利用视频处理方法在液晶屏边缘按连续的像素显示线为单位逐线亮度补偿、校准的方法与流程

文档序号:14923489发布日期:2018-07-13 07:43

原申请的申请日:2014,9,5

原申请的申请号:201410452531.4

原申请的发明名称:利用视频处理方法拟合、补偿、校准液晶屏表面亮度不均匀的方法

技术领域

本发明涉及由于背光不均匀、或背光受不同边界条件的影响(背光边缘异质条件)而产生的液晶屏表面亮度不均匀的解决方法。



背景技术:

今天,液晶显示已经发展到了无处不在的境地,液晶显示在人们的工作、生活、娱乐等各个领域中扮演着不可或缺的角色,它被广泛应用在手机、iPad、电脑、电视以及休闲、娱乐器材,以及在飞机上、商场中、在公共场所的指示、广告系统中。

液晶的发展使得数字高清显示(1920x1080)作为一种标准而成为现实;同时也是由于液晶技术的不断成熟与进步,4K超高清(3820x2160)成为现实。液晶正在引领的数字显示技术向更高高清度的方向发展。

上个世纪,作为单体使用的液晶家用电视机、个人电脑显示器的迅速普及是液晶技术成熟的典型标志。那时,液晶显示屏还仅仅局限于单体(单台)独立使用。本世纪初,随着液晶技术及显示技术的不断发展,液晶屏突破了单体独立使用的局限,开始走向利用单体液晶屏拼接成液晶幕墙的领域,液晶应用领域得到迅速拓展。

但是,液晶本身不发光,液晶显示需要背光提供光源才能显示视频图像。

液晶的背光从光源性质上可以分为冷阴极荧光灯与LED两种,从安置方式上分可以分为侧面背光与直射式背光两种。

1)冷阴极荧光灯背光:

通常使用的荧光灯,是一种低气压弧光放电荧光灯,其两端电极的温度较高,称之为热阴极放电灯。由于电极长期处在高温下工作,阴极溅散严重(日光的两端逐渐发黑是阴极溅散的表现),其寿命较短,一般在5千至1万之间。

而冷阴极荧光灯由于采用辉光放电,其两端电极的温度相对较低(放电所需电压相对较高),阴极溅散相对缓慢,灯的寿命长。一般可以达到3万小时上下。冷阴极荧光灯的研发成功,对于需要长时间工作背光的液晶屏的发展起到了功不可没的作用。

冷阴极荧光灯作为液晶屏的背光,由于其两端电极具有一定的长度,该长度在很大程度上取决于冷阴极荧光灯的发光长度,对于一支1左右米长的冷阴极荧光灯,其电极长度一般需要10~20毫米左右,如图1中的(1)所示。而对于一台宽屏(16:9)的46英吋液晶屏来说,其x,y方向的尺寸约为1018,573毫米,如图2所示,因此,需要的冷阴极荧光灯两端的电极长度通常在18毫米左右。

冷阴极荧光灯作为背光,有侧面与直射两种形式,这两种形式的冷阴极荧光灯通常沿液晶屏的x方向安置,如图3、4所示。图3(1)为直射式冷阴极荧光灯的排列方式,图4(1)为侧面冷阴极荧光灯的排列方式。这就是我们早前使用的液晶电视的典型背光。在这样的结构中,由于需要放置冷阴极荧光灯两端电极的长度,液晶屏的边框通常在30毫米以上。

作为单体使用的液晶屏,人们非常习惯液晶显示屏被宽宽的边框围着。但是,宽边框成为了液晶屏走向拼接幕墙首当其冲的障碍。为了避免太宽的边框在拼接画面中喧宾夺主,超窄边液晶拼接屏应运而生,它的边框宽度一般在6~7毫米左右。相对而言,冷阴极荧光灯两端的电极并没有因为超窄边的需求而缩短,仍然在10~20毫米的长度。

为了获得相对均匀的液晶显示亮度,在直射式背光中利用反射方法遮挡冷阴极荧光灯两端的电极成为了一种典型的背光形式,如图1(2)所示。

2)LED背光:

