基于颜色匹配算法全彩LED显示颜色偏差分析
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摘要:LED采用颜色匹配修正后仍存在色域空间偏差,偏差量值影响着校正后LED显示屏显示的均匀度。文章介绍颜色匹配算法,并分析将该算法应用于实际中时产生的误差,然后利用标定色差值对量化精度、显示灰度值以及颜色偏差之间的关系进行探讨。
关键词:颜色匹配算法;量化精度;显示灰度值;颜色偏差
中图分类号:TN312+.8文献标识码:B
The Analysis of the Deviation Based on Color Matching Algorithm in the Field of Full-color LED Display
HAO Ya-ru1, WANG Rui-guang1,2, CHEN Yu1,2, ZHENG Xi-feng1,2
(1. Changchun xida Electronic Technology Co., Ltd., Changchun Jilin 130103, China;
2. Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Changchun, CAS, Changchun Jilin 130033, China)
Abstract: During the color gamut transformation process, the quantization error and the truncation error existed. As a result, the deviation between the transformed color gamut and the standard color gamut was produced, if the deviation was beyond the color tolerance, the uniformity of the screen color will be affected. This paper presented the correlations of quantization and the different gray value for color gamut according to the values the relationship of the quantization precision.
Keywords: color matching algorithm; quantization precision; gray value; the color difference
引言
目前,LED显示屏的应用越来越广泛,同时对LED显示效果提出越来越高的要求,尤其是LED显示屏显示一致性的问题备受关注[1-3]。解决此问题有几种方法:(1)筛选LED;(2)LED杂乱排列;(3)电阻调节。方法(1)为较广泛采用的方法,该方法虽然可使显示器的均匀性提高,但是成本也大幅提高,而且每个像素亮度随时间的衰减速度各不相同,一两年内,各像素亮度将无法保持一致;方法(2)虽然可消除大面积的“马赛克”,但实际上并未改善屏幕不均匀度,反而产生更多“麻点”噪声;方法(3)只是使模块间亮度有所改善,效果不理想,而且耗时费力。
针对以往的方法,提出了一种新的方法[4],该方法是通过一种算法来改善显示屏的均匀性程度,且该算法需要用到显示屏上的亮度和色度信息,就目前来看,已有相关的设备对其进行采集,此算法称为颜色匹配算法,源于色域转换理论[5-7]。目前,该算法是业界关注最多的一种方法。然而该方法的实际价值,即对利用该算法后显示屏的一致性误差分析,到目前为止,并没有相关的报导。本文针对此问题展开分析,主要抓住该算法中关键参数在量化以及数字化实现过程存在的误差,探讨转换参数的量化精度值、显示灰度值与颜色偏差三者之间关系。
1颜色匹配算法及误差分析
1.1颜色匹配简介
根据色度学基本原理,将非标准系统(1)向标准系统(2)转换。
X=CrxrR+CgxgG+CbxbBY=CryrR+CgygG+CbybBZ=CrzrR+CgzgG+CbzbB(1)
其中,Cr、Cg、Cb为未知数,表示了RGB三原色的分量系数,xr yr zr为R基色的色度坐标,xg yg zg为G基色的色度坐标,xb yb zb为B基色的色度坐标。
向标准系统
Xrst=Cr-rstxr-rstRrst+Cg-rstxg-rstGrst+Cb-rstxb-rstBrstYrst=Cr-rstyr-rstRrst+Cg-rstyg-rstGrst+Cb-rstyb-rstBrstZrst=Cr-rstzr-rstRrst+Cg-rstzg-rstGrst+Cb-rstzb-rstBrst(2)
