UHD RGBW光學校正方法設計及驗證

趙雅楠 許益禎 肖利軍 高少洪 劉志友 張秀琴

摘 要：RGBW液晶屏中W子像素的加入使得應用于RGB中的光學校正方法無法直接應用于RGBW中，為了實現對UHD RGBW液晶屏的光學校正，文章建立了UHD RGBW光學校正系統，并基于自動補償亮度原理對光學校正系統進行研究。首先，根據UHD RGBW色度等特征參數介紹了光學調試流程。進而，以白色為例分析了典型的測量算法，即在提取RGBW的基礎上進行由RGB轉換為RGBW的光學調試方法。最后，介紹了UHD RGBW的光學校正系統及算法，并在分析比較光學色度的基礎上，說明了采用該光學校正算法的優勢。實驗結果表明：UHD RGBW光學校正在UHD機種上是可行的，能夠滿足測量校正色度的穩定、可靠及精度高等要求。

關鍵詞：UHD；RGBW；光學校正；光學校正算法

中圖分類號：TM923.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0001-05

Abstract： The addition of W subpixel in RGBW liquid crystal screen makes it impossible to apply the optical correction method applied in RGB directly to RGBW. In order to realize the optical correction of UHD RGBW liquid crystal screen， a UHD RGBW optical correction system is established in this paper. Based on the principle of automatic compensation for brightness， the optical correction system is studied. Firstly， the optical debugging process is introduced according to the characteristic parameters of UHD RGBW chromaticity. Furthermore， taking white as an example， the typical measurement algorithm is analyzed， that is， the optical debugging method of transforming RGB into RGBW on the basis of extracting RGBW. Finally， the optical correction system and algorithm of UHD RGBW are introduced. Based on the analysis and comparison of optical chromaticity， the advantages of this optical correction algorithm are explained. The experimental results show that UHD RGBW optical correction is feasible on UHD machines， and it can meet the requirements of stability， reliability and high accuracy of measuring and correcting chromaticity.

Keywords： UHD； RGBW； optical correction； optical correction algorithm

1 概述

LCD顯示屏的RGBW技術在原有RGB三原色像素排布基礎上增加了W子像素，可大幅度提升液晶屏的透光率[1]，從而使其在功耗和畫面亮度方面呈現的優勢受到客戶的青睞[2]。但是，由于屏中W子像素的加入，原有的應用于RGB中的光學校正方法無法直接應用于RGBW技術中[3]。

光學校正技術是以現代光學為基礎，融計算機圖像圖形學、信息處理、光電子學等科學為一體的多學科交叉技術。隨著TV產品的大型且高分辨率化，對TV產品光學調試準確度和檢測正確性的要求也越來越高。光學測量標準逐漸從Gamma=2.2±0.2[4]向Gamma2.2±0.1過渡。并要求其gray level 40到gray level 240范圍內均需滿足光學要求。

因此，對UHD RGBW液晶屏的光學校正技術和方法進行研究，能夠提高其顯示質量，促進UHD RGBW面板的光學校正技術、工藝的提升。

鑒于此，文章對UHD-RGBW光學校正系統進行研究，建立應用于工業產品的UHD（3820×2160分辨率）55或49英 等大尺寸的UHD-RGBW液晶屏的光學校正系統，并提出誤差補正以及光學校正系統算法。通過對工業UHD-RGBW產品進行光學校正，驗證了文章UHD-RGBW光學校正系統計算法的有效性。證明文章所建立的UHD-RGBW光學校正系統能夠應用于的光學調適領域，在保證測量要求的同時達成快速高效、準確、可靠性高、操作簡便等特點。

2 UHD RGBW光學校正系統構成及工作原理

2.1 UHD RGBW光學校正系統的硬件構成

UHD RGBW光學校正系統原理圖如圖1。其主要由光學量測子系統、圖像生成子系統以及計算機等組成。光學量測子系統主要包括色彩分析儀（通常用CA310[5]），用于測量屏上像素點的亮度等參數，并傳遞給計算機；圖像產生子系統由圖形信號產生器等組成，用于向面板傳遞標準測試圖形信號；計算機安裝有光學校正系統的運行軟件以及算法，對光學量測子系統傳遞來的數據進行分析處理。

2.2 UHD RGBW光學校正系統的工作原理

UHD RGBW光學校正系統基本工作原理為：由圖像產生子系統產生標準待測圖形，傳遞給UHD RGBW顯示屏，并由光學量測子系統測量圖像數據傳遞到計算機，再由光學校正軟件進行誤差補正以及光學校正，計算生成Gamma表，反饋給UHD RGBW Panel+ Control Circuit。具體步驟為：

（1）關閉UHD RGBW液晶屏W子像素顯示功能，使

屏的所有輸出設置只開RGB子像素，且由光學量測設備獲取RGBW屏中的RGB光學初始數據進行Gamma2.2校正。

（2）開啟UHD RGBW液晶屏RGBW功能，且輸出RGB

W子像素于屏上。顯示所有的子像素后，會因為打開W子像素造成Gamma亮度偏移，故需要進行光學補正。

（3）使用針對亮度誤差補正以及光學校正系統算法進行RGBW光學校正，以使其顯示精準的光學特性。

由圖2可知，通過光學量測設備獲取待測面板光學檢測圖像進行光學補正以及校正，經上述三個步驟最終可以完成UHD RGBW屏的光學校正。

3 UHD RGBW光學校正系統的關鍵算法

3.1 RGBW圖像的生成

由于信號源中數字信號僅包含有RGB三個色素的信息，若想在RGBW液晶屏上正確顯示圖片信息，需采用RGB-RGBW光學轉換算法將RGB三色素信號轉換為RGBW信號，并配合屏的電子電路控制實體子像素，在RGBW屏幕上正確顯示信號源圖像[6]。

