側(cè)入式LED背光源仿真中亮度均勻性的判定方法

白王靜，李福山，羅福根，徐 勝，黃炳樂(lè),3

(1.福州大學(xué) 物理與信息研究工程學(xué)院，福建 福州 350000；2.福建捷聯(lián)電子有限公司，福建 福清 350301；3.福建船政交通職業(yè)學(xué)院信息工程系，福建 福州350007)

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側(cè)入式LED背光源仿真中亮度均勻性的判定方法

白王靜1，李福山1，羅福根2，徐 勝1，黃炳樂(lè)1,3

(1.福州大學(xué) 物理與信息研究工程學(xué)院，福建 福州 350000；2.福建捷聯(lián)電子有限公司，福建 福清 350301；3.福建船政交通職業(yè)學(xué)院信息工程系，福建 福州350007)

在設(shè)計(jì)開發(fā)側(cè)入式LED背光源時(shí)，經(jīng)常應(yīng)用光學(xué)軟件Tracepro對(duì)其亮度均勻性進(jìn)行模擬仿真，且總會(huì)出現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)際人眼感知結(jié)果間存在一定差異的現(xiàn)象。針對(duì)這一現(xiàn)象，提出了以人眼“最佳視覺(jué)注意范圍”為依據(jù)，將屏幕進(jìn)行合理分區(qū)，并利用Weber定律中關(guān)于感覺(jué)量與刺激量之間的量化公式對(duì)差異現(xiàn)象進(jìn)行分析矯正的方法，有效改善了模擬仿真設(shè)計(jì)與實(shí)際人眼感知的差異。同時(shí)，建立了尺寸為6 cm×6 cm的單邊側(cè)入式LED背光源模型，對(duì)已提出方法進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有效提高了仿真結(jié)果的合理性及高效性，減小了產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)際效果間的誤差。

Tracepro；側(cè)入式；Weber定律；最佳視覺(jué)注意范圍

隨著LED背光模組向輕薄化方向發(fā)展，側(cè)入式LED背光源逐漸成為市場(chǎng)發(fā)展的主流,其中，背光源的亮度、均勻性等光學(xué)指標(biāo)對(duì)LCD的顯示質(zhì)量起著重要影響[1]。與直下式背光源比較而言，側(cè)入式是把其位于側(cè)邊的點(diǎn)狀LED光源通過(guò)導(dǎo)光板進(jìn)行均勻擴(kuò)散，然后才形成面狀光源，而直下式背光源則是在擴(kuò)散板后面放置足夠多的LED光源陣列，因而其本質(zhì)上就具有面光源的特征，顯然側(cè)入式背光源在亮度均勻性上具有先天性的劣勢(shì)[2-3]。從而，對(duì)于側(cè)入式LED背光源而言，保證良好的亮度均勻性顯得尤為重要。

目前，業(yè)界判斷均勻性的客觀方法一般是通過(guò)儀器直接測(cè)試多點(diǎn)亮度，然后求得最低亮度與最高亮度的比值，最后將比值與產(chǎn)品規(guī)格相比較并判定出產(chǎn)品的均勻性情況。或者是通過(guò)人眼主觀判斷的方式進(jìn)行評(píng)價(jià),這些都是事后的判斷方法。為此，本文通過(guò)合理利用Weber定律及“最佳視覺(jué)注意范圍”理論，有效綜合模擬仿真技術(shù)與實(shí)際人眼主觀感知的差異，提出了一種在設(shè)計(jì)階段就可以運(yùn)用的新的背光源亮度均勻性判定方法,提高了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性，并節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。

1 判定方法的理論探究

1.1 最佳視覺(jué)注意范圍

通過(guò)大量的觀察實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)人們?cè)谟^看顯示屏幕時(shí)傾向于將視覺(jué)注意力集中在屏幕的中央?yún)^(qū)域，而不是整個(gè)屏幕區(qū)域，且這一現(xiàn)象不會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而減少。同時(shí)，引起這一現(xiàn)象的主要原因在于，絕大多數(shù)的圖片中最主要的信息都處于圖片的中央及其附近區(qū)域。另外，有研究表明，人們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)觀察顯示屏幕時(shí)，其注意的圖片范圍僅為圖片的30%左右[4-5]，如圖1、2所示。

圖1 原始觀察圖片

圖2 人眼實(shí)際的視覺(jué)注意范圍

本文中將上面提到的這一范圍稱為“最佳視覺(jué)注意范圍”。在研究顯示屏幕的亮度均勻性時(shí)，由于人眼對(duì)于顯示屏幕擁有最佳視覺(jué)注意范圍，因此，在此范圍內(nèi)的亮度均勻性相對(duì)其余地方就顯得更為重要。據(jù)此，課題中決定依據(jù)人眼的最佳視覺(jué)注意范圍理論將顯示屏幕分為兩個(gè)區(qū)域，即從屏幕中心向外占整個(gè)屏幕的30%的中央?yún)^(qū)域?yàn)橹鲗?dǎo)區(qū)域，剩下的70%的區(qū)域?yàn)檩o助區(qū)域。

