基于RGB Gamma曲线LED显示图像的色散校正技术

　　摘要:通过对RGB 三基色发光二极管(LED)温度特性的测试和分析发现,随着环境温度的变化,每种基色的LED 亮度与常温时的亮度相比都会发生一定程度的偏移,且其偏移量不相同,导致了图像白场平衡的失真。为了校正失真,针对每个基色LED 提出一种不同环境温度下的Gamma 补偿曲线,使RGB 三基色LED 在环境温度变化时具有相同的亮度偏移值,以保证白场平衡。本文提出的Gamma 补偿技术克服了L ED 的温度特性引起显示屏图像的色彩失真和白场平衡的破坏,使图像的色彩不会受环境温度的变化而失真。

　　关键词:全色发光二极管(LED)显示; Gamma 曲线; RGB; 校正; 补偿

　　1 引言

　　发光二极管(LED) 显示屏具有亮度高、图像清晰、色彩鲜艳、驱动电压低、功耗小、耐震动、使用寿命长和价格低廉等优势。随着高亮度蓝、绿LED 的开发和计算机视频控制技术的突破,全彩色户外LED 显示屏也有了很大发展。目前,全彩LED 被公认是前途的大屏幕显示器,已经广泛应用于金融、证券、交通和体育场馆等,成为信息显示的重要传媒之一。

　　随着全彩LED 显示屏市场逐步扩大,人们对显示屏显示的图像质量要求不仅是看全彩色的图像,并希望能够获得逼真的图像效果。但目前全色LED 显示屏却存在环境温度偏离常温时显示屏图像的白场平衡破坏、色彩失真的问题,即LED显示屏图像色彩随着环境温度的变化发生失真。冬季0 ℃以下时,图像的色彩偏暗、明亮度差;而夏季30 ℃以上时,图像色彩鲜艳、明亮。本文通过对LED 温度特性的分析,提出了基于Gamma 校正曲线的补偿技术来提高和校正图像的色彩,使显示屏的图像色彩不受环境温度的影响。

　　2 LED 温度特性分析

　　在全彩色LED 显示屏中,RGB 三基色的亮度平衡决定了白场的平衡。若RGB 三基色中的一个基色的亮度发生飘移将会严重影响图像的质量,破坏白场平衡,使显示的图像色彩发生畸变。

　　图1 和图2 反映了一组R、G、B 3 种LED 的正向电压VF与正向电流IF 以及IF 与亮度L 间的关系。可以看出,超过门限电压后,随着VF 的增加, IF 先是缓慢增加而后便急剧增加。

　　也就是说,VF 稍有波动, IF 便会大幅变化。从图2 可知, IF 超过阀值后,随着IF 的增加,L 快速增加。

　　从图2 的IF 与L 曲线可知, IF 的大小直接影响了L 。当IF 达到一定值以后,L 基本趋于饱和。根据图1 和图2 的VF 、IF 和L 特性,在实际中通常用VF 的方式驱动LED ,用串连电阻值的大小调整LED 的RGB 三基色的IF 使其L 一致。而系统对RGB 三基色的IF 的调整,是以常温为基本的标准。

　　但从L ED 的亮度特性图3 可知,随着环境温度TC 的变化,L ED 的RGB 三基色的显示亮度偏移状况各不相同,B 的飘移较小,而R 的飘移较大,当温度超过80 ℃时,R 相对亮度的变化几乎是常温时的2 倍。这种变化完全破坏了常温时设置的白平衡,使整个显示屏的色度发生严重漂移,图像质量变差。RGB 三基色的相对亮度的偏移如图4 示,可明显看出,常温时三基色的亮度状态和在85 ℃及- 20 ℃时的相对亮度值,正是L ED 的温度特性导致冬季和夏季显示屏的图像质量变差。