随着固体发光技术LED的迅速发展,LED背光首先被使用到单体家用电视机个人电脑监视器上。LED背光同样有侧面与直射式两种形式。

典型的直射式LED背光如图5所示。其中(1)是沿x,y方向的LED阵列,(2)是液晶屏,(3)是背光扩散膜,(4)是液晶屏边缘背光反射面。

典型的侧面LED背光如6所示。其中(1)为沿x方向排列LED光源,(2)为液晶屏,(3)为扩散膜,(4)为导光板。导光板的作用是将其侧面(顶部)的线光源(视LED直线式排列为线光源)转换成面光源,其上平面紧铁扩散膜及液晶面板玻璃,下底面通常为一斜面,在光源处厚,在另一侧薄,并且在其下底面按一定的方式制有微小的凸起、或者印有反光材料,使得从其侧面发出的线光源,按远近分布、逐层、并且尽可能均匀的反射到液晶屏表面,来构建液晶屏需要的面光源。

手机液晶屏的背光常常使用LED点背光形式,如图7中(1)所示。

由于液晶屏受到屏体尺寸大小的限制,任何光源形式,以及任何排列方式的背光(今天的背光仍然是由一定间隔、不连体的离散发光构成),在液晶屏边界区域的发光及反射状态与中央区域会有明显的不同。中央区域的显示亮度由于其周围的光源排列方式相同或非常相近,发出的光被充分的叠加、匀化,表面亮度相对一致(光融合性质相同),但是,当背光在液晶屏边界部分,其一侧大致具有中央区域的特性,而另一侧则被边界阻隔而不能获得像中央区域光源一样的叠加、匀化光(背光边缘异质条件),与中央区域相比,其表面亮度会产生明显的不同。

直射式冷阴极荧光灯背光的液晶表面亮度如图8所示。其中(1)为中央区域的表面亮度,(2)为边缘区域,(3)是中央区域表面亮度的平均值,(4)为边缘区域的表面亮度平均值。由于存在冷阴极荧光灯两端电极的影响,液晶表面亮度在x方向的左右两侧有明显的下降,出现明显的暗区,这种暗区亮度比起中央区域的亮度降低约30%左右。

直射式LED背光的液晶表面亮度如图9所示,其中(1)为中央区域的表面亮度,(2)为边缘区域,(3)是中央区域表面亮度的平均值,(4)为边缘区域的表面亮度平均值。与冷阴极荧光灯背光相比,LED由于没有冷阴极荧光灯的长电极所限,LED可以尽可能地排列到液晶屏的边缘上,整屏亮度平均值有很大提高。但即使如此,背光边缘异质条件的存在,仍然使得边缘区域的液晶屏表面亮度会与中央区域的亮度有明显的差异。同时,LED背光在x,y方向上都会存在边缘效应,因此,液晶屏表面会出现一个类似“平顶金字塔”式的亮度分布情况。

侧面冷阴极荧光灯背光灯、LED背光液晶表面亮度如图10所示。其中(1)为冷阴极荧光灯背光灯背光,(2)为LED背光,(3)为两者边缘区域,(侧面背光,由于光源集中在液晶屏单边,在接近光源的边缘区域液晶屏表面亮度会有一个强光区的凸起),(4)为两者中央区域的表面亮度,(5)是两者中央区域表面亮度的平均值,(6)为两者边缘区域的表面亮度平均值。

所有背光设计都会竭尽全力、用各种方法来弥补因为不同区域光融合条件不同造成的液晶屏表面显示亮度不同的现象。在这些方法中有增加背光扩散膜、增加背光光源密度、提升背光至液晶屏之间距离;对于侧背光,增加导光板厚度,提高导光板底层反射效率及改进反射阵列的算法及其分布,等等。

但是,无论如何,液晶屏既然作为一个有限尺寸的单体,客观上存在边界发光及反射条件与中央区域不同的情况。从理论上讲,在这种有限面积、有限高度的单体上,单单通过弥补背光的手段是无法实现边缘与中央区域完全均匀的亮度表面的。

液晶表面亮度的不均匀性,对于液晶作为单体使用时,显示效果虽然不尽完美,但是它是可以接受的,这也就是今天所有液晶屏能够普及的一个原因。

但是,当人们希望液晶屏尺寸越来越大,单体液晶屏达到120英吋仍然不够大的时候,利用单体液晶拼接成液晶显示幕墙就成为了一种解决的方案。在这种利用多个单体液晶拼接显示幕墙的时候,由于背光原因造成的液晶屏表面亮度不均匀的现象就成为了一个突出的问题。

