LED显示屏对比度分析.ppt

目录 一 LED显示屏简介 LED显示屏 LEDdisplay LEDScreen 又叫电子显示屏或者飘字屏幕 是由LED点阵组成 通过R G BLED灯的亮灭来显示文字 图片 动画 视频 内容可以随时更换 各部分组件都是模块化结构的显示器件 通常由显示模块 控制系统及电源系统组成 显示模块由LED灯组成的点阵构成 负责发光显示 控制系统通过控制相应区域的亮灭 可以让屏幕显示文字 图片 视频等内容 电源系统负责将输入电压电流转为显示屏需要的电压电流 图1 LED显示屏 图2 LED显示屏连接结构 二 LED显示屏分类 一 按颜色分类单基色显示屏 单一颜色 红色 绿色 和黄色等 双基色显示屏 红和绿双基色 256级灰度 可以显示65536种颜色 全彩色显示屏 红 绿 蓝三基色 256级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种色 图3 全彩LED显示屏 图4 LED显示屏 二 按显示器件分类LED数码显示屏 显示器件为7段码数码管 适于制作时钟屏 利率屏等 显示数字的电子显示屏 LED点阵图文显示屏 显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块 适于播放文字 图像信息 LED视频显示屏 显示器件是由许多发光二极管组成 可以显示视频 动画等各种视频文件 二 LED显示屏分类 三 按使用场合分类室内显示屏 发光点较小 一般 3mm 8mm 显示面积一般几至十几平方米 半户外显示屏 像素点大小之于室内和户外显示屏之间 常见于银行 商场或医院等门楣上 室外显示屏 面积一般几十平方米至几百平方米 亮度高 可在阳光下工作 具有防风 防雨 防水功能 图5 室内全彩LED显示屏 图6 室外LED显示屏 四 发光点直径及间距分类室内屏 按直径分 3mm 3 75mm 5mm 室外屏 按间距分 PH10 PH12 PH14 PH16 PH20 PH25 PH31 25 PH37 5 三 LED显示屏技术指标 一 像素失控率像素失控率是指显示屏的最小成像单元 像素 工作不正常 失控 所占的比例 而像素失控有两种模式 一是盲点 也就是瞎点 在需要亮的时候它不亮 称之为瞎点 二是常亮点 在需要不亮的时候它反而一直在亮着 称之为常亮点 图7 显示屏之灰度等级 二 灰度等级灰度也就是所谓的色阶或灰阶 是指亮度的明暗程度 对于数字化的显示技术而言 灰度是显示色彩数的决定因素 一般而言灰度越高 显示的色彩越丰富 画面也越细腻 更易表现丰富的细节 三 亮度鉴别等级亮度鉴别等级是指人眼能够分辨的图像从最黑到最白之间的亮度等级 灰度可以达到256级甚至1024级 但是由于人眼对亮度的敏感性有限 并不能完全识别这些灰度等级 对于显示屏 人眼能分辨的亮度等级越多 意味着显示屏的色空间越大 显示丰富色彩的潜力也就越大 亮度鉴别等级可以用专用的软件来测试 一般显示屏能够达20级以上就算是比较好的等级了 三 LED显示屏技术指标 四 灰度非线性变换灰度非线性变换是指将灰度数据按照经验数据或某种算术非线性关系进行变换再提供给显示屏显示 由于LED是线性器件 与传统显示器的非线性显示特性不同 为了能够让LED显示效果能够符合传统数据源同时又不损失灰度等级 一般在LED显示系统后级会做灰度数据的非线性变换 变换后的数据位数会增加 保证不丢失灰度数据 由8位源做非线性变换 转换后空间肯定比8位源大 一般至少是10位 如同灰度一样 这个参数也不是越大越好 一般12位就可以做足够的变换了 四 LED显示屏主要参数测试标准 一 LED最大亮度L测试 根据SJT11281 2007 发光二极管 LED 显示屏测试方法 之4 2 1标准 其最大亮度L测试如下 1 定义 显示屏在一定环境照度下 在最高灰阶度级和最高亮度级下测量的亮度L成为最大亮度 2 测量 a 测量条件 环境照度变化小于 10 光探头采集范围不得少于16个相邻像素 