“中間暗，四周亮”的現象，因此需要進行漸暈補償來提高亮度一致性。

文獻[6]和[7]給出了兩種通過LED顯示屏進行漸暈補償的方法,但前者沒有對LED的離散性進行分析，也沒有提出解決LED亮度離散性對相機漸暈補償影響的方法；后者通過圖像濾波，只能消除圖像的高頻差異，中、低頻部分無法去除。文獻[18]提出了基于二維Gauss曲面擬合的圖像灰度補償算法，根據圖像灰度分布統計特性估算二維Gauss曲面的各個參數，從而實現漸暈補償，但是積分計算部分準確度不高，導致結果也存在一定誤差。文獻[8]提出利用逐行擬合的方法進行漸暈效應的復原，可在一定程度上減輕漸暈效應的影響，但是當相鄰兩行的亮度變化較大時，會產生條紋。文獻[9]對于漸暈現象的研究主要針對人眼的主觀感受進行補償，沒有從客觀上進行亮度還原。

因此，本文提出了一種應用統計學規律的相機漸暈補償方法，通過高斯濾波和數據疊加減小亮度離散性，同時得到相機采集的漸暈曲面，在此基礎上進行相機的漸暈補償，可以更好地提高顯示均勻性。此方法在實驗中進行了驗證，取得了理想的效果。

2 LED顯示屏發光特性

2.1 溫度對LED發光強度的影響

LED的核心部分是由P型半導體和 N 型半導體組成的晶片，其實質性結構是P 型半導體和 N 型半導體之間的過渡層，稱為 PN 結。LED的發光原理是處于激發態的電子/空穴從高能級向低能級躍遷，與空穴/電子結合而發射光子。當PN結溫度上升時，半導體的晶格振動幅度增加，當原子的振動能量高于一定值時，電子從激發態躍遷到基態時會與晶格原子(或離子)交換能量，發生無輻射躍遷，無法發射光子，而這種幾率隨著溫度升高呈指數式增加，因此，當溫度上升到一定程度后，半導體的發光強度就會下降[10-12]。而且晶格的振動，在一定程度上會影響能級的分裂，當原子能級變化時，電子躍遷產生的發光光譜也會隨之變化，進一步導致LED的亮度改變。

所以工作溫度對LED的發光亮度有很大的影響，本文提出的算法針對室內的顯示屏，環境溫度穩定在一定范圍內，LED個體間溫度差異較小，可以通過統計學消除溫度造成的亮度差異。

2.2 工作電流對LED亮度的影響

LED亮度與工作電流的關系如圖1所示。由圖可知，LED 亮度隨著電流強度的增加而增大，近似為線性關系[13-14]，且每一個基色隨電流增大程度也不相同。故而LED顯示屏中的每一個LED所在的電路均會影響每個LED的發光亮度，這也會增加顯示屏亮度的離散性差異。本文研究采用恒流驅動的顯示屏，排除因電流變化過大導致的亮度問題。

圖1 LED亮度與工作電流的關系Fig.1 Relation between LED brightness and working current

2.3 半導體器件自身的亮度離散性

同基色的LED發光管亮度本身具有很大的離散性，LED平板顯示屏正是由成千上萬個亮度相差比較大的LED發光管組成，即使是同一亮度檔次的LED發光管，其亮度也存在30%～60%的偏差，這是造成顯示屏亮度不均勻的根本原因[15-19]。

3 漸暈補償算法

漸暈補償算法的基本思路是：首先通過濾波降低采集過程中的噪聲，再應用統計學規律，降低亮度離散性，得到相機的漸暈曲面，求逆得到相機漸暈補償曲面，從而對LED顯示屏進行相機漸暈補償。

3.1 高斯濾波降噪

采集得到的數據不可避免的包括噪聲，因此首先要對采集得到的數據進行降噪處理，常用的濾波算法有均值濾波、中值濾波和高斯濾波等。均值濾波使用模板內的平均值代替中心值，不能完全消除噪聲，只能相對減弱噪聲；中值濾波計算模板內的中值，并用中值代替中心值，這種方法雖可較好的消除噪聲，但容易導致圖像的不連續性。因此選擇高斯濾波器進行降噪處理。