具體以18.5 in(1 in=2.54 cm)的顯示器為例，有效發(fā)光總面積為

STotal=409.8 mm×230.4 mm=94 417.92 mm2

(1)

所以30%的區(qū)域面積為

S30%=STotal×30%=28 325.376 mm2

(2)

為了最終確定主導(dǎo)區(qū)域范圍邊界位置，首先，同時(shí)取顯示屏幕的長(zhǎng)(L)和寬(B)的0.55倍得(由于30%本身就是一個(gè)估計(jì)值，所以此處選擇0.55倍使所選取區(qū)域稍大于30%)

L0.55=409.8 mm×0.55=255.39 mm

(3)

B0.55=230.4 mm×0.55=126.72 mm

(4)

因此面積為

S0.55=255.39 mm×126.72 mm=32 363.020 8 mm2

(5)

若將屏幕的左上頂點(diǎn)設(shè)置為原點(diǎn)(0，0)，垂直向下設(shè)置為X軸正方向(表示寬度B)，水平向右設(shè)置為Y軸正方向(表示長(zhǎng)度L)，則根據(jù)數(shù)學(xué)理論可計(jì)算得到“主導(dǎo)區(qū)域”的4個(gè)頂點(diǎn)分別為(B/2-B0.55/2，L/2-L0.55/2)、(B/2-B0.55/2，L/2+L0.55/2)、(B/2+B0.55/2，L/2-L0.55/2)、(B/2+B0.55/2，L/2+L0.55/2)，如圖3所示。

圖3 主導(dǎo)區(qū)域示意圖

1.2 人眼亮度感知的量化

Weber定律表明了心理感知量及物理量之間的特定關(guān)聯(lián)，即感知的差別閾限跟隨原始刺激量的改變而變化，同時(shí)具有一定的規(guī)律特征，故本文選用它作為理論研究基礎(chǔ)。其公式為

ΔΦ/Φ=C

(6)

式中：Φ為原始刺激量；ΔΦ為當(dāng)前差別閾限；C為結(jié)果常數(shù)，又稱為韋伯率，實(shí)驗(yàn)測(cè)定為C=0.017[6-7]。

在側(cè)入式LED背光源中，正是由于兩塊區(qū)域之間的亮度差與其自身亮度的比值超過(guò)了人眼的差別域限，才導(dǎo)致人眼感知到不均勻的現(xiàn)象。據(jù)此可以分析出，只要分別測(cè)得兩區(qū)域的亮度，然后帶入Weber定律計(jì)算公式，即可計(jì)算出當(dāng)前的C值，如果其大于0.017，則說(shuō)明人眼能夠感知這兩區(qū)域間的不均勻現(xiàn)象；反之，則說(shuō)明人眼感知不到這兩區(qū)域間的不均勻現(xiàn)象，可認(rèn)為此處區(qū)域間不存在亮度不均勻現(xiàn)象。

由于光線經(jīng)過(guò)導(dǎo)光板后，每個(gè)像素區(qū)域仍然存在亮度不一致的問(wèn)題，且這種不一致現(xiàn)象并沒(méi)有一定的界限，所以將運(yùn)用多點(diǎn)平均近似的方法，其主要思想是在計(jì)算某一像素的Weber對(duì)比度都選取一定數(shù)量的鄰近像素作為刺激量進(jìn)行計(jì)算，從而使結(jié)果更加符合實(shí)際[8]。

結(jié)合最佳視覺(jué)注意范圍理論分析可知，人們的視覺(jué)注意大多數(shù)都是集中于主導(dǎo)區(qū)域內(nèi)，因而對(duì)該區(qū)域內(nèi)的亮度均勻性要求會(huì)更高些。因此，分別對(duì)主導(dǎo)區(qū)域和輔助區(qū)域采取了不同的多點(diǎn)平均近似方法。

同時(shí)，在獲取C值的過(guò)程當(dāng)中，理論上只有當(dāng)設(shè)置的采樣密度接近甚至等同于人眼對(duì)亮度的實(shí)際分辨率時(shí)，才會(huì)取得準(zhǔn)確的模擬效果。假如設(shè)置的采樣密度太大，會(huì)導(dǎo)致兩點(diǎn)之間的值太過(guò)接近，最后得出的C值將必然小于0.017，無(wú)法分辨出明暗不均的區(qū)域；反之，采樣密度太小，最后得出的C值將必然大于0.017，也無(wú)法反映人眼實(shí)際的感知效果。

