LED顯示屏相機采集的漸暈校正

田志輝， 苗　靜， 毛新越1,， 程宏斌1,

(1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所， 吉林 長春　130033;2. 長春希達電子技術有限公司， 吉林 長春　130103)

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LED顯示屏相機采集的漸暈校正

田志輝1,2*， 苗靜2， 毛新越1,2， 程宏斌1,2

(1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所， 吉林 長春130033;2. 長春希達電子技術有限公司， 吉林 長春130103)

為了克服采集相機漸暈在LED顯示屏逐點一致化校正過程中產生的亮度不均勻缺陷，提出了一種基于LED顯示屏本身和若干屏幕離散位置亮度測量的采集相機漸暈校正方法。首先分析了相機對LED顯示屏進行數據成像采集過程及成像特征，在此基礎上，提出了采集相機漸暈的標定方法，得到了代表相機漸暈的擬合曲面，從而計算出采集相機上每一像素點的漸暈修正系數。利用上述方法對LED顯示屏進行了單箱亮度校正實驗。實驗結果表明：單箱校正的顯示均勻性從漸暈修正前的6.69%縮小到修正后的1.49%。經過對相機影像漸暈修正以后，可以完全消除修正前的亮度曲面分布，從而克服了修正前LED顯示屏中心暗、四周亮的缺陷，達到了理想的多屏拼接校正效果。

LED顯示屏； 漸暈修正； 圖像均勻度； 曲面擬合

1　引　　言

LED顯示屏作為多媒體設施的顯示終端，被普遍用于高質量的大屏幕圖像顯示。其中，顯示均勻性是衡量LED顯示屏顯示質量好壞的一個重要指標[1-6]。LED發光芯片亮度、色度等特性的離散性，決定了LED顯示屏在顯示均勻方面具有先天的缺陷，主要表現為“麻點”和“馬賽克”現象。

面陣相機是一種基于CCD/CMOS圖像傳感器的圖像采集設備，與人眼構造很相似，現在越來越多地被用在LED顯示屏的測量領域中，它能快速地測量出LED顯示屏每個燈點的亮度、空間位置等信息[7-10]。直接利用面陣相機對顯示屏進行一致化校正，雖然可以消除“麻點”和“馬賽克”等離散缺陷，但在顯示均勻性方面都表現出一種“中心暗、四周亮”的缺陷，差異有時甚至比校正前還要大，這種差異是相機成像時發生漸暈造成的[11-13]。隨著顯示密度的不斷提高，通常需要對屏幕多區域分別校正后拼接，因此必須要對相機漸暈進行校正。文獻[14]和[15]給出了兩種漸暈修正方法，但前者需要復雜的標準亮度均勻白場積分裝置，不但結構復雜，而且無法實現與顯示屏校正采集完全相同的位置對應關系；后者通過圖像濾波，只能消除亮度的高頻差異，中、低頻部分無法去除[16]。而經過分析可知，漸暈主要表現在圖像的低頻部分。

本文介紹了一種利用LED顯示屏本身和亮度計測量的采集相機漸暈修正方法。并在LED顯示屏逐點一致化校正技術中得以驗證，取得了理想的效果。

2　漸暈修正

2.1LED顯示屏校正漸暈理論分析

光學系統限制軸上物點成像光束寬度、并有選擇軸外物點成像光束位置作用的光闌叫做孔徑光闌，孔徑光闌經其前面光學系統所成的像叫做入瞳。充滿入瞳的軸上光束全部能通過系統進行成像，但是部分軸外光束會因為光闌的遮擋而無法通過光學系統成像，會使像面邊緣光照度有所下降，這種軸外光束被部分攔掉的現象就稱為軸外點的漸暈。漸暈會導致圖像的邊緣亮度下降。

圖1所示為LED顯示屏的相機采集示意圖。采集時，相機與LED顯示屏中心對準，LED顯示屏上某像素一點與采集相機入瞳中心的夾角(物方視場角)為ω。按照幾何光學理論，理想光學系統對標準目標(亮度均勻)成像時，系統的漸暈可近似表示為：

