UHD RGBW光學(xué)校正方法設(shè)計及驗證

趙雅楠 許益禎 肖利軍 高少洪 劉志友 張秀琴

摘 要：RGBW液晶屏中W子像素的加入使得應(yīng)用于RGB中的光學(xué)校正方法無法直接應(yīng)用于RGBW中，為了實現(xiàn)對UHD RGBW液晶屏的光學(xué)校正，文章建立了UHD RGBW光學(xué)校正系統(tǒng)，并基于自動補償亮度原理對光學(xué)校正系統(tǒng)進行研究。首先，根據(jù)UHD RGBW色度等特征參數(shù)介紹了光學(xué)調(diào)試流程。進而，以白色為例分析了典型的測量算法，即在提取RGBW的基礎(chǔ)上進行由RGB轉(zhuǎn)換為RGBW的光學(xué)調(diào)試方法。最后，介紹了UHD RGBW的光學(xué)校正系統(tǒng)及算法，并在分析比較光學(xué)色度的基礎(chǔ)上，說明了采用該光學(xué)校正算法的優(yōu)勢。實驗結(jié)果表明：UHD RGBW光學(xué)校正在UHD機種上是可行的，能夠滿足測量校正色度的穩(wěn)定、可靠及精度高等要求。

關(guān)鍵詞：UHD；RGBW；光學(xué)校正；光學(xué)校正算法

中圖分類號：TM923.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0001-05

Abstract： The addition of W subpixel in RGBW liquid crystal screen makes it impossible to apply the optical correction method applied in RGB directly to RGBW. In order to realize the optical correction of UHD RGBW liquid crystal screen， a UHD RGBW optical correction system is established in this paper. Based on the principle of automatic compensation for brightness， the optical correction system is studied. Firstly， the optical debugging process is introduced according to the characteristic parameters of UHD RGBW chromaticity. Furthermore， taking white as an example， the typical measurement algorithm is analyzed， that is， the optical debugging method of transforming RGB into RGBW on the basis of extracting RGBW. Finally， the optical correction system and algorithm of UHD RGBW are introduced. Based on the analysis and comparison of optical chromaticity， the advantages of this optical correction algorithm are explained. The experimental results show that UHD RGBW optical correction is feasible on UHD machines， and it can meet the requirements of stability， reliability and high accuracy of measuring and correcting chromaticity.

Keywords： UHD； RGBW； optical correction； optical correction algorithm

1 概述

LCD顯示屏的RGBW技術(shù)在原有RGB三原色像素排布基礎(chǔ)上增加了W子像素，可大幅度提升液晶屏的透光率[1]，從而使其在功耗和畫面亮度方面呈現(xiàn)的優(yōu)勢受到客戶的青睞[2]。但是，由于屏中W子像素的加入，原有的應(yīng)用于RGB中的光學(xué)校正方法無法直接應(yīng)用于RGBW技術(shù)中[3]。

光學(xué)校正技術(shù)是以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ)，融計算機圖像圖形學(xué)、信息處理、光電子學(xué)等科學(xué)為一體的多學(xué)科交叉技術(shù)。隨著TV產(chǎn)品的大型且高分辨率化，對TV產(chǎn)品光學(xué)調(diào)試準確度和檢測正確性的要求也越來越高。光學(xué)測量標準逐漸從Gamma=2.2±0.2[4]向Gamma2.2±0.1過渡。并要求其gray level 40到gray level 240范圍內(nèi)均需滿足光學(xué)要求。

因此，對UHD RGBW液晶屏的光學(xué)校正技術(shù)和方法進行研究，能夠提高其顯示質(zhì)量，促進UHD RGBW面板的光學(xué)校正技術(shù)、工藝的提升。

鑒于此，文章對UHD-RGBW光學(xué)校正系統(tǒng)進行研究，建立應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的UHD（3820×2160分辨率）55或49英 等大尺寸的UHD-RGBW液晶屏的光學(xué)校正系統(tǒng)，并提出誤差補正以及光學(xué)校正系統(tǒng)算法。通過對工業(yè)UHD-RGBW產(chǎn)品進行光學(xué)校正，驗證了文章UHD-RGBW光學(xué)校正系統(tǒng)計算法的有效性。證明文章所建立的UHD-RGBW光學(xué)校正系統(tǒng)能夠應(yīng)用于的光學(xué)調(diào)適領(lǐng)域，在保證測量要求的同時達成快速高效、準確、可靠性高、操作簡便等特點。