这种亮度不均匀的表面在液晶屏用于拼接时,由于边缘区域的暗区夹在中央区域的明亮区域中间,形成明显的对比,非常容易被觉察出来,不仅如此,这种暗区严重伤害拼接后整屏的显示效果。

当背光设计已经竭尽全力,仍然无法获得充分平均、等亮的液晶表面,特别是边缘亮度与中央亮度存在差异的时候,利用视频处理方法来补偿背光亮度不均匀成为一种有效手段。



技术实现要素:

本发明的目的是解决现有单体液晶屏表面亮度不一致,使得在液晶拼接中无法做到显示幕墙中整幅显示区域达到均匀亮度的问题,提出的一种解决方法。本发明提供的这种解决方法将有效地克服背光本身因受制到屏体尺寸大小、厚度限制而无法达到液晶屏表面亮度均匀的缺陷。

本发明提出了:

1.逐点亮度系数补偿;

2.逐线亮度系数补偿;

3.整面亮度函数补偿;

的解决方案。

视频处理亮度增益补偿原理是通过设置一些列的亮度修正K值,在视频被送达液晶屏显示之前,根据事前测得的该液晶屏表面不同亮度值设置的该组K值进行亮度增益调整。然后,将调整过的视频信号送至液晶屏显示。由于事先得知该液晶屏位置的明、暗分布,以及在视频处理中可以获知该时刻视频信号将送达液晶屏的显示位置,这就给视频亮度增益提供了补偿的客观条件,使得每个视频信号可以在K值补偿后再送达液晶屏显示。这样,在原始视频显示的同时,补偿了该位置上的由于背光限制产生的亮度差异,使得显示出来视频图像更接近其原始输入的真实图像,而不会由于背光明暗发生差异,并使得整屏显示效果大幅提高。

一、本发明提出的液晶屏“表面亮度逐点补偿”的解决方法如下:

根据事先测得的液晶屏每一点的表面亮度值,计算出其倒数,以此为基础计算出液晶屏该点亮度补偿K值。

例如,靠近液晶屏边缘某一点,其亮度值为80%,于是,用亮度值的倒数计算该点的补偿值为:1/0.80=1.25。这样,补偿后输出的综合效果是该点亮度为:80%x1.25=1。

只要事先测得液晶屏显示区域的所有亮度值,就可以得到与其相对应的全部K值,并可以将这组K值在视频送达该液晶屏显示前对其进行补偿,使得每一点的亮度与原始视频图像一致。

该方法的最大优点是液晶屏亮度逐点可调,补偿精细度最高,效果最好的。

本发明方法一其特征在于:根据事先测得的液晶屏每一点的表面亮度值,计算出其倒数1/K,以此为基础计算出液晶屏该的亮度补偿K值。

但是,该方法具有明显的缺陷:

对于1920x1080的高清液晶屏,需要准备200万左右个K值补偿系数,对于4K超高清,则需要超过800万个K值补偿系数,这么大容量的数据,不仅测试和准备工作量大到难以承受的程度,而且在具体的视频处理硬件设计中,对容量这样大的数据只能依靠存储芯片来存储,无法直接放置在FPGA等处理芯片内部进行处理。

事实上,在视频实时处理过程中,200万个,乃至800万个K值补偿数据,在每一帧都需要全部读取一遍,这就与视频流的像素频率一样高。这样大的吞吐量,对系统设计中宝贵的带宽资源消耗是灾难性的。同时,这样的设计不得不采用昂贵的、高吞吐性能的FPGA,不可避免成本完全会高到市场无法承受的地步。

由于液晶屏是规则性显示屏,就是其背光亮度设计受到的限制具有一定的系统性、规律性,比如,大体上对直射式背光而言,其中间区域的亮度相对比较均与,边缘区域的亮度与中央区域相比差异比较大,因此可以考虑仅仅补偿边缘区域的亮度。

同样对于1920x1080的液晶屏,可以采用靠近边缘的32显示像素线来进行补偿,这样实际补偿的点数为:

(1920+1080)x(32x2)-(32x32)x4=192000-4096=187,904,计为18.8万个K值。

这样改进的结果可以减少大部分需要处理的数据量,但是:

1)这个需要补偿的像素点超过了液晶屏整屏像素点的9%,对于今天的FPGA而言,仍然是非常巨大的数据量,K值补偿数据同样无法放入FPGA内部进行处理。

2)在视频流的横向扫描方式中,在液晶屏幕的上边缘和下边缘,这些连续的扫描点的每一点也同样需要校正的,因此这段区域内,对带宽的要求同样会很高,以致严重影响系统的优化运行。

二、本发明提出的液晶屏“边缘亮度逐线补偿”的解决方法如下:

为了在数量级上减少需要补偿校正的参数数量。本方法提出了对液晶屏边缘区域的像素逐线进行亮度K值系数补偿的方法。

液晶屏表面亮度补偿可以独立控制到屏幕四周边缘区域的“像素显示线”上。将液晶屏上下左右分为四个边缘区域:“上区域”、“下区域”、“左区域”、“右区域”,每个区域可以控制靠近边缘侧的至少32条像素显示线。

对于角平分线上的像素点,归为“上区域”或者“下区域”范围,如下图11所示。在图11中规定了“液晶屏左上角像素点”和“液晶屏右下角像素点”区域分割方式。实际可控制的亮度像素为“四个区域”靠近液晶屏显示边缘侧的至少32条像素显示线。

亮度补偿方法如本发明方法一的K值补偿法的工作原理一样,所不同的是,该方法根据液晶屏背光的系统性、规律性特点,假定液晶屏x方向与y方向上,其中央区域的表面亮度虽有差异,但这种差异比起边缘区域要小很多,属于次一级的误差,可以忽略不计。仅对边缘亮度差异比较大的区域进行补偿修正。

这样,K值补偿数据大大降低,只需要处理四个区域的靠近液晶屏边缘的32条像素显示线,只需要处理的数据从200(800)万个,降到了总共只需要32x4=128个,降低了近2万倍。这带来了一个极大的优势是,这些数据可以存入FPGA宝贵的内部存储器中,而不需要任何外部IO资源了。不仅避免了大容量K值补偿数据引发的带宽瓶颈,同时使得视频处理更加有效,成本也大幅下降。

本发明方法二其特征在于:集中补偿、校准液晶屏边缘有限像素线(如32线)的亮度差异,将液晶屏上下左右分为四个边缘区域:“上区域”、“下区域”、“左区域”、“右区域”,对于角平分线上的像素点,归为“上区域”或者“下区域”范围,采用亮度K值补偿、校准。其特征还在于:对于集中补偿、校准液晶屏边缘N(如32)线的情况,其补偿、校准K值参数的数量降为4xN(如32)

个,并可以在有限的FPGA的存储资源中直接存储,避免在视频处理中从外部读取补偿、校准参数数据。

而实际上,在液晶屏的亮度分布曲线中,除了在x方向,同时在y方向上都是曲线分布,即类似于一个“鸟巢”的椭圆球顶,如图12所示。两者的合成,是一个亮度分布曲面。

因此,如果给每条像素显示线只设置一个参数,将会忽略掉在该显示线上的亮度曲线变化,造成补偿校正不精确的现象。举例来说,对于“上区域”与“下区域”,这种方法,虽然在y方向上的每条像素显示线可以完美拟合y方向上的亮度分布曲线,但是在x方向上,该K值补偿值是一个定值,与实际的亮度分布曲线存在着较大差异。

因此,这一方法的最大缺点是:在边框上,靠近角部,校正误差非常大。

在本方法中虽然四个区域的每条像素显示线都可以得到补偿校准,但是在角平分线上,是两种不同补偿校准的结合部。在这条棱线上,补偿虽然没有间断,但是由于它是x与y方向两个不一定相等的定值补偿K值系数补偿的,它们在这条棱线上的汇集会产生一定的差异,即在棱线上“补偿的过渡”可能是不连续的,会产生一个突变。如果用一个函数来拟合这种补偿,那么在这条棱上,函数是不可微分的,即其导函数是不连续的。