b 测量步骤 显示屏全黑的状态下 用彩色分析仪测量显示屏的背景亮度LD 在显示屏最高亮度级 最高灰度级的情况下 用彩色分析仪测量显示屏的亮度Lmax 最大亮度L Lmax LD 用上述方法分别按需测量红 绿 蓝 黄 白 在白平衡情况下 等的最大亮度 二 LED显示屏视角 测试 根据SJT11281 2007 发光二极管 LED 显示屏测试方法 之4 2 2标准 其视角 测试如下 1 定义 假定显示屏法线方向的亮度为LF 从显示屏中心法线左右两侧检测显示屏的亮度 当左右两侧的亮度值下降到LF 2时 两条观测线之间构成的夹角 s s 180 称为显示屏水平方向的视角 从显示屏中心法线上下两侧检测显示屏的亮度 当上下两侧的亮度值下降到LF 2时 两条观测线之间构成的夹角 c c 180 称为显示屏垂直方向的视角 2 测量 a 测量条件 环境照度变化小于 10 且不存在明显的有色光源 光探头采集范围不得少于16个相邻像素 b 水平视角测量步骤 显示屏全屏显示单一基色 最高亮度级 最高灰度级 并在该屏中央选择一个测试区域 用彩色分析仪测出区域内法线方向的亮度LF 四 LED显示屏主要参数测试标准 以被测区域几何中心为圆心 以测量距离为半径 沿着水平方向分别向左右两侧转动彩色分析仪 探头对准原被测区域 当亮度值下降到LF 2时 测出两条观测线之间的夹角 sx 按同样的方法测量出每一种基色的水平视角 取最小值即为该显示屏的水平视角 s b 垂直视角测量步骤 测量步骤和水平视角的测量方法基本相同 不同的只是彩色分析仪沿着垂直方向上下转动 若条件许可 也可以采用转动显示屏的方式进行测量 按同样的方法测量出每一种基色的垂直视角 取最小值即为该显示屏的垂直视角 c 四 LED显示屏主要参数测试标准 三 LED显示屏最高对比度C测试 根据SJT11281 2007 发光二极管 LED 显示屏测试方法 之4 2 3标准 其最高对比度C测试如下 1 定义 显示屏在一定的环境照度下 其最大亮度与背景亮度之比C称为最高对比度 2 测量 a 测量条件 室内现显示屏屏面法线方向的照度为10 1 10 lx 室内现显示屏屏面法线方向的照度为40 1 10 lx 光探头采集范围不得少于16个相邻像素 b 水平视角测量步骤 按照4 2 1最大亮度测量方法分别测量出Lmax和LD 按照公式C Lmax LD LD算出对比度C 四 LED显示屏主要参数测试标准 五 LED显示屏对比度 对比度C定义 在一定的环境照度下 屏幕上同一点最亮时 白色 与最暗时 黑色 的亮度的比值 高的对比度意味着相对较高的亮度和呈现颜色的艳丽程度 动态对比度定义 指的是显示屏在某些特定情况下测得的对比度数值 例如逐一测试屏幕的每一个区域 将对比度最大的区域的对比度值 作为该产品的对比度参数 动态对比度与对比度关系 动态对比度与真正的对比度是两个不同的概念 一般同一台显示屏的动态对比度是实际对比度的3 5倍 图8 显示屏对比度测试 说明 调节亮度控制 让色块都能显示出来并且亮度不同 注意确保黑色不要变灰 六 对比度测试方法 一 目前业界对比度测试方法有三种 1 全白 全黑对比度 简单的用屏幕某一点全白亮度除以全黑的亮度计算出来的结果 由于屏幕每一点的亮度并不相同 因此这个结果参考价值非常有限 2 动态对比度 是通过显示屏背后的IC控制芯片实时对背光源的亮度进行调整 当芯片察觉到画面全为黑色时 会自动降低背光源的亮度 这样就能大大提升动态对比度的比值 当动态对比度比值达到一定数值之后 继续往上增加对画面的改善效果已经非常小 3 ANSI AmericanNationalStandardsInstitute ANSI 美国国家标准学会 对比度 采用将屏幕平均划分为16点黑白相间色块 8个白色区域亮度平均值和8个黑色区域亮度平均值之间比值即为ANSI对比度 因此相对而言ANSI对比度最能够直接的反映出显示器的实际表现效果 尽管其数值与比前两种测试方法要小很多 但是ANSI对比度比值更参考价值 