LED显示屏灰度等级的提高及非线性纠正

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作者：杨赓

上海中大高新电子技术有限公司

摘要：本文从增加LED元色调灰深度着手对LED显示屏的非线性灰度纠正提出了不同的解决方法，从而彻底改变LED显示屏显示效果不佳的现状，深入实施可望带动中国整个LED产业，使LED产品的图象品质步入新的时代

关键词： 显示；LED；非线性纠正；

一、引言

LED显示屏作为大型显示设备的一种，具有亮度高、价格低、寿命长、维护简便等优点。带有灰度效果的LED显示屏较之普通LED显示屏，可以表现出更多丰富多彩的视觉效果，有很大的市场潜力和技术发展空间。无论业界还是客户方，一般从寿命、单位面积亮度、三元色的偏差程度、点距、对比度、灰度等级（包括灰度级数和线性度）、扫描频率等指标来衡量或横向比较大型显示设备的好坏。很明显由于后四项技术指标处于劣势，LED显示屏所表现出的整体显示效果远远未达到理想水平，以至于给人无法和LCD投影机及其拼屏相提并论的感觉。

　　显示屏显示效果好坏的原因是多方面的，其很重要的一方面在于可展现灰度即颜色深度的能力。颜色深度为每种元色可独立调节亮度级数的乘积，如果从计算机专业角度定义，颜色深度指显示卡可同时显示的颜色数目及投入使用的调色板寄存器的数目。颜色深度越大，色彩越细腻，这就是多数人喜欢将电脑显示卡的颜色深度设置到64K色以上的原因。如果说显示屏显示的能力达不到显示卡的输出能力，那么此显示屏的显示效果可想而知，更谈不上额外的亮度、色度、对比度的调整了。LED显示屏正处于如此低层次的境地。

　　为了改变几年来市场对LED显示屏形成的传统观念，拓展的LED显示技术的发展空间和新的市场领域，我们在提高灰度等级（包括灰度级数和线性度）、扫描频率等方面作了尝试，并在关键技术上取得了重大突破。排除点距因素，本文依据实验数据和结果，将就灰度等级的非线性纠正对LED显示屏显示效果的影响作出结论。

二、非线性纠正实践

LED的亮度与通过其电流之间的关系是线性的，人眼对亮度的感知是非线性的，比如：LED由电流控制可形成64级等分的亮度，但在人眼看来这64级亮度并非等分，在低亮度段能感觉出较明显的亮度变化，随着亮度提高，每一级的感觉到的亮度变化差值迅速减小。而且LED的亮度较高，高亮度段处于人眼非线性亮度感知曲线的平坦段，因此同其它显示屏相比LED显示屏的亮度非线性显得更加重要。要显示感觉上等分的64级灰度，LED显示屏必须具有非线性或远远大于64级灰度的显示能力，而实际上有实现可能的，只有后者。

　　我们采用非线性纠正方法为函数映射法。其原理如图1所示：

图1、函数映射表达式

n为单元色的输入灰度数据宽度，n=4，则灰度等级为16级。m为单元色的输出灰度数据长度，m=6，则灰度等级为64级。一般m-n>1才有比较大的非线性纠正空间，n>4才有比较好的显示效果。

1、实验平台

　　为了说明问题、简化程序，我们没有采用任何特殊获取RGB数据的硬件，而使用软件屏幕直接取数的方法，并特别编写了“中大LED调灰较比中心”软件，如图2所示。操作系统为WINDOWS 98，屏幕颜色深度为24位色。

　　为了便于实验和观察效果，采用320×64点阵、1／16扫描的双色室内LED显示屏，控制线路的调灰深度为每种元色256级，点亮占空比＞70％，带有12级亮度控制（不影响调灰深度）。

图2、实验用软件界面

2、色彩深度对比

　　由“LED调灰较比中心”产生4条256×16点阵的灰度带，如图3所示，用以检验LED显示屏确有相应调灰能力。但无论64级灰度还是256级灰度，在未进行非线性纠正前，都存在人眼视觉上的非线性。高亮度段无法分辨色阶差，只有64级灰度低亮度段能感觉出明显的色阶差。

