全彩Mini-LED商業(yè)大屏顯示的彩色管理

薛治天， 呂國(guó)強(qiáng)， 杜 剛

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009；2. 合肥工業(yè)大學(xué) 特種顯示技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 現(xiàn)代顯示技術(shù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 光電技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；3. 合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

自20世紀(jì)末起，顯示領(lǐng)域主要通過(guò)電腦和家用電視進(jìn)行表達(dá)。直到2000年后，隨著科技的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，顯示行業(yè)也隨之得到了快速的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也從個(gè)人走向公眾，商業(yè)顯示也逐步成為一個(gè)獨(dú)立的行業(yè)[1]。

如今的商業(yè)大屏顯示方式主要表達(dá)形式分為3種：數(shù)字光處理顯示(Digital Light Processing，DLP)、液晶顯示(Liquid Crystal Display，LCD)和發(fā)光二極管顯示(Light Emitting Diode，LED)[2]。這3種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：DLP顯示在3種方式中光效最低，成像質(zhì)量、分辨率等方面都表現(xiàn)得十分中庸，在價(jià)格方面也沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，所以目前的商業(yè)顯示解決方案基本采用LCD顯示或LED顯示[3]；LCD顯示在分辨率、產(chǎn)生熱量和維護(hù)成本等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，但其顯示時(shí)受環(huán)境光影響較大且拼接縫隙明顯，這些特點(diǎn)使LCD顯示在室內(nèi)顯示等對(duì)亮度要求不高的環(huán)境下頗受歡迎，所以LCD顯示成為了室內(nèi)商業(yè)顯示的中流砥柱； LED顯示由于發(fā)光原理和構(gòu)造的不同，在實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫拼接的同時(shí)又具有較好的顏色表達(dá)能力，且LED反應(yīng)速度快，無(wú)重影、拖影等問(wèn)題。近年來(lái)隨著Mini-LED技術(shù)的日益成熟，高分辨率LED商顯獲得盛贊，但較高的成本限制了其普及化應(yīng)用[4]。

組成一個(gè)商業(yè)顯示屏需要用不同批次、相同檔次的Mini-LED進(jìn)行混燈，這個(gè)過(guò)程是昂貴而且耗時(shí)的，由其組成的Mini-LED顯示屏仍可觀測(cè)到較為明顯的色差，造成這個(gè)問(wèn)題的根本原因在于Mini-LED燈的生產(chǎn)工藝限制了其顏色還原能力[5]。顯示屏的分辨率越高意味著進(jìn)行混燈的Mini-LED燈珠數(shù)目越多，色差現(xiàn)象也越明顯。解決了Mini-LED間的色差問(wèn)題，使其混燈的條件不再像如今這樣嚴(yán)苛，價(jià)格昂貴的問(wèn)題也隨之解決。

本文針對(duì)Mini-LED顯示中存在的色差現(xiàn)象，提出了一種基于ICC色彩特性文件，通過(guò)對(duì)Mini-LED商業(yè)顯示屏模塊之間的色域關(guān)系判斷其目標(biāo)色域，利用查找表(Look-up Table，LUT)與四面體插值運(yùn)算的方式分別對(duì)每塊拼接屏的色域進(jìn)行映射，實(shí)現(xiàn)了色差矯正。其中針對(duì)Mini-LED商業(yè)顯示屏在低灰階部分較高灰階部分色差更為明顯的現(xiàn)象，通過(guò)利用不同的查找表密度改善了映射精度、映射時(shí)間與資源消耗之間的平衡[6]。

2 目標(biāo)色域的選取

Mini-LED商業(yè)顯示屏由數(shù)十個(gè)模組拼接而成，每個(gè)模組約由10個(gè)小拼接屏模塊構(gòu)成。每個(gè)模塊由于其面積較小，燈珠數(shù)目較少所以采用合適的燈珠分選容易做到，在顯示時(shí)無(wú)明顯色差，但組成Mini-LED商業(yè)顯示屏需要大量相同檔次的模塊，模塊間的色差現(xiàn)象難以避免。為此，針對(duì)一系列模塊如何選取一個(gè)合適的目標(biāo)色域進(jìn)行映射就顯得尤為重要。

2.1 色域關(guān)系

任意兩個(gè)色域之間的關(guān)系可以分為3類：如圖1所示，完全重疊、完全不重疊和不完全重疊。

圖1 色域關(guān)系Fig.1 Color gamut relation

對(duì)于完全重疊的色域，可以將大色域的顏色映射到小色域中完成顏色的復(fù)現(xiàn)；對(duì)于完全不重疊的色域，無(wú)法實(shí)現(xiàn)顏色的映射；對(duì)于不完全重疊的色域，可以將兩個(gè)色域的顏色各自映射到公共區(qū)域或靠近某一標(biāo)準(zhǔn)色域[7]。

2.2 目標(biāo)色域

通過(guò)對(duì)某個(gè)由36個(gè)模組，共計(jì)360個(gè)模塊組成的Mini-LED商業(yè)顯示屏的測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其色域關(guān)系只存在完全重疊和不完全重疊兩種情況且色域間極為靠近，如圖2與圖3所示。

