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          LED顯示屏逐點校正技術組成介紹

          一、逐點校正技術概念

          當前LED芯片生產制程現狀,決定了即便是同批次生產出的LED芯片,其個體間發光強度與主波長依然存在相當大的差異性。對于LED顯示應用來說,這種差異性將嚴重影響顯示質量,必須首先通過分光分色對光度、色度以及電參數等指標進行分類篩選后,才能應用于同一張led顯示屏上。

          然而,用分光分色的方法來解決芯片個體光度色度不一致的問題,由于精度不足,后續工藝流程的影響,以及老化過程的光衰不一致等因素,并不能達到完美畫質。此外,已使用一段時間后的顯示屏也會因光衰不一致等因素顯示質量下降,出現“花屏”,這也是分光分色鞭長莫及的。

          因此,業界嘗試從顯示屏制造的最后一道流程著手,通過對差異性的LED燈點采用差異性的驅動來解決該問題,這就是逐點校正。

          上世紀90年代后期,國內外出現逐點校正的理論雛形,并開啟了這一技術的實踐探索。然而,由于缺乏適用的通用數據采集工具以及技術壁壘等因素,該技術的研究長期處于不連續、不系統,自成一家缺乏交流的狀態,逐點校正也缺乏一個公認的定義。

          目前,比較合理的定義為:逐點校正,即通過對LED屏上的每顆燈點區域的亮度(和色度)數據進行采集,得出對于每顆燈點的校正系數(或對于每個像素的系數矩陣),將其反饋給顯示屏的控制系統,由控制系統應用校正系數實現對每顆燈點的差異性驅動,從而大幅提高顯示屏的像素亮度(色度)均勻性。

          二、逐點校正技術組成

          從上面的定義可以看到,逐點校正技術可以分解為以下四個部分:
          1. 原始數據采集;
          2. 校正數據生成;
          3. 驅動控制;
          4. 采集系統與控制系統的結合;
          以下就這四個方面分別進行分析闡述。

          2.1 原始數據采集
          原始數據采集是逐點校正的第一步,是最基礎的一步,也是發展最緩慢最艱難的一步。按照采集參數看,可分為亮度數據和色度數據兩種;按照采集對象分,可分為模塊級采集,箱體級采集與全屏分區域采集;按照采集環境分,可分為工廠模式采集與現場模式采集;

          從采集的技術路線與工具的角度看,則大致可以分為以下幾個方向:

          1. 機械裝置+光度探頭:即用機械傳動裝置控制光度探頭依次逐個采集每顆燈點的數。早期的實驗裝置曾經是屏體垂直于地面放置,用機架等間距移動亮度計逐點測量。后來逐漸發展為機臺形式,模塊或單元板水平放置,探頭垂直采集數據。為提高效率,單個機臺可裝置多個探頭,筆者見聞中單機臺最多探頭數為16個,以箱體為單位進行采集。

          這種采集方法的優點在于精度高,但也有著致命的缺陷:效率低。難以實現大規模工業化應用。此外,無法實現現場校正。近年來,隨著技術進步,這種機臺式采集方法正漸漸地淡出歷史舞臺。

          2. 數碼相機:利用數碼相機對燈點的成像灰度數據,來實現逐點校正,可說是當前最廉價的采集解決方案。08年以來,幾大顯示屏控制系統廠商均陸續大力投入研發力量,開發自己的相機采集系統,開展逐點校正的實踐,大大促進了逐點校正技術的推廣和普及。

          數碼相機方案的優點在于設備相對廉價,缺點在于精度低、穩定度差,個體間一致性差異也很大,難以滿足大規模工業生產的需求。此外,數碼相機方案多由控制系統廠商結合自身系統獨立開發,互不兼容。

          3. 基于CCD的平面亮度/色度分布測量儀器:此類儀器的研發伴隨著全球平板顯示產業的高速增長,其利用成像亮度測量原理,可高效獲取成像平面上任意區域的亮度/色度值。自06年以來,日本、美國、丹麥、法國、德國以及中國均有相關產品陸續問世,但能滿足LED逐點校正實用化特殊要求的卻寥寥無幾。

          這類設備精度高,穩定性好,校正效果佳,但價格相對昂貴。

          4. 工業CCD采集方案:上述幾個方向之外,還有一些基于工業相機的解決方案,如Barco公司自行開發的工業相機模組校正流水線方案;再如逐點校正的先驅長春希達,他們自主研發并持續完善的工業 CCD校正方案,是國內首創的亮色一體校正解決方案。

          工欲善其事,必先利其器。隨著采集工具的效率提高,功能增強,逐點校正的數據采集有了更廣泛的空間和可能性,從工廠延伸到了現場,從新屏延伸到了老屏,從平面屏擴展到了弧形屏乃至異形屏。

          2.2 校正數據的生成
          校正數據的生成可分解為3個部分,一是原始數據修正處理,二是校正目標值的設定,三是校正數據的計算生成。其中最重要的技術突破在于“原始數據修正處理”,尤其是現場校正環境下的數據修正。

          2.2.1  原始數據修正處理
          現場校正最簡單的一種情況是:平面屏,選擇顯示屏的最佳觀眾區域作為單一的數據采集機位,對全屏分區域依次進行數據采集。這樣采集到的數據必然帶有因觀察視角不同引入的系統誤差。采集數據呈現:垂直法線方向亮度高,偏離法線方向亮度下降,偏離角度越大,亮度越低的現象。如果不加以修正,校正后的顯示屏必然將下部暗,上部亮;機位垂直方向暗,兩邊亮;偏離校正點觀看時,明暗出現失真。

