逐点校正的亮度损失

逐点校正的亮度损失逐点校正技术因其可以在不增加任何硬件成本的条件下，显著提高LED屏的均匀度，正 逐步走向大规模产业化应用，已成为中高端LED显示屏的必备工序。然而，逐点校正在提高 均匀度的同时，也带来了显示屏的亮度损失。应用逐点校正到底会损失多少亮度的问题，在 业界受到普遍的关注。就此问题，几年间业内涌现出形形色色的观点与经验数据。然而，这 个问题并不是简单地提供几个经验数据就可以解答完毕，而是需要从亮度校正与色度校正两 种应用场合、被校显示屏的原始均匀度状况、原始亮度分布状况，用户对校正后显示均匀度 的要求以及原始和目标色域空间的差距等多方面因素进行具体分析，才能做出正确的结论。本文将从逐点校正后为何亮度会损失开始，从亮度校正、亮度加白平衡校正与色度校正 三个方面分别阐述影响校正后显示屏亮度的关键因素，并通过具体的实验数据来演示相关因 素与校正后的亮度损失之间的关系。1校正后亮度损失原因分析首先，我们先来回顾一下为什么校正后会降低显示屏的亮度。校正是通过测量LED屏的 每颗灯点的亮度，得到每个像素的校正系数，应用校正系数对每颗灯点的驱动进行精确调整， 从而实现亮色一致。而正是驱动控制的实现方式决定了校正后亮度必然损失。驱动控制可分为2种实现方式：脉宽调制与电流调制（参见图一、图二）。调整脉宽实 现校正的方式本身就决定了无法提高暗灯的最大亮度;而调整电流的方式虽可以提高暗灯亮 度，但却带来3个问题，一是加大工作电流，这将导致灯寿命缩短；二是电流的调整会导致 灯的主波长偏移；三是电流与亮度之间仅在有限区间呈线性关系，大范围靠电流变化实现精 确的亮度控制也难以实现。因此目前主流的校正实现方式是脉宽调整方式。这就注定了逐点 校正必然是“压高就低”，校正后的亮度损失无可避免。图一：电流调制示意图图二：脉宽调制示意图图一，图二为驱动电流随时间变化的波形示意图，阴影部分为校正后波形。2影响校正后亮度损失的因素在亮度校正、亮度+白平衡校正、亮色一体校正三个应用层次，影响校正后亮度的因素 也不同，以下将分别对三种校正的亮度损失关键因素通过实测数据进行演示和分析。2.1亮度校正亮度校正的目的是将LED屏上RGB三种基色的灯点亮度校正到一致，以提高显示均匀性。 单纯的亮度均匀性校正不应改变显示屏原本的白平衡。既然校正只能以“压高就低”的方式实现，要达到理想中最佳均匀性，则应以全屏最暗 的灯点亮度作为校正的目标值，将所有灯点亮度调整到该数值。然而，这无疑是不现实，也 不经济的。更经济更科学的解决方案是选择一个大部分灯点都能得到校正的“目标值”，而 忽略少量亮度低于目标值的暗灯（以下简称“忽略点）。为保证“大部分”灯点都能得到校 正，我们推荐目标值的选取应满足条件：（忽略点数量/全屏灯点数量）5%。4103:3平均值 目标值1 672.61当前64*花=3叫2.个灯点数据图三：目标值设定示意图然而，对于牺牲多少亮度才能达到良好的校正效果，却没有放诸四海而皆准的经验数值， 影响亮度校正后亮度损失量的有两大因素：屏原始RGB三色亮度均匀度状况，和暗灯分布的 集中程度。1）屏原始的RGB亮度均匀度下表中列举了三块不同原始均匀度的显示屏的RGB三色的实测像素亮度均方差：A屏B屏C屏像素亮度均方差（。）红色（R）4.63%6.17%13.62%绿色（G）4.85%4.98%11.25%蓝色（B）4.39%8.48%14.84%（表一）像素亮度均方差越小，原始均匀度越好。以下为设定目标值的亮度损失分别为5%，10%，15%，20%时，三块屏的忽略点比例数 据对比：A屏忽略点比例B屏忽略点比例C屏忽略点比例损失5%亮度红色（R）15.55%7.2%37.30%绿色（G）15.74%13.88%32.99%蓝色（B）20.23%41.84%39.02%损失10%亮度红色（R）2.95%0.4%24.11%绿色（G）2.92%3.01%18.66%蓝色（B）4.64%11.66%26.16%损失15%亮度红色（R）0.75%0.15%13.01%绿色（G）0.10%1.11%8.66%蓝色（B）0.65%2.92%15.15%损失20%亮度红色（R）0.04%0.07%6.16%绿色（G）0%0.05%3.56%蓝色（B）0.09%0.15%7.59%（表二）从上表中可以看到：要满足RGB三色忽略点比例均小于5%，原始均方差约在3%5%的A屏只需损失10%的 亮度；原始均方差约在6%9%的B屏，则需损失15%左右的亮度；而对于原始均方差在 13.62%14.84%的C屏，即便损失20%的亮度，仍有超过7.59%的蓝色灯点低于目标值， 无法得到校正。