LED顯示屏色度校正原理與技巧

　　1、色度校正基礎(chǔ)概念

　　led顯示屏的色度測(cè)量與計(jì)算需使用CIE XYZ 1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)。為了后面引入色度校正的計(jì)算公式，首先對(duì)色度校正相關(guān)的基本概念做一簡(jiǎn)單梳理：

　　1.1 三刺激值

　　根據(jù)格拉斯曼顏色匹配原理，選擇三種原色，三原色中任何一種顏色不能由其他兩種原色相加混合得到，如RGB三原色，通過(guò)選一特定白光做為標(biāo)準(zhǔn)，定出三原色的相對(duì)亮度單位，則其他顏色的光可以看成是由不同數(shù)量的三原色光混合而成，所需的三原色各自的數(shù)量就是三刺激值。

　　CIE XYZ 1931色度系統(tǒng)，使用了三個(gè)假想的原色，[X],[Y],[Z]替代RGB三原色，通過(guò)匹配等能白光定出三種原色的單位。在定量表達(dá)某種光源的亮度與色度時(shí)，色度學(xué)方程可表達(dá)如下：

              C[C]=X[X]+Y[Y]+Z[Z]   （式1）

　　式中的X,Y,Z即三刺激值，而混合色的三刺激值為各組成色的三刺激值之和。

　　注意，三原色中只有[Y] 原色既代表色品又代表亮度，[X],[Z] 只代表色品。

　　1.2 色坐標(biāo)

　　CIE XYZ 1931色度系統(tǒng)中的色坐標(biāo)x, y, z與三刺激值XYZ之間的關(guān)系式如下：

　　可以看到，x, y, z并不獨(dú)立，x+y+z=1，因此一般只用x,y兩個(gè)色坐標(biāo)即可唯一地表達(dá)色品。

　　有了三刺激值，就可以計(jì)算得到色坐標(biāo)x,y。反之，有了色坐標(biāo)x,y，和Y，也可以計(jì)算出三刺激值XYZ，如下式所示：

　　三刺激值XYZ是混色疊加計(jì)算的基礎(chǔ)，而混色疊加計(jì)算正是色度校正的理論基礎(chǔ)。

　　1.3 色域空間

　　色域就是指某種表色模式所能表達(dá)的顏色數(shù)量所構(gòu)成的范圍區(qū)域，也指具體介質(zhì)如屏幕顯示、數(shù)碼輸出及印刷復(fù)制所能表現(xiàn)的顏色范圍。

（圖1）

　　說(shuō)明：圖中的藍(lán)色與白色大三角形為假定的兩塊LED屏的原始色域空間，內(nèi)部的黑色小三角形為設(shè)定的目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)色域空間SRGB，該色域三角形被兩個(gè)原始色域三角形完全包含，因此是兩塊顯示屏都可以通過(guò)校正實(shí)現(xiàn)的色域空間。

　　對(duì)于led顯示屏來(lái)說(shuō)，對(duì)應(yīng)到CIE 1931色品圖（參見(jiàn)圖1）上，就是三原色色坐標(biāo)連線構(gòu)成的色域三角形和設(shè)定的白點(diǎn)。三原色色域三角形決定了該led顯示屏能表現(xiàn)的色彩。而白點(diǎn)定義了所需要的三原色配比，也就是單位量。一張顯示屏生產(chǎn)完成，其色域三角形就確定了，而調(diào)整白平衡可通過(guò)調(diào)電阻等方法改變RGB的配比來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　三原色色域三角形內(nèi)部的顏色為顯示屏通過(guò)三原色的混色可實(shí)現(xiàn)的全部顏色。

　　因此，一張led顯示屏的原始色域空間定義應(yīng)包含以下參數(shù)：

    （Rx，Ry）；（Gx，Gy）；（Bx，By）；（Wx，Wy）；

　　以上四組色坐標(biāo)分別為顯示屏顯示為（R255，G0，B0）、（R0，G255,，B0）、（R0，G0，B255）以及（R255，G255，B255）等紅綠藍(lán)白四色時(shí)的色坐標(biāo)。

　　白色由RGB三原色混色而成，因此，如給出RGB三色的亮度值RY，GY，BY，就可以計(jì)算出RGB三色各自的三刺激值。

　　而白色的色坐標(biāo)Wx，Wy以及白色亮度值WY都可以通過(guò)RGB三色的XYZ三刺激值的疊加計(jì)算得到：

　　反之，給出白色的色坐標(biāo)和亮度值，也可以計(jì)算得到所需的RGB三原色亮度值。

　　2、 色度校正應(yīng)用領(lǐng)域

　　2.1 提高色保真度

　　LED屏色度校正最本原的應(yīng)用服務(wù)于提高顯示的色保真度，使顯示的圖像與源圖像的顏色一致，更真實(shí)地還原自然色彩。通俗一點(diǎn)說(shuō)，就是讓顯示的色彩更“正”。