          而當屏體是外弧形或現場環境限制,必須多機位才能完成采集時,由于不同機位采集視角不同,如不加修正,其接縫處必將出現明顯的分界線。
          上述問題導致很多屏無法進行現場校正。近來,有數碼相機方案采用鄰區對比反饋的方式,也有設備采用拍攝全屏圖像做參考的方式進行修正。

          2.2.2  校正目標值的設定
          校正目標值的設定也是逐點校正技術值得深入探討的一部分。眾所周知,亮度校正損失亮度,色度校正既損失亮度也會損失色域空間和色彩飽和度。那么如何設定合理的校正目標亮度和色度值,結合客戶需求,在亮度、色域和均勻度之間找到最佳平衡點呢?

          當前,很多數碼相機校正方案,因為缺乏中間數據,都將目標值的設定環節放在采集之前,然而不同的顯示屏有著不同的最佳平衡點,尤其是色度校正,目標值設定的不合理,將直接導致校正失??!合理的目標值設定依賴采集數據的統計分析,因此,我們將目標值的設定放在采集完成之后,并提供各種輔助參數和圖線幫助用戶調整目標值。

          2.3 驅動控制
          有了校正數據,還需要控制系統的正確應用,才能實現逐點校正。
          驅動控制的實現有兩種途徑:一為電流幅度控制,二為脈沖寬度控制(PWM方式)。由于電流幅度與亮度并不是嚴格的線性關系,且電流的增減會引起LED芯片主波長的偏移,因此,電流控制應用得越來越少,當前逐點校正驅動控制實現的主要方式為調節脈寬。

          國內主要控制系統供應商早已實現逐點的LED燈點差異性驅動控制,只是由于通用采集設備的缺失,直到2008年,逐點校正仍是少數自有控制系統的行業領軍企業的獨有技術優勢。隨著采集設備的突破進展,08年還大部分停留在宣傳賣點上,無法實用起來的控制系統逐點校正功能,到2010年已逐漸成為控制系統入市的必備利器。到今天,市場上的全彩顯示屏控制系統,不具備亮度逐點校正能力的已寥寥無幾。

          但是,逐點校正的驅動控制方面,也還存在有待完善的地方,表現在以下幾個方面:
          1. 校正的低輝及線性表現有待改善;
          2. 目前具備色度校正功能的系統尚為數不多;
          3. 校正后帶載點數有待擴展;

          此外,除了利用控制系統實現驅動控制外,還有一種技術思路是通過對前端視頻流進行實時處理,從信號源的層面實現校正??煞譃橛布崿F與軟件實現兩種。硬件實現即在視頻信號源與控制系統之間加一個信號處理器,內部存儲校正數據,對輸入的視頻流信號應用校正數據進行實時運算后輸出給控制系統。軟件實現即截取電腦為信號源的顯示數據流,加以校正數據運算后輸出到DVI端口。

          與控制系統實現校正相比較,由于DVI信號只有為8位,這種用前端視頻處理器實現校正的方法將嚴重損失灰度,其低輝與線性表現不佳將是必然結果,且應用色度校正時,也會因精度不足效果不理想。

          2.4 采集系統與控制系統的結合

          逐點校正過程中,需要以下三個步驟:控制系統控制屏體,在指定區域顯示紅綠藍三色畫面;采集系統分別完成采集;生成校正數據后寫入控制系統。
          09年前,采集系統多為控制系統自己開發,配合自己的控制系統使用。因此,無論是模塊級、箱體級還是全屏級校正,采集系統與控制系統之間大都使用自定義的控制接口協議互動完成。

          這種控制接口協議的結合方式自動化程度高,寫入數據的過程無需人工干預。對于一些數碼相機校正方案,因測量設備精度與穩定性不足,需要反復采集、鄰區比對等才能保證區域間一致性,因此要求采集和顯示控制緊密互動,這種控制接口協議的結合方式是唯一選擇。然而,這也造成了采集系統與控制系統捆綁,互不兼容。在控制系統技術不斷創新發展,新的控制系統不斷涌現的今天,無疑并不符合LED屏制造商的利益。

          LED屏廠商引進進口采集設備結合自有控制系統,有兩種情況,一是遵照采集系統的控制接口協議要求對控制系統進行改造,使用采集系統的軟件功能完成校正;二是自行開發軟件,實現顯示控制、采集系統采集、與校正數據的生成與寫入。這2種情況都意味著技術導入難度高、成本高,也同樣地,不兼容,無法與市場通用的控制系統相結合。
          因為采集設備專業、穩定,僅需一次數據采集即可完成校正,因此顯示控制的部分變得十分簡單,不需要與控制系統交互通信也可完成。而寫入控制系統的步驟,則可以使用數據文檔的形式,由控制系統自行完成讀取寫入相關存儲區域的工作。

          這樣一來,通用控制系統無需做任何改造,也無需公開任何控制接口命令,就可以通過讀取中科維優公開格式的校正數據文檔,實現逐點校正,系統對接的工作量壓縮到最低,采集系統也最小成本地實現了與層出不窮的控制系統之間的最大兼容。
          數據接口協議的結合方式實現簡易,靈活,兼容性好,但自動化程度低,未來行業內形成標準逐點校正控制接口協議,將會是該環節的終極解決之道。



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