图9 ANSI对比度测试图 六 对比度测试方法 二 案例ANSI对比度测试方法事例 某款投影机对比度测试采用ANSI流明对比度测试方法测试如下 图10 ANSI对比度测试值 七 LED显示屏主要参数关系讨论 经过对LED显示屏光学性能参数的分析测量 可以客观的评价LED显示屏视频显示效果的指标主要是图像的稳定性 亮度 色度 对比度和视角等 其中对比度决定了显示屏的清晰程度 对显示效果有很大的影响 视角的大小标志着显示屏上随偏离法线方向上角度的增大亮度变化率的大小 标定了显示屏各可视角度上亮度的均匀性 并且在其他指标一致的情况下视角与对比度基本决定了显示屏的显示效果 对比度越大 显示的图像层次感越强 越生动 视角越大 显示屏上得到清晰视频图像的角度就越大 显示效果就越好 对比度和视角都越大的显示屏的显示效果应该越好 但实际中利用LED测量方法中标定的显示屏 两个指标都相对较大却不能显示较好的视频效果 针对此问题 目前还没有严格的实验分析可以证明 只能从现象为出发点 分析LED显示屏测量方法中的对比度和视角指标相互的影响 七 LED显示屏主要参数关系讨论 一 标准对比度和视角参数理论根据LED显示屏测量方法得知 对比度指标的表达式为C Lmax LD LD算出对比度C 其中 Lmax为显示屏的最大亮度 LD为背景亮度 L Lmax LD为显示屏实际最大亮度 简化上述对比度表达式得到C L LD 由此可知 C与LD成反比 如右图11 而另一指标 视角 的大小也与实际最大亮度有关 并且等于显示屏上发出亮度L的方向与显示屏发出亮度为L 2的方向之间的夹角的2倍 其中 180 据上述定义 对比度与视角都和实际最大亮度有关 但是两者之间没有确切关系表达式 所以为了方便的分析两者之间的关系 借助于显示屏各角度上实际最大亮度的函数曲线 假定某一显示屏的发光亮度随角度变化的对称函数曲线为LX f 其中LX代表显示屏上各角度上的最大亮度 为偏离法线方向上的角度 2 2 图11 对比度和背景亮度关系曲线 七 LED显示屏主要参数关系讨论 利用此函数曲线就可得到对比度表达式 CMAX f 0 LD 1 其中 CMAX为法线方向上的对比度 0 0 即f 0 为法线方向上的亮度值 LD为背景亮度 同样 利用亮度函数可得到视角表达式 如下 f 0 2 f xmax 2 2 其中 0 0 即为f 0 法线方向上的亮度值 xmax为显示屏的视角 在理想情况下 即在显示屏的驱动电流一定 并且各发光管间不发生相互的折射反射和各管亮度积分和不随发光特性曲线的变化而变化的情况下 可使某显示屏总光通量为定值 在上述条件下 就可对衡量显示屏上的两个指标对比度与视角间的相互关系进行分析 在 1 式中表明 对比度随背景亮度减小而增大 随法线方向上最大亮度增大而增大 而 2 式中的视角却随法线方向上最大亮度增大而减小 所以在背景亮度一定的情况下 视角与对比度是一对矛盾体 即视角越大 对比度越小 对比度越大 而视角越小 从 2 式中还可得到 视角只与亮度分布有关 而从某种意义上来讲 图像的视觉质量不是取决于它的绝对亮度 而是取决于对比度的大小 因为对比度还受外界光的影响 所以只有亮度分布决定的视角指标 七 LED显示屏主要参数关系讨论 在外界光的影响下 失去了在理论上对显示效果的决定作用 为了解决上述两个问题 可利用显示屏各角度上的对比度反映显示图像的清晰范围 即对比度表达式可改为C f LD 其中f 为显示屏上亮度函数 LD为显示屏的背景亮度 二 屏幕发光面积比例同对比度关系 屏幕发光面积比例定义为像素发光面积与像素区域面积之比 其比例越高 显示屏的显示黑区越小 视觉感觉像素越丰满 显示越连续 色彩越柔和不刺眼 反之视觉感觉颗粒感越明显 视觉感觉显示粗糙但是考虑到由于发光面需要透过三基色的光 这样其反射亮度就包括两部分 一部分是对外界光的直接反射 另一部分是外界光经过透射进入发光体内部 再通过发光体内部进行反射 这两种反射也直接影响着对比度数值的大小 