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逐点校正技术在LED大屏幕上的运用

2014-05-29 19:45:38 作者:纳可光电 来源:纳可光电 浏览次数:0 网友评论 0

      led显示屏技术发展日趋成熟,其中逐点校正技术是近年来兴起技术之一,必将成为业内必须具备的一项技术。由于LED在使用过程中会出现光衰,在屏幕安装应用后,画面均匀度将会下降。因此,现场重新校正技术成为LED显示屏制造商应该掌握的另一项重要技术.
    一、逐点校正技术概念起源  
    当前LED芯片生产制程现状,决定了即便是同批次生产出的LED芯片,其个体间发光强度与主波长依然存在相当大的差异性。对于LED显示应用来 说,这种差异性将严重影响显示质量,必须首先通过分光分色对光度、色度以及电参数等指标进行分类筛选后,才能应用于同一张显示屏上。
    然而,用分光分色的方法来解决芯片个体光度色度不一致的问题,由于精度不足,后续工艺流程的影响,以及老化过程的光衰不一致等因素,并不能达到完 美画质。此外,已使用一段时间后的显示屏也会因光衰不一致等因素显示质量下降,出现“花屏”,这也是分光分色鞭长莫及的。
    因此,业界尝试从显示屏制造的最后一道流程着手,通过对差异性的LED灯点采用差异性的驱动来解决该问题,这就是逐点校正。
    20世纪90年代后期,国内外出现逐点校正的理论雏形,并开启了这一技术的实践探索。然而,由于缺乏适用的通用数据采集工具以及技术壁垒等因素, 该技术的研究长期处于不连续、不系统,自成一家缺乏交流的状态,逐点校正也缺乏一个公认的定义。在此尝试着提出自己的理解,逐点校正定义如下:即通过对 LED显示屏上的每个像素(或每一个基色子像素)区域的亮度(和色度)数据进行采集,给出每个基色子像素的校正系数或每个像素的校正系数矩阵,将其反馈给 显示屏的控制系统,由控制系统应用校正系数,实现对每个像素(或每一个基色子像素)的差异性驱动,从而提高显示屏的亮色均匀度和色彩保真度。
    二、逐点校正技术组成
    从上面的定义可以看到,逐点校正技术可以分解为四个部分:①原始数据采集;②校正数据生成;③驱动控制;④校正后的维护。以下就这四个方面分别进行分析阐述。
    (一)原始数据采集
    原始数据采集是逐点校正的第一步,是最基础的一步,也是发展最缓慢艰难的一步。按照采集参数看,可分为亮度数据和色度数据两种;按照采集对象分,可分为模块级采集,箱体级采集与全屏分区域采集;按照采集环境分,可分为工厂模式采集与现场模式采集;
    从采集的技术路线与工具的角度看,则大致可以分为以下几个方向。
    (1)机械装置+光度探头。即用机械传动装置控制光度探头依次逐个采集每颗灯点的数据。早期的实验装置曾经是屏体垂直于地面放置,用机架等间距移 动亮度计逐点测量。后来逐渐发展为机台形式,模块或单元板水平放置,探头垂直采集数据。为提高效率,单个机台可装置多个探头,以箱体为单位进行采集。
    这种采集方法的优点在于精度高,但也有着致命的缺陷:效率低,难以实现大规模工业化应用。此外,无法实现现场校正。近年来,随着技术进步,这种机台式采集方法正渐渐地淡出历史舞台。
    (2)数码相机。利用数码相机对灯点的成像灰度数据,来实现逐点校正,可说是当前最廉价的采集解决方案。2008年以来,几大显示屏控制系统厂商均陆续大力投入研发力量,开发自己的相机采集系统,开展逐点校正的实践,大大促进了逐点校正技术的推广和普及。
    数码相机方案的优点在于设备相对廉价,缺点在于精度低、稳定度差,个体间一致性差异也很大,难以满足大规模工业生产的需求。此外,数码相机方案多由控制系统厂商结合自身系统独立开发,互不兼容。
    (3)基于CCD的平面亮度/色度分布测量仪器。此类仪器的研发伴随着全球平板显示产业的高速增长,其利用成像亮度测量原理,可高效获取成像平面上任意区域的亮度/色度值。
    这类设备精度高,稳定性好,校正效果佳,但价格相对昂贵。