(1)

圖1　相機采集系統原理圖

在LED顯示屏一致化校正中，不考慮噪聲影響時，采集相機像面上得到的像素相對亮度比C近似表示為：

(2)

其中，L(0,0)表示采集相機0°視角對應的屏幕像素在垂直屏幕方向的光亮度，L(ω,ω)表示采集相機ω物方視角對應的屏幕像素在與屏幕夾角為ω方向上的光亮度。

(3)

即:

(4)

2.2相機漸暈標定

相機漸暈標定的基本思路是：認為經過逐點一致化校正但未經漸暈修正的LED顯示屏已經修正了各發光芯片亮度、色度的離散性(“麻點”和“馬賽克”現象)，此時，屏幕上的空間中、高頻不均勻現象已經得到了修正，殘留在屏幕上的只有由于相機的漸暈所引入的新的低頻不均勻現象。接下來，利用亮度計測量屏幕上少量離散點的亮度值，經過低階曲面擬合，即可得到采集相機所引入的漸暈情況。

主要步驟為：

(1)調節采集相機與LED顯示屏的相對位置，使相機的中心視場與顯示屏的幾何中心對準；

(2)采集顯示屏上各像素點的亮度信息，把各像素值的位置信息和亮度信息表征為一幅新的圖像，作為逐點一致化校正的依據，計算得到校正系數矩陣，反饋到控制系統，得到消除“麻點”和“馬賽克”缺陷的顯示圖像；

(3)在經過第一次校正的顯示屏上，選取若干離散位置的區域，用亮度計測量其正出射方向的亮度值，這些數值經過“取倒數”、歸一化處理，曲面擬合得到相機漸暈分布。考慮到光學鏡頭的像差特性，這里可以采用切比雪夫數列作為離散位置的選取依據以降低采集點的數量[17]。

2.3漸暈校正

漸暈校正的基本思路是：消除標定過程得到的漸暈曲面誤差，并將結果作用于LED像素點上，結合逐點采集得到的離散分布矩陣，實現最終的一致化校正。

主要步驟為：

將通過漸暈標定得到的漸暈分布曲面作為修正曲面；修正曲面矩陣與通過相機直接采集、未考慮漸暈影響計算出的校正系數矩陣做矩陣元素乘法，得到綜合發光芯片離散性與采集相機漸暈的最終校正系數矩陣，利用最終校正系數矩陣即可達到屏幕的最終校正。

3　實驗驗證

3.1單箱校正驗證實驗

實驗選取256×256個像素點的高密度集成三合一式LED顯示屏箱體，像素點間距為1.875mm。首先進行亮度差異化校正，消除點和點之間的亮度差異。這時按照圖2中所示的區域劃分依次測量每塊區域的白場亮度值。測量儀器使用美國PhotoResearch公司的彩色亮度計pr655，該亮度計經過鑒定，亮度誤差<1%。測量方法按照行業標準SJ/T11281-2007中4.21規定的方法進行。這時每個區域的亮度差異就是相機漸暈所帶來的。

圖2　測量區域劃分圖

測量數據記錄如表1所示。

表1　各區域亮度數據

亮度分布如圖3所示。由于相機漸暈的影響導致相機采集的數據邊緣較中心要低，因此在計算每個LED點的硬件校正系數時會導致四周系數高、中間系數低，下載硬件校正系數后造成屏幕四周亮、中間暗。可以看到，用亮度計測量的各區域亮度存在大約10%的最大亮度差異，因為亮度是漸變的，從中間區域向四周逐漸增大，因此人眼觀看不到階躍的亮度跳度變化。但是當多個箱體拼接大面積顯示屏時，就會發現各個箱體之間的亮度不連續性，影響顯示效果。

圖3　曲面修正前的區域亮度分布

Fig.3Luminancedistributionofeachareabeforesurfacemodification

3.2漸暈校正及數據分析

將測量數據經過歸一化處理，得到一個8×8的二維矩陣Mij。通過這64個樣本點使用最小二乘曲面擬合方法[18]，擬合得到256×256個點的漸暈曲面F(x,y)，并且求得此時曲面上的最小值點Fmin，這時就可以根據坐標點(x,y)及曲面函數F(x,y)求得各個像素點的修正系數G(x,y)：