　　LED屏上的顯示內(nèi)容一般來(lái)自電視攝像機(jī)、相機(jī)，或計(jì)算機(jī)。而電視與計(jì)算機(jī)監(jiān)視器的色域空間與LED屏的色域空間不一致，就造成了顯示色彩失真的現(xiàn)象。如常見(jiàn)的電視的色域空間標(biāo)準(zhǔn)PAL、NTSC，電腦監(jiān)視器的色域空間標(biāo)準(zhǔn)SRGB等，都與led顯示屏固有的色域空間不一致。LED色域空間較大，色彩表現(xiàn)通常過(guò)飽和，視覺(jué)感受是更艷麗、夸張，因而失真。

　　色度校正的目標(biāo)之一，就是將顯示屏的色域空間校正到視頻或圖像源的色域空間上，或盡可能接近，以改善顯示的色保真度。

　　2.2 不同批次箱體混用

　　租賃屏主經(jīng)常會(huì)遇到這種情況：分時(shí)段采購(gòu)的批量箱體，希望能一起混用，方便承接更大的演出項(xiàng)目。工程商有時(shí)也會(huì)遭遇客戶(hù)的要求，希望將一塊原有的顯示屏擴(kuò)大面積，新制作一部分箱體和老屏拼接成一塊大屏。

　　然而，不同批次的箱體因?yàn)樵�始亮度與原始色域空間的差異，各自為政，格格不入。

　　此時(shí)，色度校正可以將不同批次的箱體的原始色域空間校正到一個(gè)重合的目標(biāo)色域空間上，從而實(shí)現(xiàn)不同批次箱體混用和新老屏的拼接。

　　2.3 色度均勻性校正

　　色度均勻性校正目的是改善顯示屏的像素間色差。此時(shí)，每一個(gè)像素點(diǎn)，一組RGB燈的組合，都可視為一個(gè)色域空間，色度校正要完成的任務(wù)是將顯示屏上所有像素?cái)?shù)量的色域空間校正到同一個(gè)色域空間上。

　　當(dāng)前分光分色機(jī)的分色精度和有效的混燈技術(shù)，使得色度均勻性的應(yīng)用場(chǎng)合非常有限。因?yàn)槿搜蹖?duì)像素級(jí)的色差分辨力約為4nm，而分光分色機(jī)的分色精度普遍可達(dá)到±1nm。除非將非常多批次且少量的庫(kù)存LED燈用于同一張屏，色度均勻性校正才是必要的。

　　3、色度校正原理

　　在清晰了色度概念和色度校正的應(yīng)用領(lǐng)域后，讓我們來(lái)看看led顯示屏色度校正的原理和具體實(shí)現(xiàn)方法。

　　色度校正的原理就是色域空間變換。將LED屏固有的寬色域空間變換到一個(gè)用戶(hù)設(shè)定的目標(biāo)色域空間上，該目標(biāo)色域空間可以是標(biāo)準(zhǔn)色域空間，也可以是用戶(hù)自定義的一個(gè)色域空間。

　　對(duì)于LED屏來(lái)說(shuō)，要保證顯示質(zhì)量，必須在色度校正的同時(shí)，保證亮度的均勻度。因此亮色校正一定是同步完成的。因此應(yīng)同時(shí)給出校正的目標(biāo)亮度值。

　　3.1 色域空間轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣的計(jì)算

　　色域空間轉(zhuǎn)換首先需要確定原始色域空間三刺激值矩陣[XYZ_original]和目標(biāo)色域空間三刺激值矩陣[XYZ_target],，從而計(jì)算出轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣[conversion_coefficient]。

令

　　 據(jù)色域空間變換的需要，有：

　　[conversion_coefficient] *[XYZ_original]= [XYZ_target]    （式9）

　　由上式可得到：

　　[conversion_coefficient]= [XYZ_target]* [XYZ_original]-1      （式10）

　　式8的轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣中，

　　RR為顯示源信號(hào)為紅色時(shí)，紅燈的亮度系數(shù)；

                RG為顯示源信號(hào)為紅色時(shí)，綠燈的亮度系數(shù)；

                RB為顯示源信號(hào)為紅色時(shí)，藍(lán)燈的亮度系數(shù)；

                GR為顯示源信號(hào)為綠色時(shí)，紅燈的亮度系數(shù)；

                GG為顯示源信號(hào)為綠色時(shí)，綠燈的亮度系數(shù)；

                GB為顯示源信號(hào)為綠色時(shí)，藍(lán)燈的亮度系數(shù)；

                BR為顯示源信號(hào)為藍(lán)色時(shí)，紅燈的亮度系數(shù)；

                BG為顯示源信號(hào)為藍(lán)色時(shí)，綠燈的亮度系數(shù)；

                BB為顯示源信號(hào)為藍(lán)色時(shí)，藍(lán)燈的亮度系數(shù)；

　　3.2 色域空間轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣的應(yīng)用

　　得到逐像素的色域空間轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣后，控制系統(tǒng)將顯示源信號(hào)進(jìn)行逐像素的實(shí)時(shí)運(yùn)算，就可以將顯示屏的色域空間調(diào)整至目標(biāo)色域空間了。

