LED大屏幕質量檢測中的像素點定位方法研究

王 克，李志敏，古利超，陳學保，靳佳偉

(重慶大學光電工程學院，重慶400030)

0 概述

電荷耦合器件(CCD)在測光法和比色法領域中的應用被認為是在未來光譜輻射線測定和光度測定中極具吸引力的發展方向。作為21世紀的綠色光源，LED大屏幕顯示技術日益成熟，應用范圍不斷擴大。但由于LED間存在著光電學特性差異。這通常會引起LED顯示屏尤其是全彩LED大屏幕亮度、色度不一致，進而破壞顯示屏的白平衡，降低顯示品質。此外，一旦LED顯示屏投入使用，每個LED的亮度以不同的速度衰減。衰減速率隨物理、電氣和環境因素而異，但它是不可避免的。屏幕上的顏色逐漸出現像素級的顆粒現象(如白色往往向粉紅色方向轉變)。

目前LED顯示系統的檢測通常使用亮度計和色度計，傳統的亮度計和色度計同一時間只能檢測一個點，因而被稱為點式光度計或點式色度計，其測量方法是將一個顯示裝置分成許多分離的測量點，針對每個測量點移動點式檢測器進行單點測量。顯然，對于LED大屏幕數以百萬計的像素點，傳統檢測儀器及方法效率低下。而采用CCD面陣檢測器單次測量的像素點數量可以非常大，在相同的時間內，其具有比其他方法測得更多的數據點的能力。測量時間上有了實質性的節省。因此，采用CCD面陣檢測器的LED測量系統在顯示系統設計和生產的實施與質量保證階段具有巨大的優勢。

本文基于圖像形態學處理方法，討論在復雜環境背景下，以及由于待測屏幕角度等原因造成投影到CCD上呈現的不規則大屏幕圖像的LED像素點的定位。為下一階段的像素級亮度色度檢測提供可靠的保證。

1 基于CCD圖像傳感器的LED大屏幕校正方案

基于CCD圖像傳感器的LED大屏幕校正過程可分為以下幾個步驟:

(1)準備 首先應完成一些必要的維護，比如LED的更換，屏幕的清潔等。

(2)安裝 確定合理的CCD傾角、視野，使之基本上與待測屏幕對應。

(3)測量 進行必要的傾角校正及環境光補償，確定LED像素點的相對坐標。由CCD充當的成像比色計實時進行每個LED像素點的亮度和色度值的精確測量。

(4)計算 由測得的每個LED像素點的量化值計算實際值，根據用戶選擇的色域，生成包括每個像素點的調整值的校正系數表。

(5)輸出 如果LED屏幕的硬件支持，可以直接將校正系數傳送給LED大屏幕;如果不支持，可以根據校正系數添加額外的硬件對顯示信號預處理后再輸入顯示系統。

(6)驗證 對調整后的屏幕再進行驗證測量，確保校正的有效性和準確性。

2 LED像素點定位

通常LED大屏幕安裝位置很高，或者安裝時并不嚴格垂直于地面，并且受限于圖像采集系統的位置。這些都會造成圖像采集系統的光軸和大屏幕平面不垂直，此外由于安裝場地環境復雜多樣，這些因素都會造成亮度的不均勻和像素定位的困難，本文設計下述步驟進行大屏幕像素點的精確定位。

2.1 灰度圖像二值化

由于噪聲及環境影響，實際采集的圖像灰度分布直方圖并不是典型的目標及背景截然分開的雙峰分布形式，采用最大方差閾值分割法這種傳統的分割方法效果較差。對于大屏幕檢測這種以分離主動光源為目標的情況，合理選取一個較高的分割閾值，可以濾除周邊復雜背景的干擾，而只保留LED像素點。由于在大屏幕的圖像采集過程中，已經采用了合適的濾光片使圖像中最大亮度值接近但不超過飽和值，LED構成灰度直方圖中灰度值最高的一類目標。為了盡可能分離每個LED像素點，又最大限度地濾除噪聲和環境背景，本文采用灰度直方圖最后一個波谷處的灰度值作為分割閾值，將灰度值最高的波峰對應的像素點分離為目標點。

圖1為一幅大屏幕圖像，圖2為其灰度分布直方圖，由于環境背景的影響，灰度直方圖呈多峰分布。圖3為采用最大方差閾值分割法分割的圖像，圖4為采用上述方法分割的圖像，由對比可見，上述方法有效地消除了背景的干擾。

