1、 引言
發(fā)光二極管(LED) 顯示屏具有亮度高、圖像清晰、色彩鮮艷、驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小、耐震動(dòng)、使用壽命長(zhǎng)和價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。隨著高亮度藍(lán)、綠LED 的開發(fā)和計(jì)算機(jī)視頻控制技術(shù)的突破，全彩色戶外LED 顯示屏也有了很大發(fā)展。目前，全彩LED 被公認(rèn)是最前途的大屏幕顯示器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金融、證券、交通和體育場(chǎng)館等，成為信息顯示的重要傳媒之一。
隨著全彩LED 顯示屏市場(chǎng)逐步擴(kuò)大，人們對(duì)顯示屏顯示的圖像質(zhì)量要求不僅是看全彩色的圖像，并希望能夠獲得逼真的圖像效果。但目前全色LED 顯示屏卻存在環(huán)境溫度偏離常溫時(shí)顯示屏圖像的白場(chǎng)平衡破壞、色彩失真的問題，即LED顯示屏圖像色彩隨著環(huán)境溫度的變化發(fā)生失真。冬季0 ℃以下時(shí)，圖像的色彩偏暗、明亮度差;而夏季30 ℃以上時(shí)，圖像色彩鮮艷、明亮。本文通過對(duì)LED 溫度特性的分析，提出了基于Gamma 校正曲線的補(bǔ)償技術(shù)來提高和校正圖像的色彩，使顯示屏的圖像色彩不受環(huán)境溫度的影響。
2、 LED 溫度特性分析
在全彩色LED 顯示屏中，RGB 三基色的亮度平衡決定了白場(chǎng)的平衡。若RGB 三基色中的一個(gè)基色的亮度發(fā)生飄移將會(huì)嚴(yán)重影響圖像的質(zhì)量，破壞白場(chǎng)平衡，使顯示的圖像色彩發(fā)生畸變。
圖1 和圖2 反映了一組R、G、B 3 種LED 的正向電壓VF與正向電流IF 以及IF 與亮度L 間的關(guān)系。可以看出，超過門限電壓后，隨著VF 的增加， IF 先是緩慢增加而后便急劇增加。
也就是說，VF 稍有波動(dòng)， IF 便會(huì)大幅變化。從圖2 可知， IF 超過閥值后，隨著IF 的增加，L 快速增加。
從圖2 的IF 與L 曲線可知， IF 的大小直接影響了L 。當(dāng)IF 達(dá)到一定值以后，L 基本趨于飽和。根據(jù)圖1 和圖2 的VF 、IF 和L 特性，在實(shí)際中通常用VF 的方式驅(qū)動(dòng)LED ，用串連電阻值的大小調(diào)整LED 的RGB 三基色的IF 使其L 一致。而系統(tǒng)對(duì)RGB 三基色的IF 的調(diào)整，是以常溫為基本的標(biāo)準(zhǔn)。
但從L ED 的亮度特性圖3 可知，隨著環(huán)境溫度TC 的變化，L ED 的RGB 三基色的顯示亮度偏移狀況各不相同，B 的飄移較小，而R 的飄移較大，當(dāng)溫度超過80 ℃時(shí)，R 相對(duì)亮度的變化幾乎是常溫時(shí)的2 倍。這種變化完全破壞了常溫時(shí)設(shè)置的白平衡，使整個(gè)顯示屏的色度發(fā)生嚴(yán)重漂移，圖像質(zhì)量變差。RGB 三基色的相對(duì)亮度的偏移如圖4 示，可明顯看出，常溫時(shí)三基色的亮度狀態(tài)和在85 ℃及- 20 ℃時(shí)的相對(duì)亮度值，正是L ED 的溫度特性導(dǎo)致冬季和夏季顯示屏的圖像質(zhì)量變差。
3、 基于反Gamma 校正的LED 亮度補(bǔ)償技術(shù)
LED 系統(tǒng)通常用統(tǒng)一的反Gamma 校正曲線來校正視頻的亮度信息。由于溫度的變化影響了LED 的亮度特性，使全彩色LED 常溫下的配色比例在溫度變化的情況下嚴(yán)重失調(diào)，圖像質(zhì)量嚴(yán)重降低。通常情況下，對(duì)LED 顯示屏亮度的調(diào)整時(shí)，一般采用輸入亮度值與權(quán)值相乘來降低LED 的顯示亮度。
但此方法將損失低灰度級(jí)的亮度，降低了圖像的灰度級(jí)，即降低了圖像顯示色彩。為了不減少低級(jí)灰度且保證對(duì)亮度的調(diào)整，提出一種針對(duì)每個(gè)溫度段采用不同的Gamma 參數(shù)來調(diào)整相關(guān)色彩亮度的技術(shù)，以補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)器件的影響。系統(tǒng)針對(duì)不同的RGB 的基色設(shè)置其獨(dú)立的Gamma 反校正參數(shù)。