RGB-RGBW光學轉換算法主要有兩種[7]。

第一種由CIE 1931 XYZ表色系統為橋梁，建立RGB色域與RGBW色域關系，其最終Rw，Gw，Bw的簡化算式如式（1）所示。

由于Rw，Gw，Bw的值均介于0～1之間，可以確定W的取值范圍如式（2）所示。

第二種為直接提取亮度分量的方式來確定W的值。如式（3），將源數據R、G、B值減去W（R，G，B）的值即可，示意圖如圖3所示。

3.2 UHD RGBW的光學補償方法

基于上述兩種由RGB產生的RGBW分量，應用于實際光學調試時，首先需關掉W顯示功能，只打開屏上RGB子像素，在此狀態之下進行RGB的光學校正。之后，再將W子像素打開，進一步進行光學校正。

在進行光學校正時需要保證灰階gray level 40～240，RGBW各個子像素均能滿足液晶屏透過率在Gamma=2.4和Gamma=2.0之間，如式（4）所示：

式中：L為液晶屏的亮度，其為灰階水平的函數；G為灰階水平，取為0～255；Gmax為液晶屏的灰階水平最大值，Gmax=255。

文章針對RGB-RGBW常見的光學特性，編寫了相應的圖像分析及測量程序。具體如下：

3.2.1 RGB光學分量

在缺W分量的狀態下，先將RGB的光學參數調整到gamma=2.2。

3.2.2 RGB-RGBW光學分量

將RGB調整到gamma=2.2后，打開W。此時亮度會稍有差異，但是可以參照前一步結果，將RGBW均打開的狀態下的光學參數調整到Gamma=2.2。

3.2.3 補償方式

因RGBW屏多了W分量，所以利用R、G、B各自將之調整到R：Gamma=2.2；G：Gamma=2.2；B：Gamma=2.2，在此調試方式之下，同時可以達到RGBW：Gamma=2.2，此種補償方式可以有效達成亮度標準要求。

3.3 光學校正結果評價算法

針對RGB-RGBW-RGB常見的光學特性，編寫了相應的圖像分析及評價程序。現將指數圖形、誤差率圖形以及對數圖形的測量評價算法描述如下。

3.3.1 指數圖形的測量評價算法

取L=（G/Gmax）γ，依此做圖，指數圖形觀察亮度梯度圖形，并判斷是否滿足校正要求。

3.3.2 誤差率圖形的測量評價算法

取（亮度偏差=透過率-透過率|gamma=2.2）每一點做圖，誤差率圖形觀察高低灰階的細部波形。

3.3.3 對數圖形的測量評價算法

取log（（Gamma（n）/100）， （n/255））做圖，對數圖形觀察gray level 40～240的Gamma 值的一致性。

4 實驗測量與結果

利用上述UHD RGBW光學校正方法對UHD RGBW液晶屏進行光學校正，并對結果進行分析。

4.1 W色校正結果

W色光學校正后，其Gamma曲線與Gamma=2.0、2.2和2.4曲線的亮度偏差分別如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5結果可以看出，雖然當灰階gray level取值0～40和240～255，W色的亮度與要求邊界Gamma = 2.0和2.4較近，但是能夠保證灰階gray level取值40～240時，W色的亮度完全處于Gamma = 2.0和2.4之間，滿足光學校正需求。

光學校正后W色的Gamma對數曲線如圖7所示，由其可看出，僅當灰階gray level取值為0和255附近時，W色的Gamma值偏離2.2較遠，其余情況均能滿足要求。

4.2 R、G、B色校正結果

R、G、B三色的校正結果及相應的Gamma曲線分別如圖7-15所示。

分析圖中結果發現，灰階gray level取值40～240時，R、G、B三色校正后的Gamma值均能滿足光學需求。進一步證明文章建立的UHD RGBW光學校正系統在UHD RGBW機種上的可行性，能夠滿足測量校正色度的穩定、可靠及精度高等要求。

5 結束語

文章根據現代工業要求，提出了UHD RGBW光學校正系統及方法，并介紹了做圖原理以及光學標準。然后基于自動補償亮度原理對光學校正系統進行研究，研究了典型光學做圖算法以及基于光學標準所需要到達的目標。最后，介紹了UHD RGBW的光學校正系統及算法。結果證明：文章提出的UHD RGBW光學校正系統及方法于gray level 40～240基本滿足了光學校正的要求，并具有測量校正色度穩定、可靠、精度高等特點。

參考文獻：

[1]胡鵬，齊琪，陳仁偉.RGB與RGBW顯示技術的比對驗證分析及4K標準化建議[J].電視技術，2017，41（Z3）：145-149.

[2]程琰.多基色顯示設備再現一些關鍵問題的研究[D].浙江大學，2008.

[3]姚洪濤，范煒.一種改進的RGB到RGBW信號的映射算法[J].長春理工大學學報（自然科學版），2018，41（01）：119-122+126.

[4]戴亞翔.TFT-LCD面板的驅動與設計[M].2006，4.

[5]Konica Minolta.顯示器色彩分析儀CA-310使用說明書[Z].

[6]蘇治平，陳宇，郭春威，等.多基色白光LED的配色研究[J].半導體光電，2013，34（06）：971-974.

[7]馮俊，嚴利民，陳靜.一種RGB到RGBW的色域轉換優化算法[J].光電子技術，2015，35（02）：135-139+143.