(5)

其中：(x,y)表示各像素點橫縱坐標。

該修正系數G(x,y)和之前未經漸暈修正的校正系數相乘得到最終校正系數矩陣C[i,j]，(i,j=0～255)，得到最終的顯示屏的校正系數。

使用該方法修正相機漸暈后再次下載亮度系數C[i,j]，并重新測量以上8×8個區域的亮度值，得到的亮度分布圖如圖4所示。

可以看到，對相機漸暈進行修正后，克服了LED顯示屏四周亮、中心暗的缺點，從而解決了多個箱體之間拼接處的過渡問題，大大提高了顯示效果。依據行業標準SJ/T11281-2007中4.2.7.2

圖4　曲面修正后的區域亮度分布

Fig.4Luminancedistributionofeachareaaftersurfacemodification

模塊均勻性的測試方法，對修正前后的顯示屏均勻性做出定量的比較。修正前的均勻性為6.96%，修正后的均勻性為1.49%。

均勻性IJ由以下公式計算：

(6)

(7)

4　結　　論

從LED顯示屏采集相機的成像特點出發，提出了一種只利用LED顯示屏和亮度計的采集相機漸暈校正方法。利用該方法對高密度集成三合一式LED顯示屏進行了單箱亮度校正的驗證實驗。實驗結果表明：經過對相機影像漸暈修正以后，單箱校正的顯示均勻性從修正前的6.69%縮小到1.49%，從而克服了修正前LED顯示屏中心暗、四周亮的缺陷，證明了該方法的有效性。

由于在LED顯示屏單箱校正時被校正屏幕和采集相機的位置相對保持不變，因此，在進行大批量校正時，上述方法只需標定一次即可，從而可大幅度提高生產效率。方法的有效性在LED顯示屏亮度校正中得到了驗證，同時，該方法對顯示屏的色度校正也同樣適用。

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田志輝(1981-)，男，吉林長春人，博士，副研究員，2009年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事發光學應用方面的研究。

E-mail:tian-zhi-hui@163.com

Calibration of Camera Vignettingsurface on LED Displayscreen

TIAN Zhi-hui1,2*, MIAO Jing2, MAO Xin-yue1,2, CHENG Hong-bin1,2

(1.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China;2. Changchun Cedar Electronics Technology Co., Ltd., Changchun 130103, China)

, E-mail: tian-zhi-hui@163.com

Inordertoovercomethenon-uniformitydefectsofimagevignettingcapturedbycameraindot-to-dotcorrectiononLEDdisplayscreen,avignettingcorrectionmethodbasedonLEDdisplayscreenanddiscretepositionluminancemeasurementwasputforward.First,theprocessofcameraimageacquisitionandimagingfeaturesofLEDdisplaywereanalyzed.Fromthis,acorrectionmethodofcameravignettingwasproposed,afittingsurfaceofcameravignettingwasobtained.Then,avignettingcorrectionfactormatrixcorrespondingpixelsoncamerasensorwascalculated.Usingtheabovemethod,anexperimentofsingle-boxluminancecorrectionofLEDdisplayscreenwasconducted.ExperimentalresultsindicatethattheuniformitydeviationofLEDdisplayscreencanbenarrowedfrom6.69%to1.49%afterimagevignettingfactorcalibration.Aftercorrectionofcameraimagevignetting,non-uniformitysurfacedistributioncanbecompletelyeliminated.Therefore,the“center-dark,surround-bright”defectonLEDdisplayscreenisovercome,andthedesiredcorrectioneffectformulti-screensstitchingdisplayisachieved.

LEDdisplayscreen;vignettingcalibration;imageuniformity;surfacefitting

1000-7032(2016)08-1008-06

2016-04-22；

2016-06-20

國家科技支撐支持計劃(2009BAE73B01)資助項目

TN27

A< class="emphasis_italic">DOI

: 10.3788/fgxb20163708.1008