如圖5 ，以B2LED 的特性為例，提出了適合溫度變化的Gamma 校正曲線。在相同的輸入值的前提下，低溫采用γ1 曲線時(shí)，輸出的理論亮度值高于常溫，以校正低溫時(shí)LED 溫度特性導(dǎo)致的亮度損失。同樣，在高溫情況下采用γ3 曲線，使校正后的亮度與常溫時(shí)亮度相當(dāng)。從LED 的溫度特性分析可知，每個(gè)基色在環(huán)境溫度作用下亮度變化的幅度都不相同。為此，系統(tǒng)針對(duì)不同的RGB 的三基色設(shè)置各不同的反Gamma 校正參數(shù)，使系統(tǒng)在不同的環(huán)境溫度情況下，保證系統(tǒng)色度匹配比例以達(dá)到白場(chǎng)平衡目的。
為了補(bǔ)償LED 因溫度引起的亮度變化，LED 顯示系統(tǒng)增加了亮度檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以20 ℃溫度間隔對(duì)色彩進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，能基本上滿足圖像的觀看質(zhì)量。為此，系統(tǒng)以常溫為基礎(chǔ)，每隔20 ℃給出相應(yīng)基色的Gamma 校正參數(shù)。對(duì)于- 20 ℃～ + 80 ℃范圍，每個(gè)基色給出供5 種不同的Gamma 參數(shù)以補(bǔ)償亮度的變化。圖6 給出系統(tǒng)的溫度檢測(cè)電路和相應(yīng)的控制Gamma 參數(shù)的電路框圖。利用溫度傳感器DS18B20檢測(cè)環(huán)境溫度的變化，當(dāng)環(huán)境溫度到達(dá)設(shè)定溫度值時(shí)，通過微處理器的ARC 3 個(gè)I/ O 線輸出5 個(gè)溫度狀態(tài)中的某一狀態(tài)值給CPLD。在CPLD 內(nèi)部設(shè)有RGB 三基色(3 ×4 + 1 = 13)13 個(gè)(常溫時(shí)采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Gamma 參數(shù)校正，在其他溫度下，每個(gè)基色一個(gè)校正參數(shù)) Gamma 值的參數(shù)表，從表查出分別對(duì)應(yīng)RGB 的3 個(gè)Gamma 值提供給亮度控制電路和顯示控制電路。
顯示控制電路針對(duì)每個(gè)基色的Gamma 參數(shù)不同產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，以控制相對(duì)應(yīng)基色的亮度顯示數(shù)據(jù)。即三基色的亮度數(shù)據(jù)輸入相同的情況下，通過顯示電路的控制信號(hào)控制RGB三基色LED 的導(dǎo)通時(shí)間，使RGB 三基色LED 上產(chǎn)生不同的理想亮度，以補(bǔ)償環(huán)境溫度變化導(dǎo)致LED亮度特性變化的問題。
系統(tǒng)通過圖6 所示的電路完成了LED 顯示屏RGB 三基色的亮度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了圖像色度的調(diào)整。表1 為L(zhǎng)ED 的RGB三色的亮度在常溫、- 20 ℃及60 ℃時(shí)的情況。
表1 中，常溫的白場(chǎng)配色比例為1. 92 ∶6. 57 ∶1. 51。而當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，由于LED 的特性，使RGB 的亮度特性發(fā)生了嚴(yán)重的偏移，使白場(chǎng)的比例已完全偏離了常溫下的比例，使圖像在色彩發(fā)生了畸變。而采用本文的校正技術(shù)后，結(jié)果如表2 所示。
從表2 中可觀察到，雖然在常溫時(shí)LED 的亮度有一些損失，但通過校正，使整個(gè)顯示屏亮度基本不受外界環(huán)境溫度的影響，更重要的是補(bǔ)償了色度的偏差，恢復(fù)了白場(chǎng)的平衡，保證了圖像的質(zhì)量。
4、 結(jié)論
提出了解決全彩色LED 顯示屏在環(huán)境溫度變化較大時(shí)圖像色彩失真的問題，從根本上解決了由于LED 本身的特性造成的顯示屏色度和亮度的失真。本技術(shù)不僅可用于全彩色LED顯示屏中，而且可應(yīng)用于以LED 的RGB 三基色作為背光源的液晶顯示器的技術(shù)之中。