大型LED顯示屏的計算機輔助校正

李天華

（遵義師范學院 物理與機電工程系，貴州 遵義 563002）

0 引言

LED（Light Emitting Diode，發光二極管）顯示屏以LED為像素，由LED顯示點陣單元拼接而成。LED顯示屏主要包括顯示屏體、顯示屏控制器、控制計算機、配電設備、光纖、音視頻設備和控制軟件等[1]，可以將信息通過文字、圖片、圖形、動畫、視頻圖像等形式顯示出來，具有圖案美觀、色彩亮麗、功耗低、壽命長、工作穩定可靠等特點，被廣泛應用于社會經濟的諸多領域。

LED顯示屏由眾多LED組成，因為材料與制造技術的局限性，每個LED的亮度特性、色度特性存在離散性，要求每個LED的亮度、色度參數完全一致是不可能的[2]。特別是已經安裝并使用的LED顯示屏，運行一段時間后，由于每只LED都會有不同程度的亮度衰減和色度漂移，還會受到環境溫度變化、驅動電路退化、電路設計缺陷、電源電壓差異、結構設計和加工誤差等因素的影響。使LED顯示屏出現暗斑、亮斑、色斑、馬賽克等亮度、色度不均勻現象，嚴重影響圖像的顯示效果和使用壽命[3]。因此，需要對LED顯示屏進行逐點校正。

1 基于相機的現場逐點校正系統

逐點校正技術通過精確地控制每個像素的每只三基色LED的驅動電流的方法，控制每個像素的亮度和三基色的配色關系，使LED顯示屏的所有像素的光強和色調一致。逐點校正技術必須測出每個像素的三基色LED的實際光強和色坐標，并進行亮度差和色差的計算，從而計算出每只校正的校正系數，反饋到控制電路，實現對該像素的校正。

現有的逐點校正技術主要采用光槍檢測法、暗室測試儀、照相法來精確地測出每個像素點的亮度、色度。光槍檢測法檢測范圍小，一次只能測量一個點，檢測大型LED顯示屏效率太低；暗室測試儀成本太高，只能在生產的過程中在線測量，不便于現場測試；照相法利用高精度數碼照相機來采集校正圖片，具有成本低、操作簡單易行、便于攜帶等優點而廣泛應用于LED顯示屏的現場逐點校正。

基于相機的LED顯示屏現場逐點校正系統一次可以對多個像素點進行測量，而且能夠在現場進行像素級別的校正。系統由筆記本電腦、LED顯示屏現場校正顯示控制軟件、數碼相機、LED顯示屏的數據采集軟件等構成。

2 獲取校正圖片

隨著LED顯示屏的快速發展，數百平方米以上的大型LED顯示屏的應用越來越多，數千平方米LED顯示屏也屢見不鮮。2010年上海世博會開幕式使用了上萬平方米的巨型LED顯示屏，廣州亞運會開幕式采用了8幅船帆造型的大型柔性LED顯示屏[4]。

由于各種現場環境差別很大，大型LED顯示屏校正圖片的獲取是校正的前提、基礎和關鍵環節[5]。在獲取時，容易受到環境、設備等因素的影響，獲取的校正圖片難免會有變形失真，有時不能采集到全屏圖片，導致校正效果不佳。

本文以逐點校正面積為363 m2（解析度1280 ×960，由1200 個長550 mm、寬550 mm、解析度為32×32的LED箱體構成，每個LED箱體由4個LED模組構成，共有1228 800個三基色LED像素）、使用時間為18個月的大型LED顯示屏為例，探討采集校正圖片，利用圖像處理軟件對采集到的校正圖片進行幾何校正，并合成出全屏圖片，來獲取逐點校正系統需要的檢測圖片。

2.1 相機的選擇

數碼相機是校正系統的關鍵測量儀器，成像質量尤其重要，要求它采集到的圖片具有很高的精確性，才能在后續的逐點校正中取得好的效果。校正選用性能很好的尼康D300S數碼單反相機來實現LED顯示屏的逐點校正，相機主要參數如下:CMOS（Complementary Metal-Ox?ide Semiconductor，互補性金屬氧化物半導體）感光元件傳感器尺寸23.6 mm×15.8 mm，1230 萬像素，51個對焦點，最大分辨力4288 ×2848 。

洋桔梗切花采收適期以每枝同時開花在3～5朵時為宜，保留基部2～3節，切花中下部葉片摘除，保留有效花苞數個。洋桔梗采收一般在清晨和下午溫度較低時間進行，采收后應立即放入清水中，防止脫水[6]。為防止運輸過程中出現花朵萎蔫現象，延長出售前保鮮時間，可在采收前10 d噴灑咪鮮胺1次，采后1 h內用可利鮮保鮮液處理，冷藏在溫度3～8 ℃冷庫中。包裝則根據客戶需求，市場一般按0.8 kg·扎-1，每扎7～8枝花。

