一種LED顯示屏的γ校正方法

聶佰玲

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院，江蘇南京 210046)

LED全彩顯示屏由于高亮度、寬視角、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，成為最有發(fā)展前景的高清顯示設(shè)備。從傳統(tǒng)灰度校正方法上講，要獲得逼真的圖像再現(xiàn)，則信號(hào)從攝像到顯像全過程的總傳輸特性必須是線性的，即顯像亮度正比于圖像亮度，盡可能使傳遞系數(shù)為1。同時(shí)，由于人眼對(duì)亮度響應(yīng)的非線性關(guān)系等因素，為配合這種非線性，引入γ校正這種傳輸函數(shù)［1］。在傳輸通道中對(duì)輸入視頻信號(hào)作γ預(yù)校正，從而實(shí)現(xiàn)了陰極射線管(CRT)圖像信號(hào)與圖像亮度間的線性變換，逼真地再現(xiàn)原像，在CRT電視中得到了廣泛應(yīng)用。

LED特性不同于CRT，其電光轉(zhuǎn)換是線性的，如不進(jìn)行反γ校正，就不能真實(shí)地表現(xiàn)LED灰度的能力。因此，LED彩屏在使用CRT圖像源信號(hào)時(shí)，必須適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行γ校正，以改善灰畸變和灰度損失，提升LED彩屏圖像的顯示品質(zhì)。

1 γ校正的研究

LED并不具備CRT的電光轉(zhuǎn)換特性，若LED彩屏不做處理就直接接收電視信號(hào)，那么在顯示畫面上不僅高灰度級(jí)不能清楚地分辨層次，而且低灰度級(jí)跳變會(huì)過大。所以必須對(duì)控制灰度的信號(hào)送給LED驅(qū)動(dòng)電路之前對(duì)其進(jìn)行反γ校正，使其符合LED顯示屏的光電特性。實(shí)際上，有效的灰度等級(jí)不是物理的亮度等級(jí)，而是人眼視覺的亮度等級(jí)。因此，考慮到人眼對(duì)光強(qiáng)感受是非線性的，需要將灰度作非線性變換，確保在視覺上輸入與輸出信號(hào)呈線性關(guān)系，使圖像顯示得更有透亮感和層次感［2］。對(duì)LED顯示屏的反γ校正分為兩步進(jìn)行:首先是符合LED屏光電特性的校正，然后是符合視覺亮度特性的校正。

1.1 校正光電特性

假設(shè)P是校正因子;m是校正后灰度級(jí)數(shù);n是校正前灰度級(jí)數(shù)，且n≮m;γ是校正系數(shù)，一般取1.8～3.0;Gi為灰度輸入級(jí)。則灰度輸出級(jí)GD'=mP(Gi/n)γ。

取Gi=0～255，則對(duì)應(yīng)每個(gè)Gi，經(jīng)過校正后本級(jí)GD'=255(Gi/255)γ。顯然通過本級(jí)校正以后，灰度層次感強(qiáng)，圖像輪廓更加分明。

1.2 校正亮度特性

設(shè)B表示CRTD的亮度，k1、k2是常數(shù)，Y表示主觀亮度感覺，則有主觀亮度感覺與客觀亮度的對(duì)數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系，即Y=k1ln B+k2，這被稱為韋伯－費(fèi)赫涅爾法則。為增加亮度調(diào)節(jié)效果，保證Y與lnH線性關(guān)系，其中H是電流脈沖占空比，必須按對(duì)數(shù)關(guān)系調(diào)節(jié)占空比［3－4］。因?yàn)橥ㄟ^改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖寬度占空比，就可以選擇不同的灰度等級(jí)，故GD與H也呈線性關(guān)系的。

假設(shè)前級(jí)校正的輸出灰度級(jí)GD'，本級(jí)輸出灰度級(jí)為GD，則GD=f(GD')。通常 Y=GD'，即 GD'有多少灰度等級(jí)，人眼就可以識(shí)別多少灰度等級(jí)。若要獲得滿意的效果，GD'與 GD有 GD=f(GD')∝exp(GD')，即

由圖1所示，曲線①是式(2)的某種情況，曲線②是y=x。若設(shè)GD'=0時(shí)，GD≠0，但接近于0，那么在圖1中則表現(xiàn)為曲線①無限逼近于原點(diǎn)(0，0)，A點(diǎn)是曲線①上一階導(dǎo)數(shù)值為1的點(diǎn);若設(shè)GD'=255時(shí)，GD=255，那么(255，255)點(diǎn)就是曲線①和曲線②一個(gè)交點(diǎn)。