高斯濾波器實現降噪有兩種實現方式，一種是離散化窗口滑窗卷積，另一種是傅里葉變換。由于傅里葉變換過程復雜，較難實現，因此當滑窗計算量不大時選擇滑窗方法來實現。高斯噪聲的滑窗卷積實際是一種加權平均的過程，每一個像素點的值，都由其本身和鄰域內的其他像素值經過高斯函數加權平均后得到，具有低通特性。具體操作是通過建立模板，在待處理數據中移動模板，用模板確定的鄰域內像素的加權平均灰度值去替代模板中心像素點的值[9,20]。加權平均的權重值是由高斯模板系數決定的，模板中的系數通過高斯函數計算，計算高斯模板參數時，通過高斯公式：

(1)

其中:(x，y)為點坐標，σ是標準差。以模板的中心位置為坐標原點，將各個位置的坐標代入公式(1)中，得到的值就是模板系數。繪制出的二維高斯圖像如圖2所示。

圖2 二維高斯圖像Fig.2 Two-dimensional Gauss image

3.2 閾值設定

LED顯示屏的校正標準取決于人眼的視覺精度[20]。通過人眼對比敏感度函數曲線與文獻[2]中的實驗可知，人眼視覺敏感性的亮度閾值約為1.2%，也就是說當亮度差異小于1.2%時，人眼基本無法分辨出亮度差異。因此，當像素亮度的最大相對誤差小于1.2%時，可以認為人眼已經分辨不出亮度差異，顯示屏呈現亮度一致性。

3.3 漸暈補償

(1)設定型號A箱體，對該型號箱體進行暗場采集，得到暗電流噪聲，設暗電流噪聲矩陣為D，每個像素的暗電流噪聲記為為dxy(x，y為各像素點橫縱位置坐標)。即：

(2)

(2)使用相機在暗室對一定數量的A型號的箱體進行亮度采集，第k個顯示屏箱體的原始亮度矩陣記為Lk(k=1,2，3，…，n)，通過高斯濾波去除高頻噪聲后亮度矩陣記為Fk，每個像素的亮度為fxy(x，y為各像素點橫縱位置坐標)。即：

(3)

(3)將采集到的每箱LED顯示屏亮度值疊加，令

(4)

其中：μk為去除暗電流噪聲后k個箱體亮度數據的平均值矩陣，Δk為第k次疊加后與第k-1次疊加后的相對亮度差異矩陣，Δkmax為該矩陣最大相對亮度差異，則

(5)

Δkmax=max(|Δk|)，

(6)

當滿足公式(7)時，停止疊加，認為此時得到的即為光滑的相機漸暈曲面，記第(k+2)次的曲面為P(x，y)(x，y為各像素點橫縱位置坐標)。

(7)

(4)對相機漸暈曲面的每一個點進行取倒數運算，得到相機漸暈的補償曲面S(x，y)，用補償曲面S(x，y)對LED顯示屏進行漸暈補償。

(5)用光譜色度計對修正后的LED顯示屏進行亮度測量，分析修正后的亮度均勻性。

4 實驗驗證

4.1 箱體驗證實驗

實驗選取一定數量的160×160個像素點的A型LED顯示屏箱體，像素點間距為1.27 mm，對箱體進行標號。首先使用光譜色度計對1號箱體亮度進行測量，測量方法按照行業標準 SJ/T 11281_2017 中 4.21 規定的方法進行。設定測量步長為16，得到一個10×10的亮度矩陣Qxy(x，y= 0～9)。測量數據如表1所示，經計算得Qxy的最大亮度差異約為9%。

表1 漸暈補償前亮度值Tab.1 Brightness value before vignetting compensation cd/m2

繪制出的亮度分布如圖3所示。

圖3 補償前亮度分布Fig.3 Brightness distribution before compensation

使用CCD相機在暗室環境下對A型號LED顯示屏進行暗場采集，相機距顯示屏5 m，得到暗電流噪聲。

接下來進行亮度采集，首先在暗室環境下采集一組LED顯示屏的亮度，對采集到的數據進行高斯濾波，為有效抑制圖像的高頻噪聲并保留低頻分量，本文采用5×5標準差為1的模板，以保證輸出響應仍在原來的亮度范圍。去掉高頻噪聲與暗電流噪聲后后，LED顯示屏的亮度差異就是亮度離散性差異與相機漸暈帶來的。為了更好地觀察采集數據的離散性，提取出中心行亮度并繪制曲線圖，對數據歸一化后中心行亮度分布如圖3所示。通過中心行亮度曲線圖可以看出，由于亮度的離散性導致采集形成的亮度數據曲線并不光滑，產生的“毛刺”非常明顯。

