LED大屏幕 [ＬＥＤ大屏幕显示补偿技术]

　　文章编号：1006-6268（2008）08-0048-06 　　摘要：提出了一种能够改善LED显示质量的方法。首先通过对色彩的计算分析，可以实现调节色彩纯度较高的每组LED中的三色LED的相对亮度，显示出纯度较低的系统R 、G、B三基色；同时，也可以调节每组三基色LED中每个LED的亮度以达到调节此组LED的整体亮度。其次通过对LED的驱动的分析，以恒流脉冲的时间长度来控制显示不同的灰度级别，通过对每组RGB LED中每颗LED脉冲时间的增减可以调节三者的相对亮度达到所需要显示的由系统R、G、B三基色混成的色彩和整体亮度。最后则说明了实施的方法，通过在恒流下对所有LED的色彩和亮度的检测，计算出矫正色彩和亮度所需要的数据并储存起来，在驱动电路中通过自动查询的方式使得矫正后的色彩和亮度得以显示。同样，LED在不同的温度和驱动电流下所显示的色彩和亮度也有偏差，通过此方法，对驱动脉冲的调节实现显示效果的提升。
　　关键词：全彩LED显示屏；补偿技术；颜色配匹
　　中图分类号：TN383文献标识码：B
　　
　　A Compensation Technology for the Large LED Display
　　YU Zhao-hua１.2，XIE Jing1
　　（1.Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;
　　2.Chengdu Zhonghang Huatian Technology Co.,Ltd.,Shanghai 20043,China）
　　Abstract:In this paper, it is given a method to improve the LED demonstration quality. First through the computation and analysis of the color, it can be realized that to adjust the relative brightness of the three high purity color LED of each group, the lower purity system color RGB can be demonstrated. At the same time, the brightness of the whole group can also be adjusted. Next through the analysis of the driving circuit, by adjusting the time length of the constant flow driving pulse, different gradation rank of brightness can be achieved. Through adjusting the time length of the driving pulse of each color LED of the group, the relative brightness can be got, and the color and brightness mixed by the system color RGB can also be obtained. Finally the implementation method is explained. Through the detention of the color and brightness of all LED under the constant flow, data is obtained to calculate the data which the adjustment of color and brightness needs. All these data is stored up as look-up tables which the driving circuit used as to correct the color and brightness. Similarly, as the LED color and brightness demonstrated under the different temperature and driving current also have the deviation, the method can be used to adjust the pulse to get better demonstration.
