一種改善旋轉(zhuǎn)LED屏亮度顯示的算法研究

郭帥 張弛 吳曉光 劉念

摘? 要：旋轉(zhuǎn)LED顯示屏的旋轉(zhuǎn)特性導(dǎo)致了其靠近中心區(qū)域的亮度整體偏高，靠近邊緣區(qū)域的亮度整體偏低，有效的校正這種屏幕的亮度不一致性是提升該類型屏幕的顯示效果的有效手段。文章針對(duì)旋轉(zhuǎn)LED顯示屏上的這種缺陷，提出一種基于PWM調(diào)節(jié)原理的旋轉(zhuǎn)LED顯示屏的亮度校正算法。與未進(jìn)行校正算法校正之前相比，文章利用該算法校正了單位面積內(nèi)LED燈的光度，降低了整體屏幕的亮度不一致性。實(shí)驗(yàn)表明：文章算法的校正效果良好，校正速度快，有效地提高了屏幕亮度一致性。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn);LED屏幕;光度調(diào)節(jié);PWM技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN141.9? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）15-0007-03

Abstract： The rotating characteristics of a rotating LED display screen cause its overall brightness near the center to be high， and its brightness near the edge to be low. Effectively correcting the brightness inconsistency of this screen is effective to improve the display effect of this type of screen means. Aiming at such defects in rotating LED display screens， this paper proposes a brightness correction algorithm for rotating LED display screens based on the principle of PWM adjustment. Compared with the correction algorithm before correction， this paper uses this algorithm to correct the luminosity of LED lights per unit area， reducing the brightness inconsistency of the overall screen. Experiments show that the algorithm in this paper has good correction effect， fast correction speed， and effectively improves the consistency of screen brightness.

Keywords： rotation; LED display screen; photometric adjustment; PWM technology

1 概述

隨著控制技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)LED的控制研究越來(lái)越深入，一種基于旋轉(zhuǎn)式線陣LED的顯示屏的概念被提出并得以實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)LED顯示屏作為一款新型顯示屏，其利用POV原理，通過(guò)旋轉(zhuǎn)LED燈條實(shí)現(xiàn)了裸眼即可觀看到3D視頻的效果，常用做裸眼3D顯示屏。[1]其旋轉(zhuǎn)特性導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)LED顯示屏的亮度不一致性，越靠近旋轉(zhuǎn)中心，亮度越高，該現(xiàn)象對(duì)于圖像的顯示很不利。因此，針對(duì)旋轉(zhuǎn)LED屏的亮度均勻性的研究是很有必要的。

傳統(tǒng)LED顯示屏中對(duì)各燈點(diǎn)的亮度修正方式是采用檢測(cè)與校正兩個(gè)步驟去改善亮度均勻性。[2]文獻(xiàn)[3]運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)顯示屏上每個(gè)燈點(diǎn)的亮度進(jìn)行檢測(cè)與提取計(jì)算出各個(gè)燈點(diǎn)的校正系數(shù)并運(yùn)用脈沖寬度調(diào)制PWM方法調(diào)節(jié)相應(yīng)燈點(diǎn)的亮度，該方法適用于靜態(tài)LED燈的亮度調(diào)節(jié)，但是未考慮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中每個(gè)LED燈發(fā)光區(qū)域大小不一致的問(wèn)題。

本文針對(duì)旋轉(zhuǎn)LED顯示屏整體屏幕亮度均勻性不一致的問(wèn)題，提出一種不需要進(jìn)行檢測(cè)，采用灰度值換算出亮度，運(yùn)用亮度相加法[3]得出整體屏幕亮度，再分析在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的每個(gè)LED燈的發(fā)光區(qū)域，得出各個(gè)燈點(diǎn)的校正系數(shù)，反向推導(dǎo)出校正后的RGB值，運(yùn)用PWM波調(diào)節(jié)相應(yīng)燈點(diǎn)的亮度，提高了整體屏幕的亮度均勻性，并且降低了亮度校正的成本。

2 亮度控制原理

現(xiàn)如今，LED燈的亮度普遍采用三種方式去調(diào)節(jié)控制，分別是使用SET電阻、PWM波調(diào)節(jié)、線性調(diào)節(jié)。相比于其他兩種控制方式，采用PWM調(diào)節(jié)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，成本低，并且采用定流的工作方式，在調(diào)節(jié)發(fā)光強(qiáng)度時(shí)不會(huì)發(fā)生電流的改變，也就不存在調(diào)節(jié)電流的光強(qiáng)線性度與光譜偏移的問(wèn)題，極大地提升了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