圖2 完全重疊的色域關(guān)系Fig.2 Completely overlapping gamut relations

圖3 不完全重疊的色域關(guān)系Fig.3 Color gamut relation of incomplete overlap

圖2為隨機(jī)挑選視覺(jué)觀測(cè)條件下無(wú)色差現(xiàn)象的3個(gè)模塊，分別用紅色、綠色和藍(lán)色輪廓描繪其3D色域圖，可以看出其色域關(guān)系為完全重疊；圖3選取了存在較為明顯色差的3個(gè)模塊，采用相同的方式比較其色域，可以看出其色域關(guān)系為不完全重疊，結(jié)果表明全部Mini-LED顯示模塊色域都極為接近但仍有差異。所以選擇其色域最小的一個(gè)模塊作為映射的目標(biāo)色域即可，將其他模塊的顏色映射到該目標(biāo)色域中，對(duì)于Mini-LED顯示的顏色損失和最大亮度損失都在可接受范圍內(nèi)。

3 插值運(yùn)算

色域映射最主要的運(yùn)算是插值運(yùn)算，對(duì)于插值結(jié)點(diǎn)查找表中不包含的像素通道值，利用插值公式計(jì)算得到的結(jié)果近似替代。

3.1 幾種不同的插值運(yùn)算

色域映射過(guò)程中有4種較為常用的插值運(yùn)算，分別是四面體插值運(yùn)算、錐體插值運(yùn)算、棱柱體插值運(yùn)算和立方體插值運(yùn)算[8-11]。

上述幾種插值運(yùn)算的原理：當(dāng)某像素點(diǎn)的像素值不是查找表中已存在的數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)對(duì)該像素值臨近的幾個(gè)查找表中的像素值加權(quán)運(yùn)算，從而得到該點(diǎn)的像素值。

3.2 插值運(yùn)算對(duì)比

對(duì)于4種不同的插值運(yùn)算，其對(duì)空間的分割、計(jì)算出目標(biāo)像素值所需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)和在每次運(yùn)算過(guò)程中的加法、乘法的次數(shù)決定了每完成一次映射所需要的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)精度以及運(yùn)算時(shí)間都有所不同[12]，如表1所示。4種插值運(yùn)算中四面體插值運(yùn)算較其他方法運(yùn)算量最小，資源消耗最少。

表1 4種插值運(yùn)算對(duì)比Tab.1 Comparison of four interpolation algorithms

4 色彩管理與查找表優(yōu)化

4.1 色彩管理

ICC色彩特性文件(ICC Profile)是一組數(shù)據(jù)集，被廣泛應(yīng)用于色彩管理，其目的是實(shí)現(xiàn)在不同的設(shè)備間顏色保持一致，通過(guò)定義色彩空間相對(duì)于特性文件相關(guān)空間(Profile Connection Space，PCS)，通常是CIELAB(L*a*b*)或者(CIEXYZ)之間應(yīng)如何進(jìn)行色彩轉(zhuǎn)換的方式來(lái)工作[13]。色彩轉(zhuǎn)換通過(guò)查找表的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，未被存儲(chǔ)的像素值則通過(guò)插值運(yùn)算得到[14]。

4.2 創(chuàng)建查找表

本文通過(guò)愛(ài)色麗i1 display pro儀器對(duì)顯示器進(jìn)行測(cè)量，得到每塊拼接屏的ICC特性文件，通過(guò)仿真對(duì)特性文件中的標(biāo)簽數(shù)據(jù)提取分析，利用插值運(yùn)算得到源色域和目標(biāo)色域間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立查找表[15]。

4.3 查找表優(yōu)化

分別用33×33×33、17×17×17和9×9×9三種大小的查找表完成相同的插值運(yùn)算，并將三次映射結(jié)果相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)顯示器三通道顏色中紅色表現(xiàn)良好，映射前在顯示純紅色場(chǎng)圖片時(shí)均觀測(cè)不到色差現(xiàn)象，映射后純紅色場(chǎng)圖片顏色仍非常均勻且映射前后像素通道值無(wú)變化；在顯示純綠色場(chǎng)圖片時(shí)可觀測(cè)到輕微的色差現(xiàn)象，映射后純綠色場(chǎng)圖片顏色較為均勻，觀測(cè)不到色差現(xiàn)象，映射前后綠色通道值變化較?。辉陲@示純藍(lán)色場(chǎng)圖片時(shí)色差現(xiàn)象最為明顯，映射后純藍(lán)色場(chǎng)圖片顏色均勻性有明顯提升，絕大多數(shù)模塊間不存在色差現(xiàn)象，仍有極少數(shù)模塊存在微小色差。

對(duì)于33×33×33和17×17×17兩種大小的查找表而言，映射后精度即通過(guò)查找表插值后的結(jié)果基本無(wú)差異，如表2和表3所示。

表2 33×33×33數(shù)據(jù)Tab.2 33×33×33 data

表3 17×17×17數(shù)據(jù)Tab.3 17×17×17 data

將17×17×17和9×9×9兩種大小的查找表映射結(jié)果相對(duì)比，結(jié)果表明綠色、藍(lán)色像素通道值在不超過(guò)120時(shí)，17×17×17大小的查找表映射精度要高于9×9×9大小的查找表，在其余部分兩種大小的查找表映射精度基本無(wú)差異，如表3和表4所示。