图3、灰度验证与对比实验

3、单种元色非线性纠正对比

图4、设定非线性纠正函数

　　由“LED调灰较比中心”产生64级灰度的灰度带，并设置映射数组。在此选用几个可接近LED非线性特性的简单函数，并在程序中添加了限制条件，如：映射结果按序且没有任意两个相同的值。

　　由软件取得屏幕上的颜色深度，保留高6位数据（64级灰度），经映射数组查表，取得8位数据（非线性化64级灰度），送屏显示。

　　从照片结果图5～图7对比来看，经过非线性纠正后，LED显示屏的灰度效果确实得到改善。从直观角度，排除LED模块材质底色太亮、1／16扫描亮度较低、点距太大等因素，视觉效果已经接近电脑显示器的线性灰度。

4、综合图象效果非线性纠正对比

　　由“LED调灰较比中心”调入多组两幅点阵为128×64的相同图片，一幅不经过非线性纠正但表现256级元色深度，一幅经过非线性纠正只表现64级元色深度。

　　结果表明：

　　☆经过非线性纠正大部分静态图象的视觉效果得到大幅度改善，图象清晰度、对比度加强。

　　☆从感官上经过非线性纠正的图象整体亮度有所降低，若假设每种灰度的出现概率相同，则图象整体的平均亮度将降低四分之一左右。

　　下面是通过实际照片的效果对比

左边为256级元色深度，右边为非线性纠正后64级元色深度

图5、照片对比结果1

图6、照片对比结果2

图7、照片对比结果3

　　初步实验后，又投入部分人力和物力，试制了具有256级元色调灰能力的驱动板卡，并沿用原有的LED模块板，制作了一块256×192点阵、点距为6.35mm的双色LED样屏。因时间关系，暂时利用ES98多媒体卡的非线性调灰能力，将gamma纠正值设置到0.7左右，播放动画、数字视频、叠加视频等动态信号。

　　由根据实际播放效果得出结论，灰度等级的非线性纠正确实可以大幅度改善LED显示屏的动态视觉效果，尤其是可以基本消除给以往播放效果大打折扣的背景底色及马赛克现象，图象趋于自然柔和，对比度增强（因为没有加入蓝色补偿，当播放蓝色成分较多的画面，仍有部分因缺色引起的轻微马赛克现象）。显然，对于以往室内LED显示屏和小型室外LED显示屏所未敢涉及或棘手的视频信号，非线性纠正是极大的“福音”。我们只提高了驱动板卡的调灰能力，就使采用以往技术的显示屏所显示的图象质量有了本质上飞跃。

由实验得结论：

☆提高LED显示屏的颜色深度可以从一定程度上改善显示效果，但一味的提高颜色深度并不能达到预期效果，因为对于大型显示屏，人的肉眼已经很难分辨其64K色与24位色的差异。

☆在提高LED显示屏的颜色深度的基础上，“灰度等级的非线性纠正”确实可以大幅度改善LED显示屏静态图象的视觉效果。

☆由于技术上的限制，上述两个结论相互结合，可实现经济实用的搭配。

三、“灰度等级非线性纠正”步入实际应用将开创LED显示屏技术的新时代

　　目前为LED显示屏提供RGB数据的板卡大部分已经具备了对灰度等级进行非线性纠正的功能，还对视频提供亮度、色度、对比度等的调节功能，但是这些功能受限于24位比特的数据输出（每种元色八位），换句话说调节非线性纠正、亮度、色度、对比度的同时也降低了灰度等级，且非线性纠正没有按LED的特性数码化。况且按目前国内业界的标准，室内LED显示屏多为16级灰度等级，少数为64级以上，室外LED屏多为64到256级灰度等级，显然显示屏本身的硬件设计不仅没有充分发挥24位比特数据的灰度潜力，更不用谈如何进行非线性纠正，不损失灰度等级的亮度、色度、对比度调节。因此扩充LED显示屏本身可展现的灰度等级是进行非线性纠正的基础。