圖1 y=f(x)的曲線圖

根據(jù)韋伯法則，ΔB/B=常數(shù)，ΔB是有限小量，表示兩個(gè)畫面的亮度差，ΔB值變化取決于亮度B值的變化。在輸入灰度級(jí)小時(shí)，曲線①暗區(qū)亮度變化緩慢，即輸出灰度級(jí)變化平緩，這符合人眼對(duì)暗區(qū)亮度敏感的特點(diǎn);在輸入灰度級(jí)大時(shí)，曲線①亮區(qū)亮度變化急速，即輸出灰度級(jí)增加變快。這樣，LED彩屏重現(xiàn)的景物亮度柔和，明暗過渡平緩，幾乎不損失灰度層次。若要減少灰度級(jí)高時(shí)的損失，必須盡可能使A點(diǎn)逼近原點(diǎn)(0，0)，因此，凹形曲線是曲線①理想的軌跡。表1反映了輸入灰度級(jí)與輸出灰度級(jí)之間的關(guān)系。

表1 輸入灰度級(jí)和輸出灰度級(jí)關(guān)系表

若將表1中各區(qū)間的灰度值代入式(1)，有k3=0.641 0，k2=0.326 5，k1=0.055 4，k0= －0.021 0，由式GD'=255(Gi/255)γ，得到反γ校正公式

1.3 γ校正關(guān)系式

如果不考慮因顏色不同時(shí)明暗度發(fā)生的改變，則亮度取決于視覺的比視感度。實(shí)際在同等亮度條件下，不同顏色的光并不具有相同明暗度，它所產(chǎn)生的視覺明暗度完全不同。由紅、綠、藍(lán)三基色LED管構(gòu)成LED彩屏，紅光波長(zhǎng)772～620 nm，藍(lán)光波長(zhǎng)495～450 nm，在相同明亮環(huán)境中，紅光和藍(lán)光的比視感度均小于綠光的比視感度，兩者的比視感度基本相同。針對(duì)不同顏色光的反γ校正，通過調(diào)整式GD'=255(Gi/255)γ中的γ因子，可以使輸出不同顏色的灰度層次感更強(qiáng)，圖像顯示效果更佳［5］。

圖2所示是當(dāng)γ取不同值時(shí)的校正曲線，曲線①γ=1，曲線②γ=1.8，曲線③γ =2.0，曲線④γ =3.0。圖2表明，當(dāng)γ=1時(shí)，輸入與輸出成線線關(guān)系，亮度級(jí)不發(fā)生變化，沒有校正;當(dāng)γ取值趨向變大，則曲線會(huì)越來越凹陷。鑒于ΔB/B是常數(shù)，當(dāng)灰度級(jí)較低時(shí)，只要ΔB稍微有變化，人眼就能感受到亮度級(jí)別變化;而灰度級(jí)高時(shí)情況則不同。

圖2 γ與校正曲線關(guān)系

由于紅光、藍(lán)光的比視感度較低，即人眼對(duì)這2種光的敏感度較低，因此，綠光的γ因子取值較小，γ=1.6～2.0;紅光、藍(lán)光的 γ因子取值較大，γ=2.8～3.0。由此可得綠光的反γ校正公式

2 γ校正的實(shí)現(xiàn)

2.1 查找表法

一般LED顯示屏圖像信息來源于電腦顯示卡的VGA接口，它是紅、綠、藍(lán)各8位的彩色圖像數(shù)據(jù)，這些圖像數(shù)據(jù)與LED顯示屏同步。本設(shè)計(jì)是基于查表法(LUT，Look－Up Table)對(duì)圖像數(shù)字信號(hào)進(jìn)行反γ校正，該方法是運(yùn)用一個(gè)查找表代替繁瑣的非線性運(yùn)算，依據(jù)反γ校正曲線，先將輸入信號(hào)進(jìn)行反γ校正后所對(duì)應(yīng)的灰度值制成一個(gè)表格，然后將輸入信號(hào)作為地址去查詢這個(gè)表格，最后經(jīng)反γ校正計(jì)算后，就能得到結(jié)果。為得到查找表存儲(chǔ)的豐富多彩的顏色，一般查找表的位寬大于地址索引位寬，查找表中是存儲(chǔ)顏色值的地址索引，而不直接存儲(chǔ)顏色值，根據(jù)地址到顏色查找表中去查找顏色。由于圖像數(shù)據(jù)量較大，且要實(shí)時(shí)計(jì)算，這種軟件實(shí)現(xiàn)中查表法是最實(shí)用的方法，具有計(jì)算準(zhǔn)、速度快、效率高的效果。

傳統(tǒng)的查找表方法是將查找表寫入外部存儲(chǔ)器，然后讀取存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)，這種方法已不多見。隨著FPGA性價(jià)比的提高，現(xiàn)已成為γ校正的主流器件，充分利用 FPGA在線可編程的特點(diǎn)和 IP核技術(shù)，在FPGA內(nèi)部的存儲(chǔ)空間來實(shí)現(xiàn)查找表的功能，可以減化硬件規(guī)模、提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作效率。

2.2 γ校正系統(tǒng)

