一種低成本屏幕亮度一致性自動校正方法

李 靜，葛昭君，孫亞萍

（杭州師范大學(xué) 錢江學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引言

LCD 顯示屏由于顯示原理的限制，導(dǎo)致屏幕上下左右四邊以及四個角落的亮度通常比屏幕中心區(qū)域的亮度要低[1]。為了解決這一問題，傳統(tǒng)的方法一般是通過增加LCD 背光燈珠的數(shù)量實現(xiàn)整體亮度一致性的提升[2]，例如在屏幕四邊和四個角落把燈珠布得比屏幕中心區(qū)域要密一些，這種方法雖然可以有效提升屏幕亮度一致性，但由于燈珠數(shù)量的增加會導(dǎo)致整機(jī)成本大大提升，也會導(dǎo)致屏幕加工難度提升。本文設(shè)計了一種在不增加背光燈珠的前提下，通過數(shù)字信號補償來提升屏幕整機(jī)亮度一致性的方法。該方法具有成本低、效果好等優(yōu)點，在成本受限的場合具有較高的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計

LCD 顯示屏圖像區(qū)域差異如圖1 所示。

圖1 圖像區(qū)域差異示意圖

根據(jù)樣本測試統(tǒng)計，顯示屏的4 個邊角A1、A2、A3 和A4 的亮度最低，局部容易形成暗角[3]。此外，B1、B2、B3和B4所在區(qū)域亮度值通常為中等，但也容易形成暗邊。中間的C區(qū)域則通常亮度最高。本設(shè)計針對每個區(qū)域分別做亮度調(diào)整，使得各區(qū)域的亮度趨近于一致，最終有效提升整個顯示屏的亮度一致性。方法的總體流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計框圖

如圖2 所示，首先給系統(tǒng)發(fā)送一個標(biāo)準(zhǔn)信號源，將標(biāo)準(zhǔn)信號源顯示到LCD 屏幕上。之后通過相機(jī)拍攝顯示屏畫面，將相機(jī)拍攝后的畫面通過網(wǎng)口送給顯示屏控制板卡。控制板卡對相機(jī)信號做解析，之后針對解析后的數(shù)字圖像信號做圖像亮度一致性分析，進(jìn)而提取出亮度一致性校正因子。系統(tǒng)根據(jù)得到的校正因子對標(biāo)準(zhǔn)圖像信號源做亮度一致性數(shù)字校正。亮度一致性數(shù)字校正后的圖像通過VbyOne 高清點屏接口送給LCD 顯示屏的TCON 時序控制電路。最后，TCON 時序控制電路將圖像信號送給顯示屏，顯示屏顯示圖像信號。從圖像采集到圖像校正的過程需要循環(huán)多次，直到最后的圖像亮度一致性達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求為止。

2 亮度校正參數(shù)的實現(xiàn)方法

圖像亮度一致性分析采用均值法[4]，最后得到每個區(qū)域的亮度均值LA1，LA2，LA3，LA4，LB1，LB2，LB3，LB4及LC。從項目統(tǒng)計看，LA1，LA2，LA3，LA4亮度最低，LB1，LB2，LB3，LB4亮度次之，LC亮度最高。為了獲得較好的亮度一致性，需要選擇一個亮度調(diào)整目標(biāo)值β，β的選擇通常在9個區(qū)域的亮度平均值附近。如β=(LA1+LA2+LA3+LA4+LB1+LB2+LB3+LB4+LC)/9。

假定各區(qū)域的亮度一致性調(diào)整因子為α，則αA1=β/LA1，αA2=β/LA2，αA3=β/LA3，αA4=β/LA4，αB1=β/LB1，αB2=β/LB2，αB3=β/LB3，αB4=β/LB4，αC=β/LC。假定A1區(qū)域的原始亮度為YA1，則在亮度一致性調(diào)整環(huán)節(jié)，需要將A1 區(qū)域內(nèi)的所有像素亮度做調(diào)整，也就是將A1 區(qū)域內(nèi)的所有像素數(shù)字激勵的亮度值乘以亮度調(diào)節(jié)因子αA1，即調(diào)整后的亮度Y'A1=YA1×αA1=YA1×β/LA1。其他區(qū)域的調(diào)整因子類似。

3 軟件實現(xiàn)流程

本設(shè)計的實現(xiàn)流程如圖3 所示。

圖3 軟件實現(xiàn)流程

主要步驟描述如下。

（1）首先需要架設(shè)攝像頭系統(tǒng)，在搭建的時候要尋找一間暗室，要減少環(huán)境光對亮度采集的影響，同時也要確保整個顯示屏都能被攝像機(jī)拍到[5]。

（2）啟動軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)完成初始化。初始化主要包括bootloader 加載，操作系統(tǒng)加載和應(yīng)用程序加載等。其中Bootloader 是操作系統(tǒng)執(zhí)行之前的一小段程序，主要完成硬件初始化和引導(dǎo)操作系統(tǒng)啟動的任務(wù)。系統(tǒng)啟動完成后進(jìn)入亮度自動校正模式，系統(tǒng)通過HDMI 接口給顯示屏發(fā)送白場測試信號源。顯示屏解析輸入信號源，并顯示白場測試畫面。

（3）系統(tǒng)向攝像頭發(fā)出采集指令。攝像頭接收到采集指令后開始采集圖像數(shù)據(jù)。

（4）攝像機(jī)通過網(wǎng)口將采集到的圖像數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)娇刂瓢蹇ā？刂瓢蹇ǜ鶕?jù)接收到的圖像數(shù)據(jù)，從圖像數(shù)據(jù)中分別識別出A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4 和C 區(qū)域的數(shù)據(jù)。由于各個區(qū)域的數(shù)據(jù)都不止一個，此處采用區(qū)域加權(quán)平均法。另外，由于圖像數(shù)據(jù)是灰階數(shù)據(jù)，不是直接的亮度數(shù)據(jù)，此處將攝像頭灰階數(shù)據(jù)作為亮度數(shù)據(jù)的近似替代，由于亮度校正屬于相對值校正，因此數(shù)據(jù)替代后不會影響屏幕亮度一致性的校正效果[6]。

（5）控制板卡中的軟件會根據(jù)各主要區(qū)域的亮度，判斷是否符合亮度一致性需求。如果滿足則程序退出中止，如果不滿足則進(jìn)入校正計算，根據(jù)各區(qū)域的亮度差異分別計算各區(qū)域的校正參數(shù)。校正模塊根據(jù)校正參數(shù)調(diào)整各區(qū)域的圖像激勵信號，從而調(diào)整屏幕亮度一致性。

（6）攝像頭再次采集調(diào)整后的圖像信號，并再次校正亮度參數(shù)，直到亮度一致性符合設(shè)計要求時才結(jié)束。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種低成本的屏幕亮度一致性自動校正方法。該方法可以在不增加屏幕硬件成本的前提下，通過軟件校正的方式有效提升屏幕亮度一致性。相比目前業(yè)內(nèi)大多數(shù)需要調(diào)整顯示屏背光燈珠數(shù)量的亮度一致性提升方法，本設(shè)計的成本大大降低。由于調(diào)試過程由軟件自動完成，所以系統(tǒng)的調(diào)試效率大大提升。根據(jù)本設(shè)計的實驗統(tǒng)計，平均可以在30 s 之內(nèi)完成一塊屏幕的亮度一致性校正，屏幕亮度一致性提升20%左右，系統(tǒng)硬件成本0 增加。本設(shè)計具有成本低、效果好、效率高等特點，在屏幕成本受限的場合具有較高的應(yīng)用價值。