2.2 分區采集圖片

首先將LED顯示屏現場校正顯示控制軟件裝入LED顯示屏控制器中，LED顯示屏的數據采集軟件裝入PC中，把數碼照相機與PC連接。開機30 min，使系統達到穩定運行狀態。顯示屏的灰度級別、刷新頻率設置為最高。

運行校正顯示控制軟件，進入操作界面，確定顯示屏類型為“全彩實際像素”。設置LED屏幕的大小和區域:以像素為單位，直接輸入LED屏幕的列起點、行起點以及列長和行高，將顯示屏分成多個大小合適的區域。確定整個LED顯示屏的行數為1280 ，列數為960；確定一個模組的行數為16，列數為16；確定掃描方式為“全部點亮”；確定掃描順序為“左至右，上至下”。本校正分為100個區域（如圖1所示），每個區域行數為128，列數為96，面積為3.63 m2，有12個LED箱體。

確定顏色順序，以藍色為例，選擇“藍”選項卡，使“顯示測量數據”復選框處于不選中狀態，設置數據為“255”。按照預設的順序逐區域顯示紅色、綠色、藍色和白色，以便相機采集校正圖片。

用支架固定好相機，在鏡頭上裝好減光片，正對LED顯示屏，確保顯示屏待測區域成像于相機有效成像區域[6]。調整相機設置鏡頭，確保清晰對焦，讓圖片盡量大，照的圖片像素點間要有明顯分隔，不要連成一片。拍照完成后，從筆記本電腦顯示屏觀察采集的校正圖片，檢查圖片效果。對采集的校正圖片進行編號，并保存。按預設的順序改變區域顯示紅色、綠色、藍色和白色……經過多次拍照、編號、保存，直到校正LED顯示屏所需要的校正圖片采集完成。

2.3 圖片修正

Photoshop GS4是一款多功能、應用廣泛的數字圖像處理軟件，支持數碼相機的RAW圖片格式[7]。利用該軟件將采集到的LED顯示屏校正圖片進行幾何校正、合成，從而創建出具有完整性的圖像。

2.3.1 變形校正

由于相機拍照時受到角度的限制，成像平面和景象平面間存在著傾角和轉角，相機所用的光學鏡頭會產生一定的幾何畸變，會使采集到的圖片幾何位置上存在著非線性的失真畸變。如果用采集到的失真畸變圖片來校正LED顯示屏，會導致LED顯示屏產生新的亮度、色度不均勻。因此用鏡頭校正和圖像變換校正方法來對采集到的失真畸變圖片進行校正，有效地改善圖像的失真畸變，達到為逐點校正系統提供正確的校正圖片的目的。

1）鏡頭校正。選取校正圖片，單擊“濾鏡”、“扭曲”、“鏡頭校正”命令，軟件界面出現“鏡頭校正”調整窗口。左邊是“預覽”大窗口，勾選大窗口下面有“預覽”和“網格”按鈕。在“移去扭曲”選項中，撥動“移去扭曲”滑桿中的滑塊，或左或右慢慢移動；撥動“垂直透視”、“水平透視”滑桿中的滑塊，或左或右慢慢移動。觀察調整的結果，調整好后，點擊窗口右上角的“確定”按鈕，也可以使用鍵盤輸入具體的數字調整。還可以直接用鼠標指針在預覽框內對圖像進行調整、校正，調整好后，點擊窗口右上角的“確定”按鈕。對檢測圖片執行“鏡頭校正”操作界面如圖2所示。軟件的“鏡頭校正”濾鏡，可以完成鏡頭的枕形畸變、桶形畸變、梯形變形校正，鏡頭的色差、暗角、照片精確旋轉校正。這些校正都是可以連續調節、實時預覽、一次完成的。

2）圖像變換校正。選取校正圖片，單擊“編輯”、“變換”命令，在選區圖片上將顯示一個調整框，調整框周圍顯示有8個控制點，通過拖拽控制點來對圖片進行變形操作。單擊“斜切”命令，將鼠標指針移動到調整框控制點上，并拖拽鼠標，可以校正傾斜的校正圖片。單擊“扭曲”命令，將鼠標指針移動到調整框控制點上，并拖拽鼠標，可以校正扭曲的校正圖片。

2.3.2 合成圖像

由于LED顯示屏的校正圖片采集時間較長，需要4 h左右。在此期間，外圍環境光線、空氣濕度會變化，以及顯示區域的改變使相機的視角變化，都會在采集的校正圖片區域邊界留下邊界線。所以校正系統要求對全屏顯示的紅色、綠色、藍色和白色分別進行全屏圖片采集，用來消除區域邊界線。