2 UHD RGBW光學(xué)校正系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

2.1 UHD RGBW光學(xué)校正系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

UHD RGBW光學(xué)校正系統(tǒng)原理圖如圖1。其主要由光學(xué)量測子系統(tǒng)、圖像生成子系統(tǒng)以及計算機等組成。光學(xué)量測子系統(tǒng)主要包括色彩分析儀（通常用CA310[5]），用于測量屏上像素點的亮度等參數(shù)，并傳遞給計算機；圖像產(chǎn)生子系統(tǒng)由圖形信號產(chǎn)生器等組成，用于向面板傳遞標準測試圖形信號；計算機安裝有光學(xué)校正系統(tǒng)的運行軟件以及算法，對光學(xué)量測子系統(tǒng)傳遞來的數(shù)據(jù)進行分析處理。

2.2 UHD RGBW光學(xué)校正系統(tǒng)的工作原理

UHD RGBW光學(xué)校正系統(tǒng)基本工作原理為：由圖像產(chǎn)生子系統(tǒng)產(chǎn)生標準待測圖形，傳遞給UHD RGBW顯示屏，并由光學(xué)量測子系統(tǒng)測量圖像數(shù)據(jù)傳遞到計算機，再由光學(xué)校正軟件進行誤差補正以及光學(xué)校正，計算生成Gamma表，反饋給UHD RGBW Panel+ Control Circuit。具體步驟為：

（1）關(guān)閉UHD RGBW液晶屏W子像素顯示功能，使

屏的所有輸出設(shè)置只開RGB子像素，且由光學(xué)量測設(shè)備獲取RGBW屏中的RGB光學(xué)初始數(shù)據(jù)進行Gamma2.2校正。

（2）開啟UHD RGBW液晶屏RGBW功能，且輸出RGB

W子像素于屏上。顯示所有的子像素后，會因為打開W子像素造成Gamma亮度偏移，故需要進行光學(xué)補正。

（3）使用針對亮度誤差補正以及光學(xué)校正系統(tǒng)算法進行RGBW光學(xué)校正，以使其顯示精準的光學(xué)特性。

由圖2可知，通過光學(xué)量測設(shè)備獲取待測面板光學(xué)檢測圖像進行光學(xué)補正以及校正，經(jīng)上述三個步驟最終可以完成UHD RGBW屏的光學(xué)校正。

3 UHD RGBW光學(xué)校正系統(tǒng)的關(guān)鍵算法

3.1 RGBW圖像的生成

由于信號源中數(shù)字信號僅包含有RGB三個色素的信息，若想在RGBW液晶屏上正確顯示圖片信息，需采用RGB-RGBW光學(xué)轉(zhuǎn)換算法將RGB三色素信號轉(zhuǎn)換為RGBW信號，并配合屏的電子電路控制實體子像素，在RGBW屏幕上正確顯示信號源圖像[6]。

RGB-RGBW光學(xué)轉(zhuǎn)換算法主要有兩種[7]。

第一種由CIE 1931 XYZ表色系統(tǒng)為橋梁，建立RGB色域與RGBW色域關(guān)系，其最終Rw，Gw，Bw的簡化算式如式（1）所示。

由于Rw，Gw，Bw的值均介于0～1之間，可以確定W的取值范圍如式（2）所示。

第二種為直接提取亮度分量的方式來確定W的值。如式（3），將源數(shù)據(jù)R、G、B值減去W（R，G，B）的值即可，示意圖如圖3所示。

3.2 UHD RGBW的光學(xué)補償方法

基于上述兩種由RGB產(chǎn)生的RGBW分量，應(yīng)用于實際光學(xué)調(diào)試時，首先需關(guān)掉W顯示功能，只打開屏上RGB子像素，在此狀態(tài)之下進行RGB的光學(xué)校正。之后，再將W子像素打開，進一步進行光學(xué)校正。

在進行光學(xué)校正時需要保證灰階gray level 40～240，RGBW各個子像素均能滿足液晶屏透過率在Gamma=2.4和Gamma=2.0之間，如式（4）所示：