　　Keywords: full color LED display；compensation technology；color matching
　　
　　概述
　　
　　1995年以来，我国LED显示屏产业在得到大规模发展的同时，在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、多级群控技术等方面达到国际水平，LED显示屏产业已经成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内所形成的民族高科技产业[1]。由于工艺上很难非常准确按照事先设定的LED色彩、辉度和衰减等参数生产LED,同批生产的LED也需要芯片切割后检测筛选，封装后检测筛选以取得在一定亮度（如1:1.3）波长(如5nm)范围内的全彩显示用LED,而使用温度在常温20℃附近[2-3]。如果需要提高显示的质量，相应地选择LED的范围更窄，屏幕的成本也更高。有没有办法不增加LED的成本来提高画面的显示效果呢？下面就是介绍一种通过在不同温度色度驱动全彩色LED显示屏幕，为达到需要的显示色度辉度，自动校正各LED芯片的驱动电流并自动记录对应的参数，在实际显示时，可以通过查询表或者插值的办法找到对应最优的显示驱动电流参数，从而达到提高显示画质的目的。
　　
　　1LED显示屏工作原理
　　
　　1.1光度色度学
　　光度是对有关光的辐射能量与人跟亮度感受两者关系的描述；色度是对有关彩色形成与彩色视觉关系的描述[4]。
　　人眼对于亮度的敏感程度与颜色有关，对于波长为555nm的黄绿光最敏感，相对视敏度为1，1W的光辐射功率产生1光瓦的光通量，其它波长的光线，1W的辐射功率所产生的光通量总是小于1光瓦（见图1）。用R、G、B三基色的不同比例，可以合成各种不同的颜色，比如白光可以由RGB按照1:4.5907:0.0601的光通量比例配合生成。人眼对亮度差的区分能力与背景亮度密切相关，在LED显示屏的应用中就应该考虑LED显示屏的亮度与环境光线之间的合理的配合[4]。
　　
　　在图2 中，PrPgPb是PAL的色域，WrWgWb是三基色LED的理想色坐标，在此三角形领域中，可以再现 PAL范围的任何色彩。RGB为普通LED再显色彩范围，RYGCB是五基色色彩显示范围。目前工程上选择一定颜色的LED是按照其色坐标选择，如白色W,用a,b,c,d四色坐标来表示。实际LED与PAL制电视红绿蓝三基色色坐标有比较大的差距（见表1）。
　　
　　1.2色彩转换计算
　　GRASSMEN定理指出，当两种色光混合时，产生的混合光的强度等于组成混合光的各种颜色光的强度之和[5]。
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　　设定达到要求的三原色光（虚拟的）为Cr,Cg,Cb，混合光为C，混合光的色坐标为(xc,yc,zc)，刺激值为（Xc,Yc,Zc）；
　　由色度学原理和色度图的定义(CIE 1931)：
　　Xc=Cr・xr+Cg・xg+Cb・xb（１）
　　 Yc=Cr・yr+Cg・yg+Cb・yb（２）
　　Zc=Cr・zr+Cg・zg+Cb・zb（３）
　　xc=Xc/(Xc+Yc+Zc)（４）
　　 yc=Yc/(Xc+Yc+Zc)（５）
　　 zc=1-xc-yc（６）
　　根据CIE XYZ 1931定义只有y坐标带有该色度的亮度信息，即
　　Lc=Lr+Lg+Lb （７）
　　 由式（２）、（７）得：
　　Cr=Lr/yr（８）
　　Cg=Lg/yg （９）
　　和Cb=Lb/yg （１０）
　　又zr=1-xr-yr（１１）
　　zg=1-xg-zg（１２）
　　zb=1-xb-zb（１３）
　　将式（８）～（１３）代式（１）~（３）；所得代入式（４）～（６）整理后得到：
　　（xr-xc）・Lr/yr+(xg-xc) ・Lg/yg+(xb-xc) ・Lb/yb=0（１４）
　　（yr-yc） ・Lr/yr+(yg-yc) ・Lg/yg+(yb-yc) ・Lb/yb =0 （１５）
　　Lr+Lg+Lb=Lc （１６）
　　其中，只要测出LED的三原色CIE1931的色坐标（xr,yr), (xg,yg),（xb,yb),就能通过控制三色LED的各亮度配比到合适需要的辉度色度。例如，已知三色RGB的色坐标分别为(0.70,0.30）,(0.17,0.70）,(0.13,0.075）,需要显示辉度2，000cd/�(以LED正前方测量为准）, 色坐标（0.313,0.329）,计算得RGB的辉度分别为576cd/�,1，224cd/�,200cd/�。