該LED顯示屏處于繁華的交通十字路口，前面有路燈與雕塑等多種原因，現場環境非常復雜，導致相機無法一次采集到校正系統需要的紅色、綠色、藍色和白色全屏圖片。因此，采集全屏圖片時不得不運用回轉連續拍照法和平行連續拍照法，分為4幅采集。用軟件對采集到的4幅紅色、4幅綠色、4幅藍色和4幅白色圖片進行合成，獲取校正系統需要的紅色、綠色、藍色和白色全屏圖片，取得較好的校正效果。

圖片合成是指在圖像處理軟件中將多幅圖片中的不同視覺元素分離出來，并重新組合，從而創建出具有完整性圖片的一種方式。軟件Photoshop GS4圖片合成方法多樣，有Photomerge創建、用圖層混合模式、用混合顏色帶、用剪貼蒙版、用圖層蒙版等方法合成圖片[8]。本校正依據采集的素材、針對主題的表達，選擇用Photomerge創建方法合成圖片。

首先選取校正圖片，在工具箱中選取裁切工具，在裁切工具屬性欄的“高度”、“寬度”與“分辨力”文本框中輸入數值。將鼠標指針移動到當前圖像編輯窗口，并拖拽鼠標繪制出裁切框，裁切框的周圍顯示有8個控制點。通過拖拽控制點來改變裁切區域，確定裁切區域后，在裁切框內雙擊鼠標或按Enter鍵，完成裁切操作。

單擊“文件”、“自動”、“Photomerge”命令，打開照片合并對話框。選取“自動”版面，勾選窗口下面“混合圖像”按鈕。單擊“瀏覽”按鈕，在打開對話框里找到并按采集順序選中前期分區拍攝的4幅紅色圖片文件（如圖3所示）。再點擊打開對話框中的“打開”按鈕，則所選接片便被加入到照片合并對話框中，4幅紅色圖片便按采集順序拼接成一幅高分辨力的紅色圖片。

按照上述方式選中前期分區拍攝的4幅綠色圖片文件，拼接成一幅高分辨力的綠色圖片，并命名保存；按照上述方式選中前期分區拍攝的4幅藍色圖片文件，拼接成一幅高分辨力的藍色圖片，并命名保存；按照上述方式選中前期分區拍攝的4幅白色圖片文件，拼接成一幅高分辨力的白色圖片，并命名保存。

3 校正LED顯示屏

依次把采集的校正圖片導入LED顯示屏的數據采集軟件的數據處理控制欄，設定好逐點校正的期望值。軟件會識別出紅色、綠色、藍色和白色圖片各多少張，標出最低、最高和最多亮度的像素點數，分析每一個區域各像素點的相對亮度，計算出校正系數，生成校正系數文件并保存[9]。

將有各點校正系數的文件導入LED顯示屏控制器當中，并進行實時運算轉化，形成屏體實時顯示數據發送到顯示屏屏體，完成對每只LED的調節，實現顯示屏逐點亮度和色度調整功能。

用數字圖像處理技術來對采集的校正圖片進行幾何變形校正和合成時，只能做較小范圍的調整，要不斷對比被拍攝的LED顯示屏原圖，不造成失真，不對校正圖片的亮度、色度參數做任何調整與修改。

4 小結

基于相機的LED顯示屏現場逐點校正技術是確保LED顯示屏質量的關鍵技術之一，得到了廣泛的應用，國內外LED顯示屏生產及相關廠商研究開發了多種基于相機的LED顯示屏校正方案。應用表明，用數字圖像處理技術來對采集的校正圖片進行變形校正和合成的方法尤其適用于大型LED顯示屏的調校，可以使校正系統的校正更準確、調整更精細、實施方式更靈活。經過調校的大型LED顯示屏清晰、均勻、色彩鮮艷、白場過渡柔和。

[1]柯學，張健.LED室內全彩顯示屏的安裝與改造[J].電視技術，2010，34（4）:84-85.

[2]李漫鐵.全彩顯示屏專用LED的選擇和使用[J].現代顯示，2007（6）:64-65.

[3]宋新麗，鄭喜鳳，凌麗清，等.基于灰度直方圖的LED顯示屏亮度均勻性評估方法[J].液晶與顯示，2009（1）:140-144.

[4]李天華.柔性顯示實現的關鍵技術[J].電視技術，2009，33（8）:25-29.

[5]趙星梅.LED顯示屏亮度非均勻性逐點校正技術的研究[D].西安:西安電子科技大學，2009.

[6]李熹霖.數碼相機和電視中的LED顯示屏圖像[J].現代顯示，2007（11）:13-19.

[7]姜科，羅曉梅.中文版Photoshop CS4圖像處理[M].北京:清華大學出版社，2009.

[8]王琦.Photoshop CS4拼合超大圖[J].照相機，2010（2）:71-72.

[9]常宇，李志敏，梁軍，等.一種全彩LED顯示屏亮度均勻性快速檢測方法[J].燈與照明，2009（12）:33-35.