其中(2)式中Rrst Grst Brst为该标准色域空间的三基色,Cr-rst Cg-rst Cb-rst为标准三基色的系数,xr-rst yr-rs zr-rst为该标准Rrst基色的色度坐标,xg-rst yg-rst zg-rst为该标准Grst基色的色度坐标,xb-rs yb-rst zb-rst为该标准Brst基色的色度坐标。
经推导,得出由非标准显示系统向标准显示系统转换的系数cl-rstrr、cl-rstrg、cl-rstrb表达式为
1.2误差分析
鉴于现在市场上主流的FPGA厂商提供的FPGA芯片都集成了LVDS接口,这样我们在进行扫描电路板设计的时候不用再增加额外的LVDS芯片,大大节省了由于网络芯片造成的扫描板制作的成本。在本设计中我们采用xilinx公司生产的spartan3e 系列250e作为扫描电路的主控芯片。
1.3LVDS原理
应用于数字化设计系统中,需要对9个转换参数进行量化,其量化误差的大小以及数字化实现过程中的截断误差,都会影响转换后的显示色域与标准色域的一致性程度。
假设转换参数的量化精度为Nbits,那么9个转换参数经量化后,且应用于逻辑设计中以RGB计色制表示的表达式为
其中,R、G、B值为原始的图像信息值;RL、GL、BL值为进行颜色修正后得到的修正图像信息数据,A1、A2、……、A8、A9为色度修正参数经量化后的量化值,以整数形式存在。
R、G、B或RL、GL、BL是激励信号,在实际的系统设计中,只以正整数的形式出现,所以转换方程(4)中RL、GL、BL应为正整数。当量化精度为N时,可得到最终实现于设计系统中的转换方程式
由于量化和取整过程,使得由(7)式计算得到的色坐标以及亮度因数值,与标准系统中色坐标值以及亮度因数值存在着偏差。这种色度偏差可表示为
色度存在偏差量,可能引起颜色的差异,但也可能不会引起颜色的差异,这主要取决于人眼对全彩led显示屏显示颜色差异的辨别能力,下面借助标定色差值来分析颜色偏差与量化精度、显示灰度的关系。
2量化精度以及显示灰度与颜色偏差的关系
2.1颜色差异分布
由色度学理论可知,xyY系统为非均匀颜色空间系统,所以在该系统中表示的颜色偏差量的大小,与实际上人眼对颜色差异的识别是不完全符合的,为了确切描述实际意义上的颜色偏差的大小,需要将xyY系统中的颜色偏差量转换到均匀颜色空间系统中。L×a×b空间为均匀颜色空间,颜色的差异情况由色差公式表示。并且该系统与决定颜色的三参量,x色坐标、y色坐标以及亮度因数有确切的函数关系。通过此函数关系将上述三个色域范围的偏差量转换到L×a×b均匀颜色空间系统中,得到三维曲面图,如图1、2、3所示。
在红域范围、绿域范围、蓝域范围内选取测试点,得到量化精度值以及显示灰度与色差值之间的分布曲面,可清晰地看到显示灰度和量化精度从1bits变化到14bits的整个过程中色差分布大致的变化趋势,红、绿、蓝区域的变化趋势大致相同。
当显示灰度值一定时,分为两种情况:(1)随着量化精度的提高,色差值会震荡减小;(2)随着量化精度的提高,色差值基本保持不变。
当量化精度一定时,也同样分为两种情况:(1)在量化精度小于某值时,随着显示灰度值的增大,色差值也逐渐增大;(2)当量化精度大于等于某值时,随着显示灰度值的增大,色差值会逐渐减小。
2.2色域色差分布的曲线分析
对图1、2、3中的色差分布曲面进行分割后得到具有代表性的几组函数曲线,该曲线为以显示灰度值为自变量的色差值分布图,蓝色区域、红色区域、绿色区域的色差曲面经分解得到分布曲线,如图4、5、6所示。
其中,N代表转换参数的量化精度值。
图4中为蓝域曲面经分割后取不同量化精度值时的曲线变化趋势。当转换参数值N小于6时,随着显示灰度值有效位数M值的增大,色差值也逐渐增大;当转换参数值N大于等于6时,随着显示灰度值M的增大,色差值震荡减小。同样,观察图5、图6,得出在红域范围内,当转换参数值N小于6时,随着显示灰度值有效位数M值的增大,色差值也逐渐增大;当转换参数值N大于等于6时,随着显示灰度值M的增大,色差值震荡减小;而在绿域范围内,当转换参数值N小于5时,随着显示灰度值有效位数M值的增大,色差值也逐渐增大;当转换参数值N大于等于5时,随着显示灰度值M的增大,色差值震荡减小。从图4、5、6中还可得出,无论转换参数精度值N取区间[1~14]的任何值,显示屏低灰度显示时,都超出标定的色差值。
3结论
通过对该颜色匹配算法在应用中的分析,得出显示屏修正后的7/8灰度等级的均匀程度可以满足视觉需求,并且低灰度等级的均匀程度也大幅度提高。相较于其它方法,利用该算法实现显示屏一致性校正的方法更具优越性,主要表现为:(1)并未增加硬件的成本;(2)可长期保持显示屏的均匀性,势必提高产品的市场竞争力。
参考文献
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作者简介:郝亚茹(1981-),女,河北省石家庄人,中国科学院长春光机所在读博士,主要从事全彩LED显示屏色度校正技术以及硬件控制系统设计的研究。E-mail:。