LED顯示屏燈點定位排序法及應用

徐子程， 郭貴新， 鄭喜鳳,2,3*， 周 洋

(1. 長春希達電子技術有限公司，吉林 長春 130103；2. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；3. 季華實驗室，廣東 佛山 528200)

1 引 言

LED(Light Emitted Diode)顯示屏由于其尺寸靈活、亮度高、壽命長、視角大等優點，在展會、商場、影院、地鐵、演播室、醫院等場所被廣泛地應用[1-4]。但由于LED經過長期使用后發光元件和驅動元件老化[5]、模塊和箱體存在安裝誤差等因素，會對亮色度均勻性造成影響[6]，所以需要對顯示屏進行校正處理[7]。而校正過程中圖像上燈點定位排序的精度將直接影響最終校正的效果。

傳統的亮色度檢測方法同一時間只能檢測一個點，對于LED顯示器百萬級像素點檢測來說效率低下[8]。而采用CCD(Charge Coupled Device)面陣檢測器單次測量的像素點數量很大，在相同時間內，檢測效率大幅提高[9]。LED顯示屏內部的燈點分布存在一定的規律性，但是通過相機拍攝出來的圖像由于畸變、圖像傾斜等原因并不能保證圖像中燈點嚴格按照理想的棋盤格形狀分布。而且在LED顯示屏中會出現某些燈珠不能點亮，即死燈的情況，給燈點的定位造成極大的干擾。針對這種情況國內外相關學者通過對二值圖像進行水平和垂直投影，確定燈點位置[10-11]。

本文利用機器視覺檢測技術來測量LED顯示屏亮度[12-13]，通過對圖像中所有燈點的4個角點進行預定位、對4條邊界點按照直線方程歸類排序、對死燈位置自動補點、反饋角點和邊界點死燈處的理論坐標、對所有直線進行歸類排序完成顯示屏所有燈點的定位排序。在提高了亮度采集效率的同時，補充了死燈位置的坐標，為生成系數矩陣及亮色度校正提供了更精確的燈點坐標。

2 LED燈點中心坐標提取

LED亮度校正的前提是找到圖像上的燈點與顯示屏燈點之間位置的一一對應關系，所以在校正前要確定圖像中各個燈點的中心坐標，然后將所有坐標按照實際顯示屏的燈點排列順序進行坐標重排。

在確定燈點的具體位置之前，先要對采集到的圖像進行灰度分布統計，在所獲取的感光圖像中，由于燈點一般由矩陣的方式排列，且燈點區域與背景區域的灰度值存在明顯的差異，有時還會產生環繞光的現象[14]。因此需對圖像進行二值化處理[15-16]。首先將拍攝圖像轉化為灰度圖像，在灰度圖像中的非圖像點區域提取部分像素灰度值的平均值。然后以二倍非圖像點區域灰度值的平均值為閾值，將灰度圖像中小于閾值的像素灰度值賦值為0，大于閾值的像素灰度值賦值為1。由于燈點位置像素灰度值較高，高于閾值的點分布密集且分布形狀趨近于圓形，所以將灰度值高于閾值且密度較高的區域取該區域的中心為燈點坐標，完成燈點中心坐標的提取。

3 LED燈點定位排序

由于拍攝過程中存在圖像坐標系與像素坐標系的坐標軸線不能保證平行的情況，在燈點較多、傾斜角度較大的情況下，會出現坐標排序錯誤。因此本文針對由圖像傾斜導致排序混亂的問題給出了一種LED燈點精準排序的算法(本文僅校正由于相機和LED顯示屏沒有對準導致圖像在一定范圍內傾斜的情況，如果傾斜非常嚴重可能出現校正失敗，此時則需要調整相機重新獲取圖片)。

因為圖像中所有燈點的坐標由于鏡頭畸變、相機傾斜、定位誤差等因素并不是嚴格按照規律排列的，但總體排列形狀趨向于棋盤格點型分布，因此本文的定位排序算法總體思路為先確定4個角點坐標，再根據斜率分別將所有點歸類到各條直線上并排序。

3.1 角點坐標預定位

在以圖像左上角為坐標原點的像素坐標系下，無論是鏡頭畸變、相機傾斜還是其他因素導致拍攝圖像的LED燈點不能嚴格按照規律排列，其拍攝所得圖像的左上角和右下角頂點分別為到坐標原點的最近點和最遠點(圖1(a)，1(b))。但是經過大量實驗發現，如果位于4個角點的LED燈珠出現死燈的情況，則無法完成角點定位。因此本文在定位排序的基礎上將死燈所在位置按照周圍點坐標排列規律進行了自動補點。