式中：L為液晶屏的亮度，其為灰階水平的函數(shù)；G為灰階水平，取為0～255；Gmax為液晶屏的灰階水平最大值，Gmax=255。

文章針對RGB-RGBW常見的光學(xué)特性，編寫了相應(yīng)的圖像分析及測量程序。具體如下：

3.2.1 RGB光學(xué)分量

在缺W分量的狀態(tài)下，先將RGB的光學(xué)參數(shù)調(diào)整到gamma=2.2。

3.2.2 RGB-RGBW光學(xué)分量

將RGB調(diào)整到gamma=2.2后，打開W。此時亮度會稍有差異，但是可以參照前一步結(jié)果，將RGBW均打開的狀態(tài)下的光學(xué)參數(shù)調(diào)整到Gamma=2.2。

3.2.3 補償方式

因RGBW屏多了W分量，所以利用R、G、B各自將之調(diào)整到R：Gamma=2.2；G：Gamma=2.2；B：Gamma=2.2，在此調(diào)試方式之下，同時可以達到RGBW：Gamma=2.2，此種補償方式可以有效達成亮度標準要求。

3.3 光學(xué)校正結(jié)果評價算法

針對RGB-RGBW-RGB常見的光學(xué)特性，編寫了相應(yīng)的圖像分析及評價程序?，F(xiàn)將指數(shù)圖形、誤差率圖形以及對數(shù)圖形的測量評價算法描述如下。

3.3.1 指數(shù)圖形的測量評價算法

取L=（G/Gmax）γ，依此做圖，指數(shù)圖形觀察亮度梯度圖形，并判斷是否滿足校正要求。

3.3.2 誤差率圖形的測量評價算法

?。炼绕?透過率-透過率|gamma=2.2）每一點做圖，誤差率圖形觀察高低灰階的細部波形。

3.3.3 對數(shù)圖形的測量評價算法

取log（（Gamma（n）/100）， （n/255））做圖，對數(shù)圖形觀察gray level 40～240的Gamma 值的一致性。

4 實驗測量與結(jié)果

利用上述UHD RGBW光學(xué)校正方法對UHD RGBW液晶屏進行光學(xué)校正，并對結(jié)果進行分析。

4.1 W色校正結(jié)果

W色光學(xué)校正后，其Gamma曲線與Gamma=2.0、2.2和2.4曲線的亮度偏差分別如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5結(jié)果可以看出，雖然當灰階gray level取值0～40和240～255，W色的亮度與要求邊界Gamma = 2.0和2.4較近，但是能夠保證灰階gray level取值40～240時，W色的亮度完全處于Gamma = 2.0和2.4之間，滿足光學(xué)校正需求。

光學(xué)校正后W色的Gamma對數(shù)曲線如圖7所示，由其可看出，僅當灰階gray level取值為0和255附近時，W色的Gamma值偏離2.2較遠，其余情況均能滿足要求。

4.2 R、G、B色校正結(jié)果

R、G、B三色的校正結(jié)果及相應(yīng)的Gamma曲線分別如圖7-15所示。

分析圖中結(jié)果發(fā)現(xiàn)，灰階gray level取值40～240時，R、G、B三色校正后的Gamma值均能滿足光學(xué)需求。進一步證明文章建立的UHD RGBW光學(xué)校正系統(tǒng)在UHD RGBW機種上的可行性，能夠滿足測量校正色度的穩(wěn)定、可靠及精度高等要求。

5 結(jié)束語

文章根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)要求，提出了UHD RGBW光學(xué)校正系統(tǒng)及方法，并介紹了做圖原理以及光學(xué)標準。然后基于自動補償亮度原理對光學(xué)校正系統(tǒng)進行研究，研究了典型光學(xué)做圖算法以及基于光學(xué)標準所需要到達的目標。最后，介紹了UHD RGBW的光學(xué)校正系統(tǒng)及算法。結(jié)果證明：文章提出的UHD RGBW光學(xué)校正系統(tǒng)及方法于gray level 40～240基本滿足了光學(xué)校正的要求，并具有測量校正色度穩(wěn)定、可靠、精度高等特點。

參考文獻：

[1]胡鵬，齊琪，陳仁偉.RGB與RGBW顯示技術(shù)的比對驗證分析及4K標準化建議[J].電視技術(shù)，2017，41（Z3）：145-149.

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[3]姚洪濤，范煒.一種改進的RGB到RGBW信號的映射算法[J].長春理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，41（01）：119-122+126.

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