(6)

(7)

圖4 “主導(dǎo)區(qū)域”和“輔助區(qū)域”的鄰域選取示意圖

2 判定方法的實(shí)際驗(yàn)證

眾所周知，側(cè)入式LED背光源在亮度均勻性方面存在明顯的缺陷，由于LED光源為朗伯發(fā)光體，所以會(huì)在LED燈附近形成“螢火蟲”狀的亮度不均勻現(xiàn)象，如圖5所示。同時(shí)，對(duì)于單邊側(cè)入式LED背光源來(lái)說(shuō)，在離光源較遠(yuǎn)的邊側(cè)也會(huì)出現(xiàn)一些亮度均勻性不夠的問(wèn)題[9]。所以，本文在Tracepro7.03中建立尺寸為6 cm×6 cm的側(cè)入式LED背光仿真模型，并以“螢火蟲”現(xiàn)象為主要模擬對(duì)象，對(duì)提出的新方法進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證[10-11]。

圖5 側(cè)入式LED背光源的螢火蟲現(xiàn)象

在基本設(shè)置之后，開始設(shè)置最關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)：分辨率和追跡光線條數(shù)。經(jīng)研究測(cè)量得知人眼的實(shí)際分辨角為1.5′，且在研究亮度均勻性時(shí)一般選定500 mm作為觀測(cè)距離，經(jīng)過(guò)計(jì)算，人眼分辨距離為d=500 mm×tan(1.5/60)≈0.218 mm。所以將分辨率設(shè)置為0.218 mm，將追跡光線條數(shù)設(shè)置為5萬(wàn)條。

參數(shù)設(shè)置完后，進(jìn)行了光線追跡仿真，結(jié)果如圖6～7所示。

根據(jù)圖6可以發(fā)現(xiàn)背光源的亮度不均勻現(xiàn)象主要存在于LED燈條附近的螢火蟲區(qū)域及邊側(cè)區(qū)域。為了確定模擬出來(lái)的結(jié)果是否與實(shí)際人眼感知的結(jié)果相吻合，提取出仿真照度圖的亮度信息，在MATLAB中運(yùn)用式(7)進(jìn)行計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的C值，然后將C值矩陣中的每一C值逐一跟0.017進(jìn)行比較，將大于0.017的C值賦值為零，以表示該處不均勻，最后畫出該C值矩陣的二值圖像，如圖8a所示。

觀察圖8a可知，處理結(jié)果圖中LED附近的螢火蟲區(qū)域與照度圖中存在較大差異，且在其他區(qū)域存在許多不均勻現(xiàn)象，故判定相應(yīng)的仿真照度圖并未與人眼的實(shí)際感知相吻合。從而，可以推斷出，當(dāng)前仿真參數(shù)設(shè)置不夠恰當(dāng)。

圖6 追跡光線為5萬(wàn)條的照度圖

圖7 追跡光線為10萬(wàn)條的照度圖

分析原因，對(duì)于分辨率，由于人眼的分辨率在實(shí)際中會(huì)受到各種各樣環(huán)境因素的影響，所以達(dá)不到理論上的0.218 mm，故需下調(diào)分辨率。而降低分辨率的同時(shí)，需要提高追跡光線條數(shù)才能得到較合理的亮度值。另外，對(duì)于由Weber定律分析試驗(yàn)得出的C值閾值是在特定條件下得出的，同樣會(huì)受到不同環(huán)境因素的影響，并導(dǎo)致靈敏度下降，因而有必要適當(dāng)調(diào)整C值閾值。

在多次調(diào)整分辨率及追跡光線條數(shù)并做仿真的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)分辨率調(diào)整為0.5 mm，追跡光線條數(shù)調(diào)整為10萬(wàn)條時(shí)，照度圖如圖7所示。同時(shí)，用相同的方法進(jìn)行MATLAB計(jì)算，結(jié)果如圖8b所示，觀察可知相應(yīng)的仿真照度圖與人眼實(shí)際感知相對(duì)較吻合。因此，圖7圖比左圖更能體現(xiàn)人眼的實(shí)際感知結(jié)果。而事實(shí)上兩圖差異并不大，均可看到明顯的“螢火蟲”現(xiàn)象。所以，僅僅依靠仿真軟件無(wú)法準(zhǔn)確判定模擬結(jié)果與人眼實(shí)際感知的吻合度，需要借助本文中的方法進(jìn)行判定。

另外，觀察圖8b，發(fā)現(xiàn)在主導(dǎo)區(qū)域及其附近仍然存在部分不均勻點(diǎn)，但在實(shí)際，中人眼難以分辨這些不均勻點(diǎn)，因此，仿真結(jié)果與人眼實(shí)際感知仍有較大差別。