　　1.3LED驱动原理
　　一般推荐使用图3的驱动电路进行驱动，可以比较稳定地控制工作电流。
　　在驱动LED时使用恒流脉冲，利用灰度级锁存器中的数据与计数器输出比较（见图4），来进行脉冲的时间控制。由于是恒流驱动，所以改变驱动的时间，LED显示色彩基本不变。当调节LED的驱动电流时或者改变外界环境温度时，LED的显示色彩会发生改变，其变化大小与LED本身的品质有关。
　　在显示时，行实行扫描方式（见图6），而列是靠灰度数据锁存与来自计数器的数据比较后输出低电平驱动（见图7）。
　　
　　2LED显示屏补偿原理
　　
　　根据色度图原理和色彩配比计算方法，三色RGB LED必须靠近鞍形图的边缘，使得三点连成的区域能够包括所需要显示的色彩区域，才能够按照三色LED的不同辉度的配比达到所需要的辉度和色度。
　　定义某颗LED的三色灯为LED_R,LED_G,LED_B； LED的三原色CIE1931的色坐标分别为（xr,yr）, (xg,yg）,（xb,yb），给定需要显示的色彩辉度Lc和色坐标（xc,yc）,根据式(10)、 (11)、（12）可以求得Lcr,Lcg,Lcb, 三者之和为Lc。
　　定义PAL三基色SYS_R,SYS_G,SYS_B对应的色坐标为Pr,Pg,Pb(二维向量)，辉度均为L/3，则可以求得对应的Lrr,Lrg,Lrb; Lgr,Lgg,Lgb; Lbr,Lbg,Lbb。
　　定义：
　　Pr――对应的辉度L/3, 所需三色LED的辉度值分别为Lrr,Lrg,Lrb;
　　Pg――对应的辉度L/3, 所需三色LED的辉度值分别为Lgr,Lgg,Lgb；
　　Pb――对应的辉度L/3, 所需三色LED的辉度值分别为Lbr,Lbg,Lbb；
　　定义实际测得的LED在恒亮时（脉冲时间为全周期）辉度分别为Lr、Lg、Lb(均在[L/3，2L/5]为好)；
　　则可求出Nrr，同时，在线驱动Nrr测试Lrr,可检验Nrr是否正确，Nrr/255记录在表4中;其它类似。To为单位脉冲时间，T为显示周期。
　　 Lrr/Nrr=Lr/255；To=T/255；Nxx・To=Txx（１4）
　　定义PAL的RGB三色的显示灰度级分别为Nr,Ng,Nb(0≤Nr,Ng,Nb≤255)，则显示一个由PAL RGB混合的辉度为L,色坐标为(xp,yp) 的色彩P的时候：
　　显示PAL红色时，RGB LED的辉度分别为：
　　Nr・Nrr・Lr/255、Nr・Nrg・Lg /255、Nr・Nrb・Lb/255；（１5）
　　显示PAL绿色时，RGB LED的辉度分别为：Ng・Ngr・Lr/255、Ng・Ngg・Lg /255、Ng・Ngb・Lb /255； （１6）
　　显示PAL蓝色时，RGB LED的辉度分别为：Nb・Nbr・Lr /255、Nb・Nbg・Lg /255、Nb・Nbb・Lb /255；（１7）
　　 根据混色显示原理，相同的颜色光脉冲可以相加（见图8）。
　　红色LED的显示脉冲数目NR（对应Tr）为：
　　Nr・Nrr/255+ Ng・Ngr/255+ Nb・Nbr/255（18）
　　绿色LED的显示脉冲数目NG（对应Tg）为：Nr・Nrg/255+ Ng・Ngg/255+ Nb・Nbg/255 （19）
　　蓝色LED的显示脉冲数目NB（对应Tb）为：Nr・Nrb/255+ Ng・Ngb/255+ Nb・Nbb/255 （20）
　　其中Nr、Ng、Nb是随着PAL要显示的像数点不同而不同，是由需要显示的图像所决定的；Nxx是由不同的LED决定的，通过检测LED的色坐标和亮度根据式(11）~（14)计算出来，并通过测量检验正确无误后存储起来(见表4)。如果LED色彩饱和度不够，在计算中会出现补偿为负值的情况，这就失去补偿作用了，因为三个接近白色的三色灯是无法得到高饱和度色彩的。使用补偿时，Nrr、Ngg、Nbb可能会出现大于255的情况，如果是8位寄存器做运算储存，那么数据就会溢出。
　　处理补偿中出现大于255的情况：