PWM波調(diào)節(jié)的原理就是對(duì)LED燈的控制時(shí)間進(jìn)行等距劃分，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)正脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖周期的比值被稱之為占空比，控制LED燈在控制時(shí)間內(nèi)的占空比即可控制LED燈的亮度等級(jí)。例如，將LED燈的控制時(shí)間劃分為256級(jí)，其與RGB色彩值的256級(jí)就是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。假定占空比系數(shù)使用M來(lái)表示，其值的范圍為0～1，M為0時(shí)，LED燈最暗，M為1時(shí)，LED燈最亮。

3 亮度感知原理

光通量Φ為每單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)、離開(kāi)或者通過(guò)曲面的光強(qiáng)度，對(duì)于采用PWM波技術(shù)控制的LED燈珠而言，其光通量與其占空比成正比例關(guān)系，占空比越高，則LED燈珠的光通量Φ也就越高。

光照強(qiáng)度I是物體每單位時(shí)間內(nèi)輻射出來(lái)的總能量，其與光通量滿足下列關(guān)系式

I-發(fā)光強(qiáng)度，單位坎德拉（cd）;？準(zhǔn)-光通量，單位流明（lm）;Ω-立體角，單位球面度（sr）;A-光照面積，單位平方米（m2）;L-光源與觀察處的距離，單位米（m）。

對(duì)于規(guī)格相同的LED燈珠，在通入的電流大小相同、占空比相同和立體角大小一致的情況下，其光照強(qiáng)度I是相同的。則光照強(qiáng)度I為一個(gè)客觀變量，它無(wú)法直接標(biāo)定人眼對(duì)亮度的感知程度，人眼對(duì)于亮度P的感知常用坎德拉每平方米（cd/m2）為單位進(jìn)行亮度強(qiáng)弱的衡量，所以人們主觀上發(fā)現(xiàn)亮度不均衡的原因就是發(fā)光處的單位亮度不一致所導(dǎo)致的。

4 亮度差異原理

旋轉(zhuǎn)LED顯示屏的工作原理跟傳統(tǒng)的LED顯示屏區(qū)別甚大，傳統(tǒng)的LED顯示屏是采用的笛卡爾坐標(biāo)系，以X軸、Y軸的坐標(biāo)來(lái)對(duì)屏幕上的每個(gè)LED燈進(jìn)行標(biāo)記，這與圖片的顯示方式是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。但是在旋轉(zhuǎn)LED顯示屏中則是采用的極坐標(biāo)系，用旋轉(zhuǎn)角度、半徑距離來(lái)對(duì)屏幕上的每個(gè)LED燈進(jìn)行標(biāo)記，這與圖片的顯示方式是不一致的。所以在顯示圖片時(shí)，需要預(yù)先對(duì)圖片的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，將圖片中的像素點(diǎn)以極坐標(biāo)系的形式進(jìn)行表示。

由于極坐標(biāo)系的性質(zhì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)LED顯示屏在單位時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，不同半徑距離的LED燈的顯示面積不一致，這就導(dǎo)致不同半徑距離的LED燈在相同光照強(qiáng)度的情況下，其亮度P的大小不一致。在輸入相同RGB值的情況下，靠近旋轉(zhuǎn)中心的LED燈所掃過(guò)的面積較小，靠近邊緣的LED燈所掃過(guò)的面積也就越大。

如圖1中較粗的黑線表示LED燈在工作時(shí)會(huì)發(fā)光的區(qū)域，圖1（a）為旋轉(zhuǎn)LED屏幕工作時(shí)的示意圖，圖1（b）為矩陣LED屏幕工作時(shí)的示意圖。圖1中的三個(gè)LED燈標(biāo)記為led_0、led_1、led_2，稱圖1（a）中，三個(gè)LED燈的工作面積為S10、S11、S12，顯然有S10S22，而燈led_0與led_2的工作面積之比S12/S10>1，他們的比值越接近于1，則差異性就越小，這也是限制了旋轉(zhuǎn)LED顯示屏不能像傳統(tǒng)LED顯示屏一樣做的很大的原因，當(dāng)LED燈條的半徑增大了以后，S12/S10的比值也就越大，屏幕內(nèi)側(cè)與外側(cè)的顯示差異性也就越大，所顯示的圖像就會(huì)發(fā)生畸變。