　　假設(shè)某像素的轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣如下：

　　當(dāng)顯示信號(hào)為（R255，G128，B64）時(shí)，該像素的三顆燈的實(shí)際點(diǎn)亮情況如下：

　　即源信號(hào)（R255,G128,B64），在該像素上實(shí)際顯示為（R238，G128，B71）。

　　需要注意的是，以上運(yùn)算基于線性亮度，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)在伽瑪校正后再進(jìn)行系數(shù)的應(yīng)用與線性運(yùn)算。

　　4、LED屏色度校正技巧

　　計(jì)算方法和應(yīng)用方法都十分清晰明了，然而在LED屏的校正實(shí)踐中，還是有著一些需注意的事項(xiàng)和技巧。

　　4.1 目標(biāo)色域空間設(shè)定

　　目標(biāo)色域空間的合理設(shè)定十分重要，否則，或者不能實(shí)現(xiàn)，或者白平衡無(wú)法達(dá)到，或者亮度均勻度將受損。

　　1）目標(biāo)色域空間的三原色坐標(biāo)，必須全部位于原始色域三角形之內(nèi)。原始色域三角形之外的色彩是這塊顯示屏無(wú)法通過(guò)混色實(shí)現(xiàn)的。中科維優(yōu)的SV-1校正系統(tǒng)中，提供CIE1931色品圖，程序會(huì)繪出原始色域三角形與目標(biāo)色域三角形，并給出目標(biāo)三原色已均位于原始色域三角形之內(nèi)的圖解提示，避免設(shè)定錯(cuò)誤。

　　2）  因?yàn)轱@示屏三原色的最高亮度有限，如果目標(biāo)色域空間的白點(diǎn)坐標(biāo)和亮度值設(shè)定不合理，將使得顯示屏上大量像素?zé)o法達(dá)到預(yù)定目標(biāo)值，SV-1校正系統(tǒng)中，會(huì)根據(jù)目標(biāo)色域空間的設(shè)定參數(shù)，計(jì)算出顯示屏上無(wú)法達(dá)到目標(biāo)值的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)、比例與位置，通過(guò)模擬圖顯示出來(lái)，幫助用戶(hù)合理設(shè)定目標(biāo)白點(diǎn)和亮度。

　　4.2 對(duì)顯示屏和控制系統(tǒng)的要求

　　從3.2中的示例色度校正數(shù)據(jù)可以看出，轉(zhuǎn)換校正系數(shù)中的補(bǔ)色系數(shù)數(shù)值較小，變化較大，有時(shí)只有千分之一，有時(shí)甚至需要達(dá)到1/3。因此，轉(zhuǎn)換校正系數(shù)的應(yīng)用，對(duì)顯示屏和控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

　　1）  顯示屏必須真正能夠?qū)崿F(xiàn)12位以上的灰階；

　　2）  控制系統(tǒng)應(yīng)能夠讀入至少12位以上精度的轉(zhuǎn)換校正9系數(shù)數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算；

　　滿足以上2個(gè)條件，顯示屏才可能保證色度校正的準(zhǔn)確度和校正后的亮度均勻度。

　　4.3 絕大多數(shù)色度校正的應(yīng)用是色域空間的校正。

　　色域空間的校正需要的原始三原色色坐標(biāo)值，可以使用常規(guī)的彩色亮度計(jì)測(cè)量區(qū)域平均色坐標(biāo)而得到。但因?yàn)槊總�(gè)像素中的RGB 亮度配比不一致，要保證校正后的顯示均勻度，色域空間校正仍必須結(jié)合逐燈點(diǎn)的亮度測(cè)量值，來(lái)計(jì)算得出逐點(diǎn)的轉(zhuǎn)換校正系數(shù)矩陣，提供給控制系統(tǒng)。

　　4.4 顯示屏色坐標(biāo)數(shù)據(jù)的測(cè)量，應(yīng)采用分光光度計(jì)原理的儀器

　　如美能達(dá)CS200級(jí)別以上的分光式彩色亮度計(jì)。色坐標(biāo)的測(cè)量準(zhǔn)確度與精度，將對(duì)色度校正的結(jié)果產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響。三刺激值的測(cè)量原理和顏色匹配濾光鏡的制造水平現(xiàn)狀，使得三刺激值彩色亮度計(jì)難以成為可靠的色坐標(biāo)數(shù)據(jù)源。