表2為33×33×33大小的查找表在一次完整的色域映射前后編號(hào)為01_01、03_05和10_24的3個(gè)模塊中R、G、B的像素通道值數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比，完成一個(gè)模塊的映射時(shí)間約為4 h；表3為17×17×17大小的查找表選取相同的模塊進(jìn)行對(duì)比，完成一個(gè)模塊的映射時(shí)間約為0.5 h；表4為9×9×9大小的查找表選取相同的模塊進(jìn)行對(duì)比，完成一個(gè)模塊的映射時(shí)間約為4 min，映射時(shí)間隨表格變小而大幅度降低。

表4 9×9×9數(shù)據(jù)Tab.4 9×9×9 data

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在G ≤120和B ≤120兩種情況下使用17×17×17大小的查找表，在剩余部分使用9×9×9大小的查找表進(jìn)行映射可以在不損失精度的情況下最大程度地減少映射時(shí)間和資源消耗。

5 Mini-LED綜合性能對(duì)比

5.1 最大亮度損失

在色域映射過(guò)程中將大色域作為源色域，最小的色域作為目標(biāo)色域，所以在色域映射后最大亮度和顏色均會(huì)有一定的損失[16]，通過(guò)控制卡將Mini-LED峰值亮度調(diào)整為1 500 cd/m2，在進(jìn)行色域映射后測(cè)得整屏最大亮度約為1 447 cd/m2，由此計(jì)算可得進(jìn)行色域映射后該屏最大亮度損失約為3.5%。

5.2 像素光強(qiáng)均勻性

(1)

式中：

(2)

分別計(jì)算出IR、IG和IB，3次計(jì)算結(jié)果的最大值記為IPJ，IPJ即為該顯示器的最大像素光強(qiáng)均勻性，該值越大說(shuō)明顯示器光照強(qiáng)度差異越明顯，如表5所示[18]。

表5 像素光強(qiáng)均勻性分級(jí)Tab.5 Uniformity classification of pixel intensity

未映射前Mini-LED商業(yè)顯示測(cè)試屏的像素光強(qiáng)均勻性為8.2%，在經(jīng)過(guò)色域映射后該屏幕像素光強(qiáng)均勻性降至4.9%，有效證明了Mini-LED在經(jīng)過(guò)色域映射后整屏的像素光強(qiáng)均勻性有明顯的提升，在主觀觀測(cè)條件下亮度也顯得更為均勻。

5.3 色差矯正

色差測(cè)試采用不同灰度級(jí)和不同亮度級(jí)的純紅圖片、純綠圖片、純藍(lán)圖片、灰階圖片以及隨機(jī)混色圖片，這樣可以使測(cè)試圖片更廣泛地散布在色域空間，可以更好地反映顯示器整體顏色情況[19]。進(jìn)行色域映射前Mini-LED屏的色差計(jì)算結(jié)果為2.2ΔE，映射后整屏色差計(jì)算結(jié)果為1.3ΔE，有效證明了該色域映射方法可應(yīng)用于Mini-LED顯示器的彩色管理且效果理想。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)全彩Mini-LED商業(yè)大屏顯示的特性，提出了一種應(yīng)用于全彩Mini-LED商業(yè)大屏顯示的彩色管理方法，在保證色域映射精度的同時(shí)大幅縮減了映射時(shí)間。首先根據(jù)商業(yè)顯示大屏模塊間色域差距較小，但由于大屏的“放大”特性在視覺(jué)觀測(cè)的條件下仍有明顯的色差現(xiàn)象，針對(duì)該現(xiàn)象對(duì)顯示器進(jìn)行有效的色域映射。在色域映射時(shí)選擇四面體插值運(yùn)算可以大幅度節(jié)約時(shí)間成本，然后通過(guò)對(duì)33×33×33、17×17×17和9×9×9三種大小的查找表映射結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在G ≤120和B ≤120兩種情況下使用17×17×17大小的查找表，在剩余部分使用9×9×9大小的查找表可以在不影響精度的條件下大幅度減少硬件資源消耗，從而減少映射所需時(shí)間。在進(jìn)行色域映射前后，Mini-LED商業(yè)顯示大屏的像素光強(qiáng)均勻性由8.2%降至4.9%，最大亮度損失僅為3.5%左右，可達(dá)到人眼基本不可分辨的范圍內(nèi)，整屏色差由2.2ΔE降至1.3ΔE，在人眼觀測(cè)條件下無(wú)明顯色差現(xiàn)象。該方法在對(duì)Mini-LED商業(yè)顯示大屏進(jìn)行顏色管理時(shí)起到了良好的作用，在最大亮度損失極小的情況下對(duì)像素光強(qiáng)均勻性和色差方面都有明顯的提升效果，可以證明應(yīng)用該方法可以高效地對(duì)Mini-LED進(jìn)行彩色管理，為Mini-LED未來(lái)發(fā)展方向提供一定的參考價(jià)值。