　　方法一：设最大脉冲数Nmax=max{NR,NB,NC},将三色LED的脉冲数目乘以255/Nmax,则最大LED的显示脉冲数变到255，同时将L值放大到Nmax/255,可以通过检测L的255分级时的电流对应的辉度值，使用查询表的方式找到对应的电流值并使用D/A转换调节对应的驱动电流。但可能产生的问题是电流变化后LED色彩也很可能变化，而且当调节总体屏幕亮度时需要变化L值，使得控制更加复杂。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　方式二：增加一个周期的显示脉冲数，如果脉冲数增加到256×3-1,不会出现溢出问题，但正常显示时由于空余时间比较长，而使得显示亮度变到原来的L/3左右。对于和PAL三基色偏差不大的RGB LED，一般脉冲数取到300即可，虽然总体屏幕亮度暗了一点，但影响不大，而且可以通过调节整个屏幕的驱动电流使屏幕明亮一些。在显示白色的时候， PAL RGB取脉冲数分别为255，255，255，而在三色LED显示的时RGB就不相等了，比如RGB的脉冲数分别是275，245，255, 实际上就是增加红色LED辉度，而绿色、蓝色削弱了，使得显示色彩得到调整。而实际三色混和的亮度自然也是可以调整的，当某个LED RGB的组其中一个，或者总的亮度不够时，通过增加某个或者三个LED的脉冲数目而使亮度达到需求，如果过亮则减少其脉冲数目。
　　Txx与单位脉冲周期的商即为点亮LED的脉冲数目Nxx，新的问题是由于补偿数据占了一定的空间，使用8位存储和比较有可能溢出，所以需要至少9位存储空间和比较器，灰度级锁存器中的255灰度级脉冲数目必须事先通过式（18）～（20）脉冲补偿计算后再输出给灰度级锁存器和比较器，可以通过硬件CPLD/FPGA的方式集中处理或者交PC机处理（图9）[6－7]。
　　 整个显示系统由脉冲数目控制LED的灰度级别，而屏幕的整体辉度则由驱动电流的大小控制。由于驱动电流和环境温度对LED的显示色彩有影响[8－9]，需要对电流和环境温度进行设置，按照区间法设置驱动电流Id,比如3mA设置一段，在敏感区域减小到1mA，同样使用环境测试仪器设置环境温度Td（比如10℃ 为一段，敏感区减小到5℃ 为一段(见表2)。
　　在设定好的驱动电流和温度下，通过自动快速定位在线检测系统，记录检测三色LED的色度（见表3），计算出并记录下来（见表4），在线计算出补偿脉冲数目进行补偿，检验补偿是否有效果。如果RGB三色LED显示的色彩都靠近白色，补偿后能再现的色彩区域更小，影响屏幕的显示，需要挑选出这种无法通过补偿的LED或者LED 模块。
　　此外，图像显示的效果和背景的亮度也有关系[10]，白天需要将屏幕调亮而夜晚可以暗些，既不刺眼也节省能源（图9）。在屏幕显示时，通过检测当前的驱动电流、外界的环境温度和背景环境的亮度，查询所需要的对应的事先存储的数据，对屏幕进行补偿。使用不同的RGB基准色图像时，将PAL制式的RGB对应于色彩转换计算的LED RGB,通过计算得到各分量的补偿值，图像中各像数点（每个像数点含RGB）经过这样补偿后就可以直接输出到PAL制式的显示屏幕上了。如果显示的图像色彩域比PAL的色彩域大而比LED色彩域小，需要根据原始的LED RGB色坐标数据直接计算色彩补偿才能高质量地再现图像色彩。
　　
　　3结论
　　
　　本文给出了一种检测LED并将数据存储起来，在显示时使用补偿数据，从而实现对每组RGB LED的亮度和色彩组合进行补偿的方法，并且能够虚拟出各种图像格式的三基色，实现了各种图像色彩的最大再现。此方法在LED选择范围正常的情况下能够改善显示效果，从而在得到相当的图像显示质量的情况下，对LED的色坐标的选择范围扩大了。我们知道LED成批生产出来色彩的差异比较大，如果选择色彩高度一致的LED会大大增加成本，所以说此方法可以使用国内生产的色彩一致性不高的三色LED芯片节约成本，从而有助于国内的LED显示屏上下游产业的发展。由于LED器件特性会随着时间而慢慢变化，当色度变化比较大时就需要重新测试，而把整个LED屏幕拆下来重新检测是一件很麻烦的事情，因此设计一个在屏幕上游走定位的自动检测系统将是一个新的课题。
　　
　　4致谢
　　
　　向为本论文提供帮助的上海交通大学微电子学院的指导老师和同学、工作单位联建科技、群创光电、中航华天的同仁及亲朋致以真诚的谢意。
　　
　　参考文献
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　　作者简介：俞昭华（1975-），男，上海交通大学微电子学院工程硕士研究生，成都中航华天科技有限公司经理，曾在联建科技、群创光电等光电企业任职，主要从事图像显示领域的技术研究工作，E-mail：yu.zhao.省略。
　　
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