在一般条件下 发光面积比例越高 则使对比度越差 所以发光面积比例并非越大越好 此外 对比度同反射的种类条件以及观察角度还有密切联系 在实际测量中 发光强度角分布曲线决定不同角度测得的实际最大亮度值是不同的 其分布曲线例如图12所示 图12 发光强度角分别曲线 七 LED显示屏主要参数关系讨论 三 定性分析增大度比对C的方法 1 减小显示屏背景亮度LD法背景亮度是由LED显示屏的面板和发光管反射外界光照产生的 即测得的背景亮度LD数值是由面板的反射系数和发光管的反射系数决定 首先对面板反射进行分析 面板的反射系数越大 测得的背景亮度的数值也越大 而得到的对比度的数值会越小 所以提高对比度的计算数值 首先应尽量减小面板的反射系数 减小反射系数最简单的办法一般是在背景面板上涂一层吸光材料 使反射光减少 为了更大程度的减少背景亮度还可以在面板上刻小槽或花纹 如简化示意图13所示 图13 不同面板对外界光反射亮度示意图 七 LED显示屏主要参数关系讨论 面板上还可以刻制其他形状来减少背景亮度值 达到增大对比度数值的目的 其次 背景亮度还包括发光管对外界光的反射亮度 此反射亮度还包括两部分 一部分是对外界光的直接反射 另一部分是外界光经过透射进入发光管内部 再通过二极管内部进行反射 这两种反射也直接影响着对比度数值的大小 为了增大对比度 可以增强发光二极管表面的透射率 以达到减少其表面反射率的要求 同时为了减少发光管对透射光的反射 还可通过改善发光管的制作工艺以实现减少内部反射的目的 目前市面上使用较多的是发光管表面刷墨和发光管使用黑色PPA材质 图14 表面刷墨 图15 黑色PPA材质 七 LED显示屏主要参数关系讨论 表面刷墨 优点 亮度高 价格便宜 市场占有率较高缺点 碗杯 PPA边缘反射率高影响显示屏对比度黑色PPA 优点 发射率低对整屏对比度有提高缺点 亮度低价格与表面刷墨相比略高 七 LED显示屏主要参数关系讨论 图16 增大LED均匀发光视角示意图 2 改善LED发光管视角法 由图12知 实际测量的最大亮度的数值大于其他任意角度上测得的实际最大亮度值 根据对比度与显示屏的实际最大亮度成正比的关系 可得出显示屏法线方向上的对比度值最大 并且随着偏离法线角度的增大 对比度数值会逐渐减小 由于发光管此发光强度角分布曲线特性 使不同方向上的对比度差异较大 影响了显示屏的视角指标 降低了显示效果 所以对比度指标也要求改善各个角度上的发光强度 使其趋向一致 达到不同方向上的对比度基本相同的目的 缩小不同角度上显示图像的灰度层次较大的差异 提高视觉效果 如右图14所示的发光管特性 相较于图12中的发光管发光强度特性有明显改善 七 LED显示屏主要参数关系讨论 图17 两显示屏测量角度与对比度关系示意图 由图12发光管组装而成的显示屏LED1 测试其法线方向上的对比度数值C1 图16发光管组装而成的显示屏LED2 测试其法线方向上的对比度数值C2 使用图16所示的发光管组装成的显示屏 提高了较宽视角的显示效果 但是测得其法线方向上的对比度数值C2 C1对比度 但这并不能说明LED2显示屏比LED1显示屏显示的灰度层次差 图12所示 发光管视角在 20 内的发光强度值基本相同 在此视角内计算得到的LED1对比度C1也基本相同 相较于LED2相同角度上的对比度C2 虽然在法线方向上对比度C1 C2 但是偏离法线方向上的对比度C1 C2 说明LED2显示屏上除法线方向上的其他角度的显示灰度层次感都比LED1显示效果好 两屏的对比度与测量角度关系 如下图17所示 七 LED显示屏主要参数关系讨论 对于观察者而言 从法线方向上看LED显示图像的概率非常小 其值可近似看作是显示屏的观测角度的倒数 所以评价显示屏对比度的好坏不能只用一个法线方向上对比度值来衡量 还应参考各视角上的对比度值 以便更真实的体现图像显示效果 以上所述的反射都是针对漫反射而言 实际上 出现于LED显示屏上的反射不只包括漫反射 还包括镜面反射 需进一步讨论 ENDTHANKS