通過(guò)對(duì)比兩者，我們可以發(fā)現(xiàn)S10S22，而燈led_0與led_2的工作面積之比S12/S10>1，他們的比值越接近于1，則差異性就越小，這也是限制了旋轉(zhuǎn)LED顯示屏不能像傳統(tǒng)LED顯示屏一樣做的很大的原因，當(dāng)LED燈條的半徑增大了以后，S12/S10的比值也就越大，屏幕內(nèi)側(cè)與外側(cè)的顯示差異性也就越大，所顯示的圖像就會(huì)發(fā)生畸變。

旋轉(zhuǎn)LED顯示屏相比于傳統(tǒng)的靜態(tài)LED顯示屏來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)LED顯示屏上的不同LED的工作面積S不一致，由于工作面積S的不一致，導(dǎo)致在相同光照強(qiáng)度的情況下，旋轉(zhuǎn)LED屏上的LED燈在單位面積下的亮度不相等，越靠近旋轉(zhuǎn)中心的LED燈在單位面積上的亮度的的值相對(duì)于外側(cè)的LED燈會(huì)偏大，使得中心區(qū)域亮度升高，邊緣區(qū)域亮度降低，最終導(dǎo)致了整體屏幕亮度不均勻的效果，該現(xiàn)象則對(duì)顯示屏的顯示效果起到了一定的抑制效果。

5 亮度換算原理

旋轉(zhuǎn)LED顯示器上的每個(gè)LED燈在每一個(gè)工作時(shí)間上都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的RGB值，但是人眼對(duì)外界光源的感光值與輸入光強(qiáng)度不是呈線性關(guān)系的，而是呈指數(shù)型關(guān)系的，在低照度下，人眼更容易分辨出亮度的變化，隨著照度的增加，人眼不易分辨出亮度的變化，而這是由LED燈的物理屬性所導(dǎo)致的。[4]其RGB值在經(jīng)過(guò)gamma校正后，人們所感知到的色彩值更接近原RGB值所想表達(dá)的效果，所以有必要對(duì)顯示圖像的RGB值進(jìn)行一次gamma校正。gamma校正的公式為

I-需要表達(dá)的RGB值;F-gamma校正后的RGB值;γ-gamma校正系數(shù)。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，γ的取值為1/2.2時(shí)，通常具有良好的校正效果。在經(jīng)過(guò)了gamma校正后，LED燈所表達(dá)的RGB值即為F（I）。

為了使得RGB值與亮度P之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，必須得對(duì)該RGB值進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換，這是由于亮度是具有主觀性的，在人眼中，相同等級(jí)的紅綠藍(lán)三色中，人眼會(huì)覺(jué)得綠色最亮，紅色次之，藍(lán)色最暗。所以在進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換時(shí)，RGB三色與灰度的關(guān)系是非線性的，需要進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，目前更符合人眼的灰度D轉(zhuǎn)換公式為

D=0.299F（R）+0.587F（G）+0.114F（B） （3）

在已知灰度值的前提條件下，由灰度值再推導(dǎo)出相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度級(jí)別I，其公式為

ΔI-相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度;D-灰度值;t-曝光時(shí)間。

經(jīng)過(guò)上式可以計(jì)算出已知RGB值的前提下，LED燈亮度的近似值。但是這是在LED燈為靜止不動(dòng)的前提下，LED燈的顯示面積不會(huì)發(fā)生變化，而在旋轉(zhuǎn)LED顯示屏中，由于LED燈工作時(shí)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，既其表現(xiàn)的亮度需要考慮到發(fā)光面積的變化。

6 亮度校正原理

為了均衡整體屏幕的亮度，首先通過(guò)亮度相加法得出總工作區(qū)域S內(nèi)的總亮度，再通過(guò)以每個(gè)LED燈的工作面積為校正系數(shù)的方式來(lái)修正每個(gè)LED燈的RGB值，降低不同區(qū)域的LED燈的亮度差異性，最終使得不同區(qū)域LED燈在工作時(shí)亮度趨于一致，最終實(shí)現(xiàn)整體屏幕的亮度一致性。

