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LED显示屏色度校正原理与技巧

日期: 2020-06-10
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   随着逐点校正的技术进步,客户对LED屏显示质量要求也越来越高,从仅仅追求亮度与白平衡指标,渐渐提升到了对显示均匀度和色保真度的要求。利用逐点校正技术大幅提升显示屏的均匀度,当前正处于快速的普及应用进程中,而色度校正的需求也渐渐浮出水面,越来越为业内所关注。本文将简要介绍LED显示屏色度校正的原理、应用、实现方法与技巧。

LED显示屏色度校正原理与技巧

  1、色度校正基础概念

  led显示屏的色度测量与计算需使用CIE XYZ 1931标准色度系统。为了后面引入色度校正的计算公式,首先对色度校正相关的基本概念做一简单梳理:

  1.1 三刺激值

  根据格拉斯曼颜色匹配原理,选择三种原色,三原色中任何一种颜色不能由其他两种原色相加混合得到,如RGB三原色,通过选一特定白光做为标准,定出三原色的相对亮度单位,则其他颜色的光可以看成是由不同数量的三原色光混合而成,所需的三原色各自的数量就是三刺激值。

  CIE XYZ 1931色度系统,使用了三个假想的原色,[X],[Y],[Z]替代RGB三原色,通过匹配等能白光定出三种原色的单位。在定量表达某种光源的亮度与色度时,色度学方程可表达如下:

              C[C]=X[X]+Y[Y]+Z[Z]   (式1)

  式中的X,Y,Z即三刺激值,而混合色的三刺激值为各组成色的三刺激值之和。

  注意,三原色中只有[Y] 原色既代表色品又代表亮度,[X],[Z] 只代表色品。

  1.2 色坐标

  CIE XYZ 1931色度系统中的色坐标x, y, z与三刺激值XYZ之间的关系式如下:

LED显示屏色度校正原理与技巧        

  可以看到,x, y, z并不独立,x+y+z=1,因此一般只用x,y两个色坐标即可唯一地表达色品。

    有了三刺激值,就可以计算得到色坐标x,y。反之,有了色坐标x,y,和Y,也可以计算出三刺激值XYZ,如下式所示:

 LED显示屏色度校正原理与技巧           


  三刺激值XYZ是混色叠加计算的基础,而混色叠加计算正是色度校正的理论基础。

  1.3 色域空间

  色域就是指某种表色模式所能表达的颜色数量所构成的范围区域,也指具体介质如屏幕显示、数码输出及印刷复制所能表现的颜色范围。

LED显示屏色度校正原理与技巧

(图1)

  说明:图中的蓝色与白色大三角形为假定的两块LED屏的原始色域空间,内部的黑色小三角形为设定的目标标准色域空间SRGB,该色域三角形被两个原始色域三角形完全包含,因此是两块显示屏都可以通过校正实现的色域空间。

  对于LED显示屏来说,对应到CIE 1931色品图(参见图1)上,就是三原色色坐标连线构成的色域三角形和设定的白点。三原色色域三角形决定了该LED显示屏能表现的色彩。而白点定义了所需要的三原色配比,也就是单位量。一张显示屏生产完成,其色域三角形就确定了,而调整白平衡可通过调电阻等方法改变RGB的配比来实现。

  三原色色域三角形内部的颜色为显示屏通过三原色的混色可实现的全部颜色。

  因此,一张LED显示屏的原始色域空间定义应包含以下参数:

    (Rx,Ry);(Gx,Gy);(Bx,By);(Wx,Wy);

  以上四组色坐标分别为显示屏显示为(R255,G0,B0)、(R0,G255,,B0)、(R0,G0,B255)以及(R255,G255,B255)等红绿蓝白四色时的色坐标。

  白色由RGB三原色混色而成,因此,如给出RGB三色的亮度值RY,GY,BY,就可以计算出RGB三色各自的三刺激值。

LED显示屏色度校正原理与技巧   

  而白色的色坐标Wx,Wy以及白色亮度值WY都可以通过RGB三色的XYZ三刺激值的叠加计算得到:

          LED显示屏色度校正原理与技巧 

  反之,给出白色的色坐标和亮度值,也可以计算得到所需的RGB三原色亮度值。

  2、 色度校正应用领域

  2.1 提高色保真度

  LED屏色度校正最本原的应用服务于提高显示的色保真度,使显示的图像与源图像的颜色一致,更真实地还原自然色彩。通俗一点说,就是让显示的色彩更“正”。

  LED屏上的显示内容一般来自电视摄像机、相机,或计算机。而电视与计算机监视器的色域空间与LED屏的色域空间不一致,就造成了显示色彩失真的现象。如常见的电视的色域空间标准PAL、NTSC,电脑监视器的色域空间标准SRGB等,都与LED显示屏固有的色域空间不一致。LED色域空间较大,色彩表现通常过饱和,视觉感受是更艳丽、夸张,因而失真。

  色度校正的目标之一,就是将显示屏的色域空间校正到视频或图像源的色域空间上,或尽可能接近,以改善显示的色保真度。


 2.2 不同批次箱体混用

  租赁屏主经常会遇到这种情况:分时段采购的批量箱体,希望能一起混用,方便承接更大的演出项目。工程商有时也会遭遇客户的要求,希望将一块原有的显示屏扩大面积,新制作一部分箱体和老屏拼接成一块大屏。