　　3 基于反Gamma 校正的LED 亮度补偿技术

　　LED 系统通常用统一的反Gamma 校正曲线来校正视频的亮度信息。由于温度的变化影响了LED 的亮度特性,使全彩色LED 常温下的配色比例在温度变化的情况下严重失调,图像质量严重降低。通常情况下,对LED 显示屏亮度的调整时,一般采用输入亮度值与权值相乘来降低LED 的显示亮度。

　　但此方法将损失低灰度级的亮度,降低了图像的灰度级,即降低了图像显示色彩。为了不减少低级灰度且保证对亮度的调整,提出一种针对每个温度段采用不同的Gamma 参数来调整相关色彩亮度的技术,以补偿环境温度对器件的影响。系统针对不同的RGB 的基色设置其独立的Gamma 反校正参数。

　　如图5 ,以B2LED 的特性为例,提出了适合温度变化的Gamma 校正曲线。在相同的输入值的前提下,低温采用γ1 曲线时,输出的理论亮度值高于常温,以校正低温时LED 温度特性导致的亮度损失。同样,在高温情况下采用γ3 曲线,使校正后的亮度与常温时亮度相当。从LED 的温度特性分析可知,每个基色在环境温度作用下亮度变化的幅度都不相同。为此,系统针对不同的RGB 的三基色设置各不同的反Gamma 校正参数,使系统在不同的环境温度情况下,保证系统色度匹配比例以达到白场平衡目的。

　　为了补偿LED 因温度引起的亮度变化,LED 显示系统增加了亮度检测电路。实验发现,以20 ℃温度间隔对色彩进行温度补偿时,能基本上满足图像的观看质量。为此,系统以常温为基础,每隔20 ℃给出相应基色的Gamma 校正参数。对于- 20 ℃～ + 80 ℃范围,每个基色给出供5 种不同的Gamma 参数以补偿亮度的变化。图6 给出系统的温度检测电路和相应的控制Gamma 参数的电路框图。利用温度传感器DS18B20检测环境温度的变化,当环境温度到达设定温度值时,通过微处理器的ARC 3 个I/ O 线输出5 个温度状态中的某一状态值给CPLD。在CPLD 内部设有RGB 三基色(3 ×4 + 1 = 13)13 个(常温时采用一个标准的Gamma 参数校正,在其他温度下,每个基色一个校正参数) Gamma 值的参数表,从表查出分别对应RGB 的3 个Gamma 值提供给亮度控制电路和显示控制电路。

　　显示控制电路针对每个基色的Gamma 参数不同产生对应的控制信号,以控制相对应基色的亮度显示数据。即三基色的亮度数据输入相同的情况下,通过显示电路的控制信号控制RGB三基色LED 的导通时间,使RGB 三基色LED 上产生不同的理想亮度,以补偿环境温度变化导致LED亮度特性变化的问题。

　　系统通过图6 所示的电路完成了LED 显示屏RGB 三基色的亮度补偿,实现了图像色度的调整。表1 为LED 的RGB三色的亮度在常温、- 20 ℃及60 ℃时的情况。

　　表1 中,常温的白场配色比例为1. 92 ∶6. 57 ∶1. 51。而当温度发生变化时,由于LED 的特性,使RGB 的亮度特性发生了严重的偏移,使白场的比例已完全偏离了常温下的比例,使图像在色彩发生了畸变。而采用本文的校正技术后,结果如表2 所示。

　　从表2 中可观察到,虽然在常温时LED 的亮度有一些损失,但通过校正,使整个显示屏亮度基本不受外界环境温度的影响,更重要的是补偿了色度的偏差,恢复了白场的平衡,保证了图像的质量。

　　4 结论

　　提出了解决全彩色LED 显示屏在环境温度变化较大时图像色彩失真的问题,从根本上解决了由于LED 本身的特性造成的显示屏色度和亮度的失真。本技术不仅可用于全彩色LED显示屏中,而且可应用于以LED 的RGB 三基色作为背光源的液晶显示器的技术之中。

参考文献:

[1]. TC  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TC+_2043278.html.
[2]. DS18B20 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DS18B20_819975.html.
[3]. CPLD datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.