以上数据可清晰地看到：要得到良好的校正效果所需要牺牲的亮度，与显示屏的原始均 匀度密切相关，原始均匀度越好，所需牺牲的亮度越少。另外，为保持校正后的白平衡与屏原始白平衡一致，红绿蓝三色的亮度应按照同样的比 例降低。因此最终决定亮度损失比例的，是RGB三色中原始均匀度最差的一色。如上表中， B屏的红绿两色，亮度降低至10%，校正后已足可达到良好的均匀度，但受制于蓝色，只有 把亮度降低到15%，才能得到良好的白色校正效果。2）暗灯分布的集中程度暗灯分布的集中程度，或者说空间离散性，是影响良好校正效果所需要的亮度牺牲的另一个重要因素。选择2个绿色像素亮度均方差数值相近的显示屏，观察2者的绿色亮度分布图（图四）:图四A 屏(og= 4.85%)B 屏(og= 4.98%)同样的像素亮度均方差，但A屏混灯均匀，暗灯分布离散性好；B屏的暗灯分布则集中 度高，呈现出清晰分界的暗区。当同样损失10%亮度去校正时，A,B两屏的忽略点分布如下(图五)：图五可以想象，由于B屏的暗灯集中，忽略点集中于原暗区位置，校正后，暗区与其他区域 的亮度差虽减小，但暗区边界仍然可被人眼分辨出来，效果不理想。必须将目标值设定到低 于暗区内大部分灯点亮度，才能得到理想的校正效果。这无疑带来更大的亮度损失。在本实例中，B屏须损失15%的亮度，才可达到好的校正效果。此时忽略点分布图如下 (图六):图六小结：1）显示屏校正后损失多少亮度由设定的目标亮度值决定；2）为保证校正效果，目标亮度值必须根据显示屏原始RGB亮度均匀性现状来设定；原 始均匀性好，损失亮度少；原始均匀性差，损失亮度高；3）暗灯分布离散，混灯均匀，校正后亮度损失小；暗灯集中形成暗区，会带来更大的 亮度损失。2.2亮度+白平衡校正白平衡坐标是显示屏用户重点关注的技术指标，但研发设计的前期白平衡调整，到了成 品环节，往往会产生不同程度的漂移。中科维优的逐点校正解决方案中，即便控制系统不支 持色度校正，也可以在亮度均匀性校正的基础上实现显示屏的白平衡校正。而加入白平衡校正后，影响校正后亮度损失首先要考量的因素是：原始白平衡坐标与目 标白平衡坐标的距离，其次才是原始均匀度和暗灯分布。从原理上分析，白平衡坐标的改变就是RGB三色亮度的配比改变。原始白平衡就是RGB 各自以最高的100%亮度点亮得到，要改变白平衡坐标，无论色温往高还是往低变化，都意 味着某个基色或某两个基色需要降低亮度得到新的配比。对于色温变化的某个固定方向来 说，变化越大，校正后的白色亮度牺牲越大。下面用一个具体的实例数据来演示。实验屏的原始RGBW色坐标、亮度值如下表：屏AX坐标y坐标亮度（cd/ m2）红色（R）0.69290.3070569.1绿色（G）0.16880.72721313蓝色（B）0.12850.0681194.6白色（W）0.29870.31922074（表三）在亮度校正的基础上加入白平衡校正，分别将白平衡坐标的目标值设定为以下4个标准 光源色： D50（x=0.3457，y=0.3585）； D55（x=0.3324，y=0.3474）； D65（x=0.3127，y=0.3290）； D75（x=0.2990，y=0.3149）；图中可看到RGB三色组成的显示屏色域空间及原始白平衡坐标点（黄色点）以及5个 目标白平衡坐标位置。图七满足RGB三色的忽略点百分比均小于5%的条件，将屏的白平衡坐标校正到上述四种目标白平衡坐标上，设定的目标白色亮度和校正后实测到的RGBW的亮度值如下表所示:实测亮度值（cd/ m2）原始D50D55D65D75红色（R）569.1531.8531.7529.1498.6绿色（G）13131053109111481112蓝色（B）194.6102.2119.9152.2167.2白色（W）20741684174018261780目标白色（W）1685174018301780（表四）四种目标白平衡校正后的RGBW亮度损失比例见下图:50.00%40.00%30.00%20.00%10.00%0.00%红色绿色蓝色白色（图八）从上图可以看到:1）2）3） D50 D55 D65 D75RGB三色的亮度损失与目标白平衡坐标的设置密切相关。目标白平衡色温越高，红色亮度损失越大，蓝色与之恰恰相反。当目标色温逐步降低，从6500K，到5500K，再到5000K,偏离原始白平衡越远，白色亮度损失越大。