圖1 待測LED大屏幕圖像顯示單元

圖2 灰度直方圖

圖3 采用最大方差閾值分割法分割的圖像

圖4 分割后的圖像

2.2 進行細化處理

由圖4可見，雖然有效地消除了背景的干擾，但得到的LED像素點目標大小不一致，均勻性差。為了得到精確的LED坐標，采用圖像形態學算法，對圖像進行細化處理，得到每個LED的單一像素表示。通過結構元素B細化集合A，表示為A?B:

這里A#B表示在A中對B進行匹配，A!B表示由結構元素B腐蝕A，Ac為A的補集。圖5是對圖4進行上述細化處理后得到的圖像，圖中每一個目標大小均為一個像素，其對應原始圖像中的一個LED像素點。

圖5 目標細化至一個像素后的圖像

2.3 確定待測大屏幕區域

連接步驟2所得圖像的所有最外層目標點構成一個封閉的邊界，由此邊界上的相鄰目標點的距離可以確定LED像素點間距以及大屏幕中LED像素點的行數和列數。根據以上信息確定外接的最小四邊形，并將其從圖像中分離出來，作為后續階段處理的目標圖像。

2.4 定位異常目標點

由于噪聲的影響，可能有些LED像素點不能細化至一個像素點表示，解決方法是根據步驟3.3估測的LED像素點間距設計卷積模板，對分離出的圖像進行圖像鄰域處理定位單個LED像素點對應的多個目標點并將目標點合并為單一像素點表示。圖6所示為經過圖像鄰域處理定位的不能細化至單一像素點表示的LED像素點位置。

2.5 LED像素點定位

由于已經確定了邊界LED像素點的位置、相鄰LED像素點間的平均距離以及大屏幕上LED的行數和列數，本文根據以上信息及相鄰LED像素點之間的相對關系確定各LED像素點在大屏幕上的相對位置，具體的步驟如下:

圖6 定位不能細化為單一像素表示的LED像素點

(1)根據步驟3.3計算所得的大屏幕邊界確定圖5中位于第一行第一列的目標點作為起始位置。

(2)從第一列開始根據LED像素點間的平均距離尋找本行下一列LED像素點，若未找到則轉向步驟4;若找到則記錄其在圖像中的位置及相對的行號和列號，依次進行直到達到最后一列，若當前行是最后一行則結束。

(3)確定圖5中位于下一行第一列的目標點作為下一行的起始位置，并轉向步驟2。

(4)根據LED像素點的平均距離尋找上一行或下一行的相鄰LED像素點，并繼續閉合式尋找，直到回起始行，跳轉到步驟2相應位置。

表1是對圖5采用上述處理方法得到的點陣坐標，行號和列號分別標注在了點陣的左側和上面。

表1 LED像素點的位置矩陣及對應行號和列號

2.6 LED像素點插補

步驟3.5定位了圖5中的目標點及其對應的行號和列號，但不能確定失效LED像素點(圖5中的三個空缺)的位置。對空缺的位置可以采用相鄰像素來估計，對上述的位置矩陣，對兩側或上下有效LED像素點位置求均值可容易地確定失效LED像素點的位置，最終得到整幅LED大屏幕圖像每個LED像素點在圖像中的位置和對應的行列號。進行LED像素點插補后，為直觀顯示定位結果，連接相鄰LED像素點即得到圖7所示的圖像。

圖7 連接相鄰LED像素點后的圖像

3 實驗結果分析

為了驗證本方法的精度和可靠性。本文選取了一張成像效果較差，噪聲成分較多的圖像，并將其置于復雜的環境背景中進行實驗。由以上分析可見，LED像素點定位精確，對異常LED像素點進行了有效的處理，本文實驗圖像LED像素點間距約7個像素，最大偏差只有一個像素，能夠滿足后續檢測階段的要求。若圖像采集系統采用2048×1536分辨率的CCD攝像機，單次最多能夠采集超過60 000個LED像素點。相對傳統檢測方法，檢測效率得到了極大的提高。

4 小結

在基于CCD圖像傳感器的LED大屏幕校正過程中，精確地確定各LED像素點的坐標是后續檢測步驟順利進行的關鍵。實驗結果表明:該方法在定位過程中對LED像素點中心定位準確且穩定，無論光照、天氣等環境因素，還是測站位置，大屏幕角度的因素，都有很好的適應性。對于環境信息復雜，背景知識不清楚，目標規則及位置不明確的情況下，該方法能有效地消除各種噪聲及背景干擾，得到較高的定位精度。此外，該方法抗干擾能力強，允許采集的圖像有一定的畸變、缺損等，降低了對圖像采集系統精度的要求，增強了圖像處理系統的適應能力，擴大了應用范圍。

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