設(shè)計(jì)是LED顯示系統(tǒng)的一部分，系統(tǒng)框圖如圖3所示。該系統(tǒng)從電腦顯示卡的VGA接口輸出視頻模擬信號(hào)，包含3路RGB信號(hào)、行場(chǎng)同步信號(hào)，先進(jìn)行視頻模擬信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換，變換為3路8位數(shù)字信號(hào)，然后在FPGA器件中進(jìn)行反γ校正運(yùn)算，再將校正后的數(shù)字信號(hào)輸入至D/A變換為模擬信號(hào)，送給灰度級(jí)電壓產(chǎn)生電路，給γ校正后灰度級(jí)提供所需的編碼電壓，最后輸出至LED顯示屏，進(jìn)而改善LED顯示系統(tǒng)重現(xiàn)的圖像質(zhì)量［6］。因?yàn)镕PGA輸出控制信號(hào)的電平不同于LED顯示器件需要的電平，所以為解決各芯片的電平差異，必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后才能提供給灰度電壓產(chǎn)生電路和LED顯示屏［7］。

圖3 γ校正系統(tǒng)框圖

2.3 查找表的實(shí)現(xiàn)方法

首先要編制一個(gè)短程序生成LUT，函數(shù)關(guān)系為:y=a)xγ。式中，a為常數(shù)，由程序運(yùn)算確定;x為8位輸入變量;y為12位輸出變量。當(dāng)輸入γ和y值后，程序先確定a，然后再生成LUT。γ取值越大，圖像暗區(qū)灰度等級(jí)越細(xì)膩，黑白反差也越大。若γ取值過大，圖像整體質(zhì)量則會(huì)降低，因此根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般取1.6、2.0、2.4、2.8值，形成不同的4條曲線比較適宜，這些曲線經(jīng)過程序后就生成4張 LUT。通過4張LUT，8位圖像數(shù)據(jù)就變成了12位圖像數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)LED顯示屏。上述4張LUT應(yīng)放在同一個(gè)器件中，在使用中由用戶選擇調(diào)用。對(duì)于彩色圖像數(shù)據(jù)，可以采用分時(shí)操作，將紅、綠、藍(lán)色校正后的數(shù)據(jù)分先后存在存貯器中。運(yùn)行LUT的生成程序后包括幾個(gè)操作:(1)雙擊γ.exe文件，啟動(dòng)程序。(2)輸入γ值。(3)輸入需要生成的數(shù)據(jù)位數(shù)。(4)回車。

在本目錄下即產(chǎn)生4個(gè)文件:(1)γ.dat為十進(jìn)制校正表。(2)γ.txt為二進(jìn)制校正表。(3)γrev.dat為十進(jìn)制反碼校正表。(4)γrev.txt為二進(jìn)制反碼校正表。二進(jìn)制校正表裝入FPGA中，反碼表用于反碼的圖像數(shù)據(jù)，十進(jìn)制校正表用于查看生成LUT的正確性。

2.4 ROM模塊設(shè)計(jì)

對(duì)用戶來講，可以將IP核技術(shù)看作自定義的模塊，使用時(shí)只要先通過編寫代碼對(duì)其端口進(jìn)行定義，然后直接調(diào)用就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。首先根據(jù)器件的聲明，編寫程序定義一個(gè)空間指定的ROM模塊，由用戶給定的地址位和數(shù)據(jù)位的長(zhǎng)度來決定此空間大小。還需要初始化ROM，即編寫.hex文件或.mif文件，首先將反γ校正所需的數(shù)據(jù)寫入每個(gè)地址單元，第二步在已經(jīng)寫好的ROM源程序中加入文件名，最后將編好的程序進(jìn)行編譯生成.dsf文件，供給FPGA內(nèi)部調(diào)用。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)10 bit地址位，12 bit數(shù)據(jù)位的ROM模塊，加入了文件名為v1.hex的初始化文件，通過編譯生成一個(gè)ROM模塊。

2.5 校正過程

首先根據(jù)外部提供的控制信號(hào)，F(xiàn)PGA控制器進(jìn)行第一次查表，獲得γ調(diào)整系數(shù)，然后根據(jù)該γ值與輸入的灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次查表，獲得校正后的顯示數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^Matlab軟件計(jì)算出γ校正后的顯示數(shù)據(jù)，對(duì)LED顯示屏內(nèi)原有的γ表進(jìn)行修改，重新生成新的γ表，并置入γ表中。某單色光γ校正過程如圖4所示。

圖4 單色光γ校正過程示

3 結(jié)束語

由于LED顯示屏與CRT電視系統(tǒng)三基色的光譜特性不同，在LED顯示屏上直接顯示視頻圖像信息時(shí)會(huì)產(chǎn)生灰度失真，故必須對(duì)LED的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行反γ校正。本文對(duì)LED顯示屏灰度校正公式、校正曲線、校正方法、在FPGA中實(shí)現(xiàn)γ校正等方面作了系統(tǒng)論述，力求使灰度損失最小。設(shè)計(jì)采用的查找表法，較好地解決了LED顯示屏灰度畸變的問題，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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