LED顯示屏色度校正原理與技巧

　　1、色度校正基礎概念

　　led顯示屏的色度測量與計算需使用CIE XYZ 1931標準色度系統(tǒng)。為了后面引入色度校正的計算公式，首先對色度校正相關(guān)的基本概念做一簡單梳理：

　　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，通過選一特定白光做為標準，定出三原色的相對亮度單位，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)，使用了三個假想的原色，[X],[Y],[Z]替代RGB三原色，通過匹配等能白光定出三種原色的單位。在定量表達某種光源的亮度與色度時，色度學方程可表達如下：

              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

　　CIE XYZ 1931色度系統(tǒng)中的色坐標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并不獨立，x+y+z=1，因此一般只用x,y兩個色坐標即可唯一地表達色品。

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

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

　　1.3 色域空間

　　色域就是指某種表色模式所能表達的顏色數(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)碼輸出及印刷復制所能表現(xiàn)的顏色范圍。

（圖1）

　　說明：圖中的藍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定的目標標準色域空間SRGB，該色域三角形被兩個原始色域三角形完全包含，因此是兩塊顯示屏都可以通過校正實現(xiàn)的色域空間。

　　對于led顯示屏來說，對應到CIE 1931色品圖（參見圖1）上，就是三原色色坐標連線構(gòu)成的色域三角形和設定的白點。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)整白平衡可通過調(diào)電阻等方法改變RGB的配比來實現(xiàn)。

　　三原色色域三角形內(nèi)部的顏色為顯示屏通過三原色的混色可實現(xiàn)的全部顏色。

　　因此，一張led顯示屏的原始色域空間定義應包含以下參數(shù)：

    （Rx，Ry）；（Gx，Gy）；（Bx，By）；（Wx，Wy）；

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

　　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，就可以計算出RGB三色各自的三刺激值。

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

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

　　2、 色度校正應用領(lǐng)域

　　2.1 提高色保真度

　　LED屏色度校正最本原的應用服務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，更真實地還原自然色彩。通俗一點說，就是讓顯示的色彩更“正”。

　　LED屏上的顯示內(nèi)容一般來自電視攝像機、相機，或計算機。而電視與計算機監(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。如常見的電視的色域空間標準PAL、NTSC，電腦監(jiān)視器的色域空間標準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)通常過飽和，視覺感受是更艷麗、夸張，因而失真。

　　色度校正的目標之一，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)常會遇到這種情況：分時段采購的批量箱體，希望能一起混用，方便承接更大的演出項目。工程商有時也會遭遇客戶的要求，希望將一塊原有的顯示屏擴大面積，新制作一部分箱體和老屏拼接成一塊大屏。

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

　　此時，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重合的目標色域空間上，從而實現(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，每一個像素點，一組RGB燈的組合，都可視為一個色域空間，色度校正要完成的任務是將顯示屏上所有像素數(shù)量的色域空間校正到同一個色域空間上。

　　當前分光分色機的分色精度和有效的混燈技術(shù)，使得色度均勻性的應用場合非常有限。因為人眼對像素級的色差分辨力約為4nm，而分光分色機的分色精度普遍可達到±1nm。除非將非常多批次且少量的庫存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用領(lǐng)域后，讓我們來看看led顯示屏色度校正的原理和具體實現(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用戶設定的目標色域空間上，該目標色域空間可以是標準色域空間，也可以是用戶自定義的一個色域空間。

　　對于LED屏來說，要保證顯示質(zhì)量，必須在色度校正的同時，保證亮度的均勻度。因此亮色校正一定是同步完成的。因此應同時給出校正的目標亮度值。

　　3.1 色域空間轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣的計算

　　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]和目標色域空間三刺激值矩陣[XYZ_target],，從而計算出轉(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為顯示源信號為紅色時，紅燈的亮度系數(shù)；

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

                RB為顯示源信號為紅色時，藍燈的亮度系數(shù)；

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

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

                GB為顯示源信號為綠色時，藍燈的亮度系數(shù)；

                BR為顯示源信號為藍色時，紅燈的亮度系數(shù)；

                BG為顯示源信號為藍色時，綠燈的亮度系數(shù)；

                BB為顯示源信號為藍色時，藍燈的亮度系數(shù)；

　　3.2 色域空間轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣的應用

　　得到逐像素的色域空間轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣后，控制系統(tǒng)將顯示源信號進行逐像素的實時運算，就可以將顯示屏的色域空間調(diào)整至目標色域空間了。

　　假設某像素的轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣如下：

　　當顯示信號為（R255，G128，B64）時，該像素的三顆燈的實際點亮情況如下：

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

　　需要注意的是，以上運算基于線性亮度，實際應用時，應在伽瑪校正后再進行系數(shù)的應用與線性運算。

　　4、LED屏色度校正技巧

　　計算方法和應用方法都十分清晰明了，然而在LED屏的校正實踐中，還是有著一些需注意的事項和技巧。

　　4.1 目標色域空間設定

　　目標色域空間的合理設定十分重要，否則，或者不能實現(xiàn)，或者白平衡無法達到，或者亮度均勻度將受損。

　　1）目標色域空間的三原色坐標，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法通過混色實現(xiàn)的。中科維優(yōu)的SV-1校正系統(tǒng)中，提供CIE1931色品圖，程序會繪出原始色域三角形與目標色域三角形，并給出目標三原色已均位于原始色域三角形之內(nèi)的圖解提示，避免設定錯誤。

　　2）  因為顯示屏三原色的最高亮度有限，如果目標色域空間的白點坐標和亮度值設定不合理，將使得顯示屏上大量像素無法達到預定目標值，SV-1校正系統(tǒng)中，會根據(jù)目標色域空間的設定參數(shù)，計算出顯示屏上無法達到目標值的像素點個數(shù)、比例與位置，通過模擬圖顯示出來，幫助用戶合理設定目標白點和亮度。

　　4.2 對顯示屏和控制系統(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)中的補色系數(shù)數(shù)值較小，變化較大，有時只有千分之一，有時甚至需要達到1/3。因此，轉(zhuǎn)換校正系數(shù)的應用，對顯示屏和控制系統(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)并進行實時運算；

　　滿足以上2個條件，顯示屏才可能保證色度校正的準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值，可以使用常規(guī)的彩色亮度計測量區(qū)域平均色坐標而得到。但因為每個像素中的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)合逐燈點的亮度測量值，來計算得出逐點的轉(zhuǎn)換校正系數(shù)矩陣，提供給控制系統(tǒng)。

　　4.4 顯示屏色坐標數(shù)據(jù)的測量，應采用分光光度計原理的儀器

　　如美能達CS200級別以上的分光式彩色亮度計。色坐標的測量準確度與精度，將對色度校正的結(jié)果產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響。三刺激值的測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難以成為可靠的色坐標數(shù)據(jù)源。