需要指出的是:这个在棱线上的“突变”,对于实际视频及背光的亮度拟合是错误的,因为实际的亮度分布的变化趋势,在这条棱线上是连续的。这是因为减少补偿K值数量,在每条像素显示线上只有一个K值用于补偿、校正所造成的。而一旦校正发生了错误,即使在一些个别区域结合线上,自然会被觉察识,造成原始输入视频图像的失真。

三、本发明提出的液晶屏“整面亮度函数补偿”的解决方法如下:

由于本发明提出的方法一、方法二有其明显的优点,同时也存在不可避免的缺点,本方法三提出:

1、既可以使用较少的参数,以方便直接在FPGA内部运算,而不需要依赖高吞吐量的外部存储的支持;

2、又可以在包括在液晶屏显示区域的中央、边缘、角部等任何区域都可以比较完美地对亮度分布的不均匀进行补偿有效补偿;

3、最后还要达到在任何区域的亮度补偿都是自然连续的、补偿函数在整个定义域内都处处连续并可导,

的方法来补偿液晶屏背光不均匀的解决方案。

液晶屏的实际“亮度分布曲线”是在液晶屏上测量到的实际亮度分布数据,它可以近似归纳为一个两次曲线,其方程为:

Ax^2+Bxz+Cz^2+Dx+Ez+F=0

其中x是位置,z是亮度数据。

如果将这条沿x方向的曲线向y方向等间距推进,那么这条两次曲线将发生变化,即,上述方程的系数将发生变化,反应出某个y位置上沿x方向的亮度变化。

如果将其中的亮度顶点设为100%,其余的亮度将逐步低于100%,于此同时,沿x方向的两侧亮度将越来越低。

最终,沿x方向反应亮度的两次曲线在y方向推进,会勾勒出一个两次曲面;反之亦然,以y方向为基础两次曲线,向x方向推进,结果是相同的。

求证或拟合一个两次曲面函数:亮度(Brightness)=f(x,y),较为精确地拟合液晶屏表面的实际亮度分布。

构造一个标准的亮度二次曲面方程:

Ax^2+By^2+Cz^2+Dxy+Exz+Fyz+Gx+Hy+Iz+J=0.

其中,变量x和y向对于液晶屏上像素点的x,y坐标,如图2所示,z为亮度值。

如果用任意一个平面去和这个两次曲面相交,例如用平面y=0与该两次曲面相交,此时,相交线为沿x方向的一个两次曲线。

上述曲面是一个可以非常贴近实际的亮度分布函数的二次曲面方程,共计含有10个标准的可调整参数。

如果将坐标原点平移到液晶屏的中心,那么P0(x=0,y=0)的点就在液晶屏的中心点上。假设这点的亮度为100%,即为1。于是,方程中代入

(x,y,z)=(0,0,1)之后,

得到:C+I+J=0【方程1】

先考虑中心十字线的x方向那条线,这里y=0。

对于横向的1920个像素参数,假设最左边的为x=-960,最右边为x=+960。

以及事先测得左边x=-960那个点的亮度值为71%,于是用

(x,y,z)=(-960,0,0.71)

代入,得到:

A*960*960+C*0.71*0.71-E*960*0.71-G*960+I*0.71+J=0【方程2.0】

而用右边x=+960那个点的亮度值(这里先假定亮度是对称的)代入,

(x,y,z)=(960,0,0.71)代入,得到:

A*960*960+C*0.71*0.71+E*960*0.71+G*960+I*0.71+J=0

【方程2.1】

用【方程2.1】减去【方程2.0】,得到:

E*0.71+G=0【方程2.2】

上述三个方程中,因为第三个方程是前两个方程的导出,因此是线性相关的。

为了系数关系清晰,我们取【方程2.1】和【方程2.2】。

同样,考虑中心十字线的y方向那条线索显示线,也可以得到二个方程:

同理,用最上边y=+540代入:

(x,y,z)=(0,540,0.71),得到:

B*540*540+C*0.71*0.71+F*540*0.71+H*540+I*0.71+J=0

【方程3.1】

再求得y方向最下边那个点的方程,并与【方程3.1】合成,得到:

F*0.71+H=0.【方程3.2】

说明:为表达方便,上述x,y最端头的亮度设为0.71,实际求证中应该使用实际亮度测量数据,这里的表达式相应作出修改。

首先,经过测量,容易得到在液晶屏表面亮度的分布数据。

然后,上述两次曲面的10个参数,在不同的数值下,就会构建一个二次曲面方程式,产生一个逐点的“亮度分布拟合数据”。

对于这个“亮度分布拟合数据”与“亮度分布实际数据”逐点的差值,取其平方,即,利用最小二乘法的原理。

将上述平方数据逐点全部相加,求得一个平方和的最小值。在这个最小值下的那10个参数,就是亮度补偿两次曲面所要求得的参数。

使用MATLAB计算机数值分析等软件对上述多维度的遍历运算,发挥外部计算机的大数据运算的能力,最终得到10个参数的具体数值。

虽然10个参数的数值计算遍历运算是一个复杂的过程,但是在前面的步骤演示中,得到了一些系数之间的关系,这样将大大降低计算机进行多维度运算的遍历范围。

由于上述得到的5个关于系数关系的方程,都是线性不相关的,即,通过这些系数关系式,计算机10维度遍历运算直接降低到了5维度的遍历运算。

简单来说,根据【方程1】,C+I+J=0,对于某个特定的I和J,那么C是一个确定的值,于是C就无需加入维度遍历的运算之中。

对于上述提到的亮度二次曲面方程:

Ax^2+By^2+Cz^2+Dxy+Exz+Fyz+Gx+Hy+Iz+J=0.

当所有10个参数都是具体的数值之后,对于液晶屏上的某个具体的点(x,y)而言,仅仅剩下变量z了,即亮度,其他的都是常数c,即:

c=Ax^2+By^2+Dxy+Gx+Hy+J

于是,方程变为:

Cz^2+(Ex+Fy+I)z+c=0.

令:

a=C

b=Ex+Fy+I

则,变为了标准的二次方程:

az^2+bz+c=0.

这样z的解法很简单了。

得到z之后,实际需要补偿的亮度值是z的倒数,即:

补偿值=1/z。

本发明方法三其特征在于:对于液晶屏显示平面各个像素点由于背光原因产生的亮度不均匀、不一致的情况,采用液晶屏整面亮度函数补偿的方法予以补偿,其特征在于:沿x方向拟合出亮度的两次曲线,并向y方向推进,构建一个整屏亮度的两次曲面,使得其在补偿、校准液晶屏平面上亮度差异时所涉及到的修正参数的数量非常少(如仅10个参数),并且可以在有限的FPGA的存储资源中直接存储,避免在视频处理中从外部读取补偿、校准参数数据。其特征还在于:包括在液晶屏显示区域的中央、边缘、角部等任何区域都可以比较完美地对亮度分布的不均匀进行补偿有效补偿,在其整个曲面上微分处处连续;同时,使得补偿后的亮度曲面处处连续(其曲面微分是连续的)、不产生突变与台阶。

FPGA内部只存储10个数据,即,把本来数百万或数十万个参数减少到了只有10个。这样,数据完全就可存储在FPGA的内部,在实时处理中不需要浪费带宽从外部读取数据。

因为通过标准的二次曲面方程进行的拟合,因此无论在屏幕的中间、边缘还是角落,都可对亮度进行完美的补偿。

二次曲面方程只有唯一一个,根据数学公理,在其定义域范围内,处处连续且处处可导。因此,不会存在亮度校正的过渡突变。

附图说明

图1、液晶屏以冷阴极荧光灯为光源的背光示意图;

图2、液晶屏的显示平面及其坐标轴定义;

图3、直射式冷阴极荧光灯背光光源排列示意图;

图4、侧面冷阴极荧光灯背光光源安置示意图;

图5、直射式LED背光排列示意图;

图6、侧面LED背光光源安置示意图;

图7、手机背光光源安置示意图;

图8、直射式冷阴极荧光灯背光液晶屏表面亮度分布示意图;

图9、直射式LED背光液晶屏表面亮度分布示意图;

图10、侧面冷阴极荧光灯、及LED背光液晶屏表面亮度分布图;

图11、32像素显示线x,y汇合部上像素划分图;

图12、沿液晶屏y方向上的亮度曲线示意图。

再多了解一些
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