假定，在旋轉(zhuǎn)LED顯示屏中，以LED燈條的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)作為衡量它工作時(shí)間的標(biāo)量。亮度相加法的具體思路是，假定LED燈條在總工作區(qū)域的旋轉(zhuǎn)角度為θ時(shí)，一個(gè)LED燈條上共有N個(gè)LED燈，在該區(qū)域內(nèi)，每個(gè)LED燈的發(fā)光強(qiáng)度用I（n，θ）來(lái)表示，工作區(qū)域用S（n，θ）來(lái)表示，單個(gè)LED燈的工作區(qū)域的亮度用ΔP表示。再根據(jù)每個(gè)LED燈的工作區(qū)域S（n，θ）來(lái)修正每個(gè)LED燈的亮度值P′（n，θ），其值為

（5）

上式中引入了一個(gè)常數(shù)K，是因?yàn)榭紤]到LED燈的發(fā)光強(qiáng)度是存在上限的，因此，當(dāng)發(fā)光面積增大時(shí)，它的亮度上限會(huì)下降，這一現(xiàn)象沒(méi)有進(jìn)行校正的話就會(huì)導(dǎo)致在進(jìn)行平衡后，經(jīng)過(guò)計(jì)算后的LED燈的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)突破自身上限，因此需要加以參數(shù)K來(lái)保證校正后的LED燈的亮度在可控制范圍內(nèi)。

根據(jù)上式，可以在已知旋轉(zhuǎn)角度θ、LED燈的序號(hào)n和輸入的RGB值的前提下計(jì)算出對(duì)應(yīng)的LED燈修正后的亮度值P′（n，θ）。再將公式（4）帶入至上式中，可以消除掉曝光時(shí)間參數(shù)t，得到輸入的灰度值D（n，θ）與校正后的灰度值D′（n，θ）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再以D′（n，θ）/D（n，θ）的值與對(duì)應(yīng)的輸入的RGB值相乘，得到優(yōu)化后的新的RGB值，即為

（6）

上式中的R′（n，θ）、G′（n，θ）、B′（n，θ）分別指的是序號(hào)為n、旋轉(zhuǎn)角度為θ時(shí)的LED燈在校正后的紅光、綠光、藍(lán)光值，D′（n，θ）/D（n，θ）即為對(duì)應(yīng)的校正系數(shù)。

經(jīng)過(guò)2563次計(jì)算后，可以得到任一RGB值、任一旋轉(zhuǎn)角度θ、任一位置的LED燈所對(duì)應(yīng)的修正后的RGB值。將該結(jié)果存儲(chǔ)于上位機(jī)中，形成一個(gè)大小為3×2563的表格。根據(jù)輸入的RGB值、旋轉(zhuǎn)角度θ、LED燈的位置n，得到新的RGB值，該方法可以大大提升上位機(jī)的處理速度。

7 亮度校正實(shí)驗(yàn)

選取的實(shí)驗(yàn)RGB值分別為100、100、100，以K值為1，進(jìn)行亮度校正。根據(jù)當(dāng)前亮度值計(jì)算出每個(gè)LED燈修正后亮度值，其結(jié)果如圖2所示。圖2的橫坐標(biāo)表示燈的序號(hào)，縱坐標(biāo)表示燈的亮度值。再根據(jù)修正后的亮度值計(jì)算出修正后的RGB值，由修正后的亮度值推算出來(lái)的RGB值會(huì)是一個(gè)浮點(diǎn)型的常數(shù)，由于控制精度無(wú)法達(dá)到，所以需要對(duì)其進(jìn)行取整處理，處理結(jié)果，如圖3所示，圖3的橫坐標(biāo)表示燈的序號(hào)，縱坐標(biāo)表示經(jīng)過(guò)修正后的燈的亮度值，可以發(fā)現(xiàn)每個(gè)LED燈的亮度值在經(jīng)過(guò)修正后，達(dá)到了良好的一致性。

8 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種改善旋轉(zhuǎn)LED屏亮度顯示的算法，在不需要使用到CCD相機(jī)檢測(cè)的情況下，通過(guò)gamma校正與基于亮度相加法的校正處理后，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)LED的輸出亮度有一個(gè)較好的修正效果，使得人眼感知到的屏幕亮度趨于一致。降低了優(yōu)化成本，將其校正過(guò)程放在上位機(jī)中進(jìn)行預(yù)處理，將校正好的數(shù)據(jù)存放在下位機(jī)中，降低下位機(jī)的處理難度，提升算法效率。未來(lái)還可以在CCD相機(jī)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化單個(gè)LED燈的亮度。

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