    (4)工业CCD采集方案。上述几个方向之外,还有一些基于工业相机的解决方案,多为显示屏制造商自行开发,仅供内部使用。
    工欲善其事,必先利其器。随着采集工具的效率提高,功能增强,逐点校正的数据采集有了更广泛的空间和可能性,从工厂延伸到了现场,从新屏延伸到了老屏,从平面屏扩展到了弧形屏乃至异形屏。
    (二)校正数据的生成
    校正数据的生成可分解为3个部分,一是原始数据修正处理,二是校正目标值的设定,三是校正数据的计算生成。其中最重要的技术突破在于“原始数据修正处理”,尤其是现场校正环境下的数据修正。
    1)原始数据修正处理
    现场校正最简单的一种情况是:平面屏,选择显示屏的最佳观众区域作为单一的数据采集机位,对全屏分区域依次进行数据采集。这样采集到的数据必然带 有因观察视角不同引入的系统误差。采集数据呈现:垂直法线方向亮度高,偏离法线方向亮度下降,偏离角度越大,亮度越低的现象。
    如果不加以修正,校正后的显示屏必然将下部暗,上部亮;机位垂直方向暗,两边亮;偏离校正点观看时,明暗出现失真。
    而当屏体是外弧形或现场环境限制,必须多机位才能完成采集时,由于不同机位采集视角不同,如不加修正,其接缝处必将出现明显的分界线。
    上述问题导致很多屏无法进行现场校正。近来,有数码相机方案采用邻区对比反馈的方式,也有设备采用拍摄全屏图像做参考的方式进行修正。2010年推出的对原始采集数据进行后期统计分析处理实现数据修正的解决方案,彻底免除重复采集的环节。
    此外还有现场树木、电线乃至交通信号设置等的遮挡问题,不完整的图像,缺失的灯点数据需要如何处理?这些都曾经是现场校正难以逾越的障碍,如今已有成熟简便的实用解决方案。
    2)校正目标值的设定
    校正目标值的设定也是逐点校正技术值得深入探讨的一部分。众所周知,亮度校正损失亮度,色度校正既损失亮度也会损失色域空间和色彩饱和度。那么如何设定合理的校正目标亮度和色度值,结合客户需求,在亮度、色域和均匀度之间找到最佳平衡点呢?
    当前,很多数码相机校正方案,因为缺乏中间数据,都将目标值的设定环节放在采集之前,然而不同的显示屏有着不同的最佳平衡点,尤其是色度校正,目 标值设定的不合理,将直接导致校正失败!合理的目标值设定依赖采集数据的统计分析,因此,将目标值的设定放在采集完成之后,并提供各种辅助参数和图线帮助 用户调整目标值应是更合理的方案。
    (三)驱动控制
    有了校正数据,还需要控制系统的正确应用,才能实现逐点校正。
    驱动控制的实现有两种途径:一为电流幅度控制,二为脉冲宽度控制(PWM方式)。由于电流幅度与亮度并不是严格的线性关系,且电流的增减会引起LED芯片主波长的偏移,因此,电流控制应用得越来越少,当前逐点校正驱动控制实现的主要方式为调节脉宽。
    国内主要控制系统供应商早已实现逐点的LED灯点差异性驱动控制,只是由于通用采集设备的缺失,直到2008年,逐点校正仍是少数自有控制系统的 行业领军企业的独享技术优势。随着采集设备的突破进展,2008年还大部分停留在宣传卖点上,无法实用起来的控制系统逐点校正功能,到2010年已逐渐成 为控制系统入市的必备利器。到今天,市场上的全彩显示屏控制系统,不具备亮度逐点校正能力的已寥寥无几。
    但是,逐点校正的驱动控制方面,也还存在有待完善的地方,表现在以下几个方面。
    (1)校正的低辉及线性表现有待改善。
    (2)目前具备色度校正功能的系统尚为数不多。
    (3)校正后带载点数有待扩展。
    此外,除了利用控制系统实现驱动控制外,还有一种技术思路是通过对前端视频流进行实时处理,从信号源的层面实现校正。可分为硬件实现与软件实现两 种。硬件实现即在视频信号源与控制系统之间加一个信号处理器,内部存储校正数据,对输入的视频流信号应用校正数据进行实时运算后输出给控制系统。软件实现 即截取电脑为信号源的显示数据流,加以校正数据运算后输出到DVI端口。