尽管相对D65, D75的色坐标距离原始白平衡色坐标更近，但校正后白色亮度损失却高于以D65为目标白平衡时。这是因为要让显示屏色温升高，需要降低RG两色的亮度，而要让显示屏色温降低，只需降低蓝色亮度，而蓝色亮度远低于红绿两色， 因此将显示屏的白平衡坐标向高色温端校正，往往比向低色温端校正，需要牺牲更 多的亮度。2.3亮色一体校正亮色一体校正可以理解为在亮度校正+白平衡校正的基础上，增加了 RGB三基色坐标的 校正，以达到更好的色彩保真度。经过亮色一体校正的显示屏，RGB三基色的色坐标不再是 LED芯片的原始色坐标，而是由RGB三色的LED芯片通过特定的配比混光得到新的目标色坐 标。那么设置不同的RGB基色目标色坐标是否会对校正后的亮度损失量产生影响呢？对于每个由RGB三颗灯组成的像素来说，亮色一体校正系数矩阵如下：一RR RG RB一conversion _ coefficient= GR GG GBBR BG BB上式中：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；亮色一体校正中，对于某灯点亮度是否能满足校正目标的需要，即忽略点的判定条件为: （主色系数与补色系数之和）1。即： 红灯忽略点判定条件为：（RR+GR+BR）1； 绿灯忽略点判定条件为：（RG+GG+BG）1； 蓝灯忽略点判定条件为：（RB+GB+BB）1；下面通过实验数据来看看，当保持原始白平衡不变的条件下，设置不同的RGB目标色坐 标值，会对校正所需的亮度损失带来什么影响。为保证校正效果，同样地，要求将三色的忽 略点比例控制在5%以下。依然使用2.2中的实验屏（RGB色坐标及亮度见表三），保持原始白平衡不变，前3组 目标基色坐标保持原RB两色不变，调整G色坐标逐渐向白点靠拢，第四组目标色坐标在第 三组的基础上调整R目标色坐标向白点靠近，第五组在第四组的基础上调整B色坐标向白点 靠近。五组不同的目标色坐标组合如下表：X坐标y坐标第一组红色（R）0.64000.3200绿色（G）0.18000.6900蓝色（B）0.17000.1300第二组红色（R）0.64000.3200绿色（G）0.18000.6200蓝色（B）0.17000.1300第三组红色（R）0.64000.3200绿色（G）0.23000.5800蓝色（B）0.17000.1300第四组红色（R）0.58000.3600绿色（G）0.23000.5800蓝色（B）0.17000.1300第五组红色（R）0.58000.3600绿色（G）0.23000.5800蓝色（B）0.20000.1500表五在CIE 1931色度图上原始色域与五组目标色域空间如图所示:图九为保证校正效果，同样地，要求将RGB三色的忽略点比例均控制在5%以下。然而，实 验结果显示：改变目标RGB色坐标值，对忽略点的比例和分布没有任何影响！无论RGB的目 标色坐标如何变化，所需的白色亮度损失比例始终为13%。原始亮度与校正后的RGBW实测亮度值见下表:实测亮度值（cd/ m2）原始第一组第二组第三组第四组第五组红色（R）569.1488.4485.8427.0563.1489.7绿色（G）1313934.6962.11028891.4878.9蓝色（B）194.6362.1338.2334.6335.5420.7白色（W）207417851787178917891788表六用柱状图表示如下:图十从上图可以看到：1）保持白色坐标不变，在原始色域三角形之内，任意改变RGB目标色坐标均不会 影响校正后的白色亮度。2）对于某种单色基色来说，亮色一体校正后，由于补色的存在，校正后亮度可能 会不降反升。3总结综合以上理论分析与实验结果，可以得出以下结论：1）显示屏本身的原始均匀度越好，校正所需的亮度损失越小；2）显示屏的暗灯空间分布离散度越好，即在屏上的位置越分散，校正所需的亮度损失 越小；3）目标白平衡坐标的设定距离原始白平衡越近，亮度损失越小。向低色温端校正比向 高色温端校正，亮度损失小。4）亮色一体校正中，RGB的目标色域空间设定，不会影响校正后亮度损失的幅度。此外，本文2.2中所述实验屏的数据中，亮度校正所需损失的亮度约为12%，色度校正 所需损失的亮度约为14%。也就是说，在本例中，在保证95%的灯点能够得到校正的条件下， 色度校正比亮度校正需要损失的亮度更高。但是，这只是个案，并不能涵盖所有的校正场合， 对于不同的显示屏来说，还需要具体情况具体分析。来源：深圳中科维优科技有限公司