接下來在同樣的測量條件下，重復上述操作，對下一個同樣的A型號箱體進行亮度測采集，并將第二次與第一次測量數據疊加，去除暗電流噪聲后取平均，以此類推，采集到第5個箱體時，濾波后中心行亮度歸一化后曲線圖如圖4所示。

由圖4可以看出，由于亮度離散性導致的“毛刺”現象較只采集一個箱體時有所改善，但曲線仍不光滑，故繼續采集并將數據疊加。

圖4 第1箱顯示屏亮度。(a)亮度曲面圖；(b)中心行亮度曲線圖。Fig.4 Brightness of the 1st box display screen.(a)Brightness surface;(b)Brightness curve of central tine.

圖5 第5箱亮度中心行斷面曲線圖Fig.5 Brightness curve of central line of the 5th box display screen

當疊加至第20個箱體的亮度數據時，已經得到一個較為光滑的曲線。高斯濾波后歸一化的數據如圖5所示。

經計算，Δ18=1.08%，Δ19=1.02%，Δ20=0.98%，符合閾值條件，停止疊加，認為該曲面已經消除了亮度離散性差異，是一個光滑的相機漸暈曲面。

對該光滑漸暈曲面進行求逆運算，得到漸暈補償曲面，將漸暈補償曲面作為修正系數對1號LED顯示屏進行漸暈補償。補償后亮度歸一化分布如圖6所示。

圖6 第20箱顯示屏中心行亮度曲線Fig.6 Brightness curve of center line of the 20th box display screen

圖7 漸暈補償后亮度。(a)亮度曲面圖；(b)中心行亮度曲線圖。Fig.7 Brightness after vignetting compensation.(a)Brightness surface;(b)Brightneis curve of centra line.

4.2 數據分析與實驗結論

用光譜色度計對漸暈補償后的1號LED顯示屏進行亮度測量，設定步長為16，得到修正后的10×10亮度矩陣Sxy(x，y= 0～9)。測量數據如表2所示。

表2 漸暈補償后亮度值Tab.2 Brightness value after vignetting compensation cd/m2

續 表

圖8 補償后亮度分布Fig.8 Brightness distribution after compensation

繪制此時的亮度分布圖，如圖8所示。

計算Sxy各元素的最大亮度差異：

(8)

可見，經過漸暈補償后，LED顯示屏的亮度差異較漸暈補償前的9%有很大改進，大大提高了顯示屏的顯示均勻性。

同時使用現階段工程中使用的漸暈補償算法對該顯示屏進行漸暈補償，使用光譜色度計用同樣的測量方法進行測量，得到修正后的10×10亮度矩陣Nxy(x，y= 0～9)。測量數據如表3所示。

表3 漸暈補償后亮度值Tab.3 Brightness value after vignetting compensation cd/m2

圖9 補償后亮度分布Fig.9 Brightness distribution after compensation

亮度分布如圖9所示。

計算Nxy各元素的最大亮度差異：

(9)

通過對比實驗可以看出，經現階段工程中使用的漸暈補償方法補償后的顯示屏的最大亮度差異為1.15%，本文算法可以將顯示屏的最大亮度差異降低至0.86%，較現有方法而言有較大進步。而且經過大量不同的顯示屏驗證證明本文的算法具有高準確性和普適性，對多塊不同的顯示屏的漸暈補償效果較好。

5 結 論

本文從降低LED發光像素自身的亮度離散特性角度出發，提出了一種基于統計學原理的相機漸暈補償算法。在高斯濾波消除高頻混疊噪聲的基礎上，利用數據迭代的方法得到光滑的相機漸暈曲面，求逆得到相機漸暈修正系數，從而對LED顯示屏進行漸暈補償。實驗結果表明，通過該方法修正后的顯示屏，最大亮度差異由9%降低至0.86%，證明了該方法的有效性。而且在實際工程應用中，該方法只需用相機對LED顯示屏箱體進行亮度采集，操作簡單，可實施性高。此外，由于本文的算法是對針對相機提出的補償算法，故而該方法適應于任何平板顯示產品，尤其適用于高密度、小間距的顯示產品。