    与控制系统实现校正相比较,由于DVI信号只有为8位,这种用前端视频处理器实现校正的方法将严重损失灰度,其低辉与线性表现不佳将是必然结果,且应用色度校正时,也会因精度不足效果不理想。
    (四)校正后的维护
    逐点校正完成后,显示屏的后续维护面临着新的问题,如更换接收卡,更换模块后的数据更新,以及显示屏目标亮度与色域调整等。
    目前,很多逐点校正解决方案中,缺乏原始数据和中间数据,也无法复现校正时的参数设置与校正目标值,校正后,保存下来可供后续维护的仅有校正数据文件。这种模式可以应对接收卡更换的情况,对于模块更换等其他维护需求则无能为力,只能现场重新采集,甚至是全屏采集。
    也有进口校正系统通过提供一种遮光筒式的现场模块测量装置,近距离覆盖新更换的模块,与周边的模块数据相比较得到新模块的校正系数,来解决模块更换后的数据更新。
    上述的方法,都需要维护人员亲临现场,显示屏的最终用户无法自行完成维护工作。2010年,系统中增加了工程管理与模块数据管理的功能,接收卡更 换也好,模组更换也好,色域变换也好,都可以通过远程传送一组新的数据给客户来轻松实现。在该技术体系中,由于原始图像、原始亮度数据、修正亮度数据等中 间数据以及采集时的系统参数都得以保存,使得后续的维护工作有史可查、有据可依,并提供灵活的数据微调工具,帮助客户解决新换上的备用模组因光衰和原屏不 一致而出现亮块补丁的问题,实现“修旧如旧”。
    三、逐点校正各环节交互方式
    2009年前,采集系统多为控制系统自己开发,配合自己的控制系统使用。因此,无论是模块级、箱体级还是全屏级校正,采集系统与控制系统之间大都使用自定义的控制接口协议互动完成。
    这种控制接口协议的结合方式自动化程度高,写入数据的过程无需人工干预。对于一些数码相机校正方案,因测量设备精度与稳定性原因,需要反复采集、 邻区比对等才能保证区域间一致性,常常要求采集和显示控制紧密互动,这种控制接口协议的结合方式是唯一选择。然而,这也造成了采集系统与控制系统捆绑,互 不兼容。
    LED屏厂商引进进口采集设备结合自有控制系统,有两种情况,一是遵照采集系统的控制接口协议要求对控制系统进行改造,使用采集系统的软件功能完 成校正;二是自行开发软件,实现显示控制、采集系统采集与校正数据的生成与写入。这两种情况都意味着技术导入难度高、成本高,也同样地,不兼容,无法与市 场通用的控制系统相结合。2009年,将数据采集从逐点校正的过程中分解独立出来,开创了采集系统与控制系统的结合方式:数据接口协议。
    因为采集设备仅需一次数据采集即可完成校正,因此显示控制的部分变得十分简单,不需要与控制系统交互通信也可完成。而写入控制系统的步骤,则可以使用数据文档的形式,由控制系统自行完成读取写入相关存储区域的工作。
    这样,通用控制系统无需做任何改造,也无需公开任何控制接口命令,就可以通过读取公开格式的校正数据文档,实现逐点校正,系统对接的工作量压缩到最低,采集系统也最小成本地实现了与层出不穷的控制系统之间的最大兼容。
    数据接口协议的结合方式实现简易,灵活,兼容性好,但自动化程度低,未来行业内形成标准逐点校正控制接口协议,或采集系统厂商与控制系统厂商之间形成各自的专用控制接口协议,将是该环节的终极解决之道。
    四、逐点校正技术的未来发展趋势
    逐点校正在经历了90年代末到2008年近十年漫长的萌芽期、2008—2010年三年的快速成长期之后,即将在理论与实践的积累过程中、在分工进一步细化、流程标准化、协议统一化、评估规范化的进程中,逐渐步入它的成熟期。
    (一)技术分工进一步细化、专业化
    在产业分工日益细化、专业化的大势所趋下,逐点校正的采集设备也呈现出与控制系统分离,日益专业化的趋势。
    对优质的追求和市场竞争的推动,让越来越多的企业采用专业的逐点校正采集设备,将逐点校正固化为一道标准的工艺制程,而不仅仅是产品出现质量问题 后的救急之策。只有专业细分,才能实现广泛兼容,也才能使各细分领域都得到专业团队持续专注