  然而,不同批次的箱体因为原始亮度与原始色域空间的差异,各自为政,格格不入。

  此时,色度校正可以将不同批次的箱体的原始色域空间校正到一个重合的目标色域空间上,从而实现不同批次箱体混用和新老屏的拼接。

  2.3 色度均匀性校正

  色度均匀性校正目的是改善显示屏的像素间色差。此时,每一个像素点,一组RGB灯的组合,都可视为一个色域空间,色度校正要完成的任务是将显示屏上所有像素数量的色域空间校正到同一个色域空间上。

  当前分光分色机的分色精度和有效的混灯技术,使得色度均匀性的应用场合非常有限。因为人眼对像素级的色差分辨力约为4nm,而分光分色机的分色精度普遍可达到±1nm。除非将非常多批次且少量的库存LED灯用于同一张屏,色度均匀性校正才是必要的。

  3、色度校正原理

  在清晰了色度概念和色度校正的应用领域后,让我们来看看LED显示屏色度校正的原理和具体实现方法。

  色度校正的原理就是色域空间变换。将LED屏固有的宽色域空间变换到一个用户设定的目标色域空间上,该目标色域空间可以是标准色域空间,也可以是用户自定义的一个色域空间。

  对于LED屏来说,要保证显示质量,必须在色度校正的同时,保证亮度的均匀度。因此亮色校正一定是同步完成的。因此应同时给出校正的目标亮度值。

    3.1 色域空间转换系数矩阵的计算

  色域空间转换首先需要确定原始色域空间三刺激值矩阵[XYZ_original]和目标色域空间三刺激值矩阵[XYZ_target],,从而计算出转换系数矩阵[conversion_coefficient]。

      LED显示屏色度校正原理与技巧

    令

LED显示屏色度校正原理与技巧      

   据色域空间变换的需要,有:

  [conversion_coefficient] *[XYZ_original]= [XYZ_target]    (式9)

  由上式可得到:

  [conversion_coefficient]= [XYZ_target]* [XYZ_original]-1      (式10)

  式8的转换系数矩阵中,

  RR为显示源信号为红色时,红灯的亮度系数;

                RG为显示源信号为红色时,绿灯的亮度系数;

                RB为显示源信号为红色时,蓝灯的亮度系数;

                GR为显示源信号为绿色时,红灯的亮度系数;

                GG为显示源信号为绿色时,绿灯的亮度系数;

                GB为显示源信号为绿色时,蓝灯的亮度系数;

                BR为显示源信号为蓝色时,红灯的亮度系数;

                BG为显示源信号为蓝色时,绿灯的亮度系数;

                BB为显示源信号为蓝色时,蓝灯的亮度系数;

    3.2 色域空间转换系数矩阵的应用

  得到逐像素的色域空间转换系数矩阵后,控制系统将显示源信号进行逐像素的实时运算,就可以将显示屏的色域空间调整至目标色域空间了。

 假设某像素的转换系数矩阵如下:

LED显示屏色度校正原理与技巧

  当显示信号为(R255,G128,B64)时,该像素的三颗灯的实际点亮情况如下:

 LED显示屏色度校正原理与技巧

  即源信号(R255,G128,B64),在该像素上实际显示为(R238,G128,B71)。

  需要注意的是,以上运算基于线性亮度,实际应用时,应在伽玛校正后再进行系数的应用与线性运算。

  4、LED屏色度校正技巧

  计算方法和应用方法都十分清晰明了,然而在LED屏的校正实践中,还是有着一些需注意的事项和技巧。

  4.1 目标色域空间设定

  目标色域空间的合理设定十分重要,否则,或者不能实现,或者白平衡无法达到,或者亮度均匀度将受损。

  1)目标色域空间的三原色坐标,必须全部位于原始色域三角形之内。原始色域三角形之外的色彩是这块显示屏无法通过混色实现的。中科维优的SV-1校正系统中,提供CIE1931色品图,程序会绘出原始色域三角形与目标色域三角形,并给出目标三原色已均位于原始色域三角形之内的图解提示,避免设定错误。

    2)  因为显示屏三原色的最高亮度有限,如果目标色域空间的白点坐标和亮度值设定不合理,将使得显示屏上大量像素无法达到预定目标值,SV-1校正系统中,会根据目标色域空间的设定参数,计算出显示屏上无法达到目标值的像素点个数、比例与位置,通过模拟图显示出来,帮助用户合理设定目标白点和亮度。

  4.2 对显示屏和控制系统的要求

  从3.2中的示例色度校正数据可以看出,转换校正系数中的补色系数数值较小,变化较大,有时只有千分之一,有时甚至需要达到1/3。因此,转换校正系数的应用,对显示屏和控制系统提出了更高的要求。

  1)  显示屏必须真正能够实现12位以上的灰阶;

  2)  控制系统应能够读入至少12位以上精度的转换校正9系数数据并进行实时运算;

  满足以上2个条件,显示屏才可能保证色度校正的准确度和校正后的亮度均匀度。

  4.3 绝大多数色度校正的应用是色域空间的校正。

  色域空间的校正需要的原始三原色色坐标值,可以使用常规的彩色亮度计测量区域平均色坐标而得到。但因为每个像素中的RGB 亮度配比不一致,要保证校正后的显示均匀度,色域空间校正仍必须结合逐灯点的亮度测量值,来计算得出逐点的转换校正系数矩阵,提供给控制系统。

  4.4 显示屏色坐标数据的测量,应采用分光光度计原理的仪器

  如美能达CS200级别以上的分光式彩色亮度计。色坐标的测量准确度与精度,将对色度校正的结果产生关键性的影响。三刺激值的测量原理和颜色匹配滤光镜的制造水平现状,使得三刺激值彩色亮度计难以成为可靠的色坐标数据源。

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