圖8 二值圖像(截圖)

如圖9a所示，根據(jù)最佳視覺(jué)注意范圍的確定方法，對(duì)MATLAB結(jié)果圖進(jìn)行了主導(dǎo)區(qū)域的標(biāo)定。通過(guò)多次仿真分析，發(fā)現(xiàn)這些數(shù)量不多的不均勻點(diǎn)是由于計(jì)算方法的精確度不夠?qū)е碌模cTracepro中的參數(shù)設(shè)置沒(méi)有太大聯(lián)系。根據(jù)最佳視覺(jué)理論，由于“主導(dǎo)區(qū)域”內(nèi)的顯示效果對(duì)人眼感知影響較大，所以，在其他條件不變的基礎(chǔ)上對(duì)主導(dǎo)區(qū)域采用更加精確的計(jì)算式(6)進(jìn)行分析計(jì)算。同樣，經(jīng)過(guò)再次仿真，得出結(jié)果如圖9b所示。觀察分析可知，在加入最佳視覺(jué)注意范圍理論之后，更加準(zhǔn)確地判斷了實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果與人眼的實(shí)際感知效果的吻合度。

3 結(jié)論與分析

本文在對(duì)利用Tracepro光學(xué)軟件仿真時(shí)出現(xiàn)的仿真結(jié)果與實(shí)際人眼感知結(jié)果存在一定差異的現(xiàn)象進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，提出了在利用Weber定律進(jìn)行合理量化的過(guò)程中加入基于最佳視覺(jué)注意范圍的分區(qū)計(jì)算判定方法。然后通過(guò)在Tracepro中建立背光模型對(duì)提出的方法進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。根據(jù)最終的模擬仿真結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1)設(shè)計(jì)開發(fā)側(cè)入式LED背光源時(shí)，在仿真過(guò)程中應(yīng)用了Weber定律將人眼實(shí)際感知效果進(jìn)行合理量化，可以提高仿真的準(zhǔn)確性，最終也有助于提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性及實(shí)用性。

2)最佳視覺(jué)注意范圍的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了模擬量化的效果，特別是在主導(dǎo)區(qū)域，能夠更加準(zhǔn)確地判斷設(shè)計(jì)仿真結(jié)果與人眼的實(shí)際感知效果的吻合度。

圖9 分辨率為0.5 mm、光線為10萬(wàn)條的仿真圖像(截圖)

總之，本文提出的將仿真技術(shù)與人眼感知特性相結(jié)合，進(jìn)行背光源均勻性判斷的方法與客觀實(shí)際較為相符，將有利于背光源設(shè)計(jì)得更加合理、高效。

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白王靜(1989— )，碩士生，主研圖像處理及信息顯示技術(shù)；

李福山(19789— )，研究員，博士生導(dǎo)師，主研納米電子材料與器件;

徐 勝(19749— )，助理研究員，主研信息顯示、電路與系統(tǒng)。

責(zé)任編輯：許 盈

Brightness Uniformity Judgement Method of Side Entering Type LED Backlight’s Simulation

BAI Wangjing1, LI Fushan1, LUO Fugen2, XU Sheng1, HUANG Bingle1，3

(1.CollegeofPhysicsandInformationEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350000,China; 2.TPVElectronics(Fujian)Co.,Ltd.,FujianFuqing350301,China; 3.InformationEngineeringDepartment，F(xiàn)ujianChuanzhengCommunicationsCollege，F(xiàn)uzhou350007,China)

When the Side entering type LED backlight is being designed and developed , the optical software Tracepro is often used to simulate the brightness uniformity, and it is always have the phenomenon that there are some differences between the simulation results and the actual results of the human visual perception.Considering this phenomenon, in this paper, a method that human eyes′ best visual scope is regarded as the basis to divide the screen reasonable, then quantitative formulas about the feeling between perception and stimulus from Weber′s law are used to analyze and correct the difference, improving the differences effectively.At the same time, the proposed method are verified on the single side entering type LED backlight whose size is 6 cm×6 cm.The experimental results show that this method is effective to improve the rationality and efficiency of the simulation results and reduce the error between product’s development and the actual effect.

Tracepro; side entering type; Weber′s law; the best visual scope

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA03A301；2013AA030601；2012AA030303)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61101169；61106053；61377027)；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2011J01347；2013J01233)；福建省教育廳A類項(xiàng)目(JA11013；JA13376)

TN27

A

10.16280/j.videoe.2015.07.015

2014-08-25

【本文獻(xiàn)信息】白王靜，李福山，羅福根，等.側(cè)入式LED背光源仿真中亮度均勻性的判定方法[J].電視技術(shù),2015，39(7).