　　随着可展现灰度等级的提高，对LED显示屏底层驱动系统也提出了新的要求。经过计算，仅具有256级灰度等级1／16扫描的LED驱动电路就必须精确控制十几毫伏的电压或十几微安的电流，若电路设计排版不当，极易造成较大的差异，影响屏幕色彩的表现力和一致性。另外LED驱动电路所工作的频率将上升2～4倍。通过测试，我公司出品的室内LED灯板及驱动系统中有85％需要进行不同程度的排版布局减小集成电路电源电压的差异以适应高灰度等级的非线性纠正方案。

　　为了适应新产品时代的到来，我公司制定的下一代LED显示屏的技术标准为：

室内LED显示屏：

每单元色具有256级以上的灰度能力，非线性纠正后灰度能力为64级以上；同时，具有16级以上的亮度调节能力，每单元色的亮度可单独调节且不影响灰度等级。双色室内屏可显示256×256×16＝1,048,576色，可同时显示64×64＝4,096色。全彩色室内屏可显示256×256×256×16＝268,435,456色，可同时显示64×64×64＝262,144色。

室外LED显示屏：

每单元色具有512～1024级以上的灰度能力，非线性纠正后灰度能力为128～256级以上；同时具有32～64级以上的亮度调节能力，每单元色的亮度可单独调节且不影响灰度等级。双色室外屏可显示1024×1024×64＝67,108,864色，可同时显示256×256＝65,536色。全彩色室内屏可显示1024×1024×1024×64＝68,719,476,736色，可同时显示256×256×256＝16,777,216色。

　　我们已推出室内外显示屏用的具有单元色256级调灰能力的1／4～1／16扫描控制板卡，用于采用串行方式的旧屏的改造以及新屏的生产（包括室内全彩色LED显示屏），并考虑公开销售并提供全方位技术支持（包括出售LED灯板的SCH图纸和PCB印板），以推动LED显示屏行业的技术发展。

　　另外由于国内LED显示屏用多媒体卡硬件升级缓慢，软件服务远远落后甚至实用非正规API接口，各种多媒体卡在软件层缺乏OEM规范和行业标准，导致集成商无法进行二次开发为用户提供更好的一体化解决方案和完善的升级服务。由于此种状况近期内无法得到改观，迫于无奈我们还将涉及此领域，推出新一代获取RGB数据的设备（直接从显示卡VGA接口取数）和非线性纠正板卡（映射式数字化纠正并有利于全彩色显示屏的白平衡度微调），以使LED显示屏如电视机、CRT监视器、LCD平板显示器及投影机一样成为一体化的显示设备（如图8所示），使更多的OEM设备如高级视频叠加卡、高档3D显示卡等加入LED显示屏工程的行列。

图8、一体化LED显示屏示意图

　　谨请有兴趣的公司和相关技术人员通过EMAIL与我们联系，发来自己的感想和建议。

参 考 文 献

1、AMD Vantis , MACH 可编程逻辑器件及其开发工具， 清华大学出版社

2、Charles Petzold , PROGRAMMING WINDOWS 3.1, 希望电脑公司海洋出版社

3、 ， 程序员大本营 ， www.csdn.net

4、 ， LED CATLAOG , 深圳市迪特龙实业有限公司

Increase Color depth and brightness Nonlinear Correction of LED Display

Author: Yang Geng

(Shanghai ZhongDa High Tech. Elec. Co. Ltd.)

Abstract: This report bring forward a solution for nonlinear correction of LED display using different methods in virtue of increase color depth. This solution will present a brand new visual effect that LED display has never had. Acting as a pioneer, we hope to improve the technique level of China, the perfect image quality will inaugurate a new era of the LED industry.

Key words: Display;LED; brightness Nonlinear Correction

作 者 简 历

1、1996年毕业于哈尔滨工业大学自动控制系，工作于上海市计算技术研究所

2、1996年至1997年，参加上海体育场208LED室外屏研制开发。

3、1997年至1998年，从事LED显示屏播放软件和外围设备开发研制工作

4、1999年至文章发布日，主持LED显示屏硬件和系统的研制、开发和生产，现任上海市计算技术研究所中大高新电子技术有限公司技术总监。

LED显示屏灰度等级的提高及非线性纠正