首先設原點坐標為O(0,0)，坐標軸橫向為X軸，向右為正方向；縱向為Y軸，向下為正方向，計算所有點坐標到坐標原點之間的距離，并取極小值所在點設為XiYi，極大值所在點設為XaYa分別作為圖像左上角和右下角的定位點。然后找出所有點中最大的Y值設為Ymax，找出所有點中Y值小于Ymax-3l的點(l為兩個連續點之間的理想距離)，如圖2(a)所示。將圖2(a)中框選的點按照X從小到大排列并選取框內X值與最小X值的絕對值小于l/2的點，篩選結果如圖2(b)所示。最后再從小框中選取Y值最大的點即為左下角頂點，并將此點設為XiYa。

同理可證，找出所有點中最大的X值設為Xmax，并找出所有點中X值小于Xmax-3l的點，如圖3(a)所示。將圖3(a)中框選的點按照Y從小到大排列并選取框內Y值與最小Y值的絕對值小于l/2的點，篩選結果如圖3(b)所示。最后再從小框中選取X值最大的點即為右上角頂點，并將此點設為XaYi，至此通過二向排序，完成另外兩個角點的定位。

以上是在4個角的頂點不是死燈的情況下進行的初步定位，如果在4個角點處出現死燈則需進一步進行補點并重新定位。

首先將初步定位的4個角點相鄰之間兩兩連線，得到4條直線并分別設為D1、D2、D3、D4(圖4)，得出理論上圖像點最外圍4條邊的直線方程的參數。

k1=(yXaYi-yXiYi)/(xXaYi-xXiYi)，

(1)

b1=yXaYi-k1xXaYi，

(2)

k2=(yXaYa-yXiYa)/(xXaYa-xXiYa)，

(3)

b2=yXaYa-k2xXaYa，

(4)

k3=(yXiYa-yXiYi)/(xXiYa-xXiYi)，

(5)

b3=yXiYa-k3xXiYa，

(6)

k4=(yXaYa-yXiYa)/(xXaYa-xXiYa)，

(7)

b4=yXaYa-k4xXaYa.

(8)

圖4 無死燈情況下定位4條直線Fig.4 Positioning four straight lines without dead lights

然后根據公式(9)分別計算所有點到4條直線之間的距離：

(9)

當xXaYi=xXiYi，或xXaYa=xXiYa時，k值不存在，所以此時用公式(10)和(11)計算點到直線之間的距離：

d=|xXiYi-x|，

(10)

d=|xXaYa-x|，

(11)

將點到直線距離小于l/2的點分別歸類到4條邊線上，然后將屬于D1、D2兩條邊的點按照X值從小到大排列，將屬于D3、D4兩條邊的點按照Y值從小到大排列，完成線性歸類排序，并得出每條邊上點的數量m1、m2、m3、m4。

由于圖像點行列數已知，并設為p行q列，且每條直線所屬點個數也可以通過計算獲得，所以通過對比圖像點真實行列數與計算行列數是否相等可知角點處是否為死燈。但實際情況中4條邊界線上也有可能出現死燈的情況，所以我們先計算邊線上的死燈個數。

則有：

Bi=Ami-Ami-1，

(12)

設B1、B2中第二列有n1、n2個大于1.7l的值，B3、B4中第一列有n3、n4個大于1.7l的值，即n1、n2、n3、n4代表每條邊界線上死燈的個數(不包括頂點)。

由于左上角頂點和右下角頂點是按照頂點到原點距離確定的，如果出現死燈則會分別出現兩種情況；而左下角和右上角的點是通過邊界排序計算的，所以只會出現一種情況(圖5)。

以圖5(a)為例，左上角頂點為死燈，且第二行第一列為到原點最近的點，此時直線D3上的點個數m3加上死燈個數n3加上一個頂點死燈等于圖像點總行數p，直線D2上的點個數m2加上死燈個數n2等于圖像點總列數q，直線D4上的點個數m4加上死燈個數n4等于圖像點總行數p。如果滿足公式(13)則可以確定左上角頂點為死燈，此時為了后續的定位，需要在頂點處按照點間距和排列順序補充一個點坐標。

(13)

同理可算出其余5種頂點死燈的坐標，完成角點坐標的定位。

3.2 燈點排序

角點坐標定位完成后，按照公式(3)、(4)、(7)、(8)可以計算出D3、D4兩條直線方程，再按照公式(9)設立閾值將屬于直線附近的點歸類到直線上并按照X值大小分別對兩條直線排序，若直線中出現死燈則按照規律自動補點。此時獲得兩個p行兩列的坐標矩陣E1、E2。其中，

雖然像素點總體排列接近棋盤格分布，但經過實驗發現如果按照某一行的斜率分別賦予每一行，再根據點間距確定直線方程中的參數b這種方法計算所有行的直線方程，結果會出現誤差，所以需要分別對每一行單獨計算直線方程。矩陣E1，E2中每一行的點是相對應的，所以根據公式(14)、(15)可以計算出p個直線方程。

ki=(yiq-yi1)/(xiq-xi1),(i=1…p)，

(14)

bi=yiq-ki·xiq,(i=1…p)，

(15)

然后根據公式(16)分別計算所有點到每條直線之間的距離：

1109 Herpes simplex virus typeⅠinduces β-amyloid expression in human neuroblastoma cell lines SH-SY5Y

(16)

如果出現斜率不存在的情況則有：

di=|xi1-x|，

(17)

至此將所有點分別歸屬到每條橫向直線上，再將每條直線上的點按照Y值從小到大排列即完成所有點的正確排序。

4 亮度校正

4.1 計算校正系數矩陣

LED顯示屏的每個像素點是由紅、綠、藍3種顏色的發光二極管組成的，所以需要對每一種顏色的發光二極管進行校正。常見的方法中將亮度最低值作為目標值會導致顯示屏校正以后亮度降低嚴重，影響觀看效果。為了獲得校正的系數矩陣，本文首先需要獲取燈點的亮度值。具體方法為：將顯示屏分別顯示紅、綠、藍3種顏色，并將亮度調節至最大，方便CCD相機采集顯示屏圖像。對燈點的亮度值提取采用亮度值積分法，即統計燈點的方框內所有像素點值之和，然后將所有燈點的亮度值相加求平均數，將亮度值的平均數乘以0.85得到的亮度作為校正亮度的目標值。確定目標值以后讓所有燈點亮度通過一個變換矩陣變為這個目標值以達到亮度一致的目的。最后將目標亮度值與所有燈點的亮度值相除得出系數矩陣：

(18)

4.2 檢測亮度均勻性

亮度均勻性的計算過程如下：

(1)在最高灰度級、最高亮度級下顯示白場。

(3)用公式(19)計算各點亮度均勻性Pi。

(19)

式中i為0～8中任意一點。

(4)取(3)中最小值來表示LED顯示屏的亮度均勻性Lp。

圖6 亮度均勻性測量點示意圖Fig.6 Schematic diagram of brightness uniformity measurement points

5 實驗結果與分析

為了驗證本文提出算法的有效性，本文進行了一系列實驗。實驗選用尺寸為320×180的矩形LED顯示屏進行檢測，計算出了所有LED燈點的位置信息，并根據目標亮度值計算出系數矩陣，對顯示屏進行亮度均勻性校正，校正前后顯示屏的白場顯示效果如圖7所示，其中(a)為校正前顯示效果，(b)為校正后顯示效果。

圖7 校正前(a)和校正后(b)顯示屏白場顯示效果對比圖Fig.7 Comparison chart of the white field display effect of the screen before (a) and after (b) calibration

對比圖7(a)和圖7(b)，可以看出校正前顯示屏存在亮度不一致的塊狀區域，經過校正后亮度趨于一致。最終經過亮度檢測和計算可以得出校正前白場燈點亮度均勻性約為73.7%，而經過校正后白場燈點亮度均勻性約為98.7%。校正前后顯示屏為白場和紅、綠、藍3種基色時測試點亮度值以及亮度均勻性結果如表1、表2所示。

表1 校正前亮度值與亮度均勻性Tab.1 Brightness value and brightness uniformity before correction

表2 校正后亮度值與亮度均勻性Tab.2 Brightness value and brightness uniformity after correction

6 結 論

本文針對LED顯示屏校正過程中相機拍攝的圖像存在一定程度的傾斜問題，提出了燈點定位排序的算法。通過二向排序和歸類排序的方法完成了燈點坐標的預定位，然后根據差值檢測和周圍點坐標對死燈位置進行了補足。最后根據燈點的定位排序對LED顯示屏進行了亮度校正實驗，校正前后顯示屏白場的亮度均勻性由73.7%提高至98.7%，達到人眼可接受的范圍內，且亮度在可接受的范圍內，從而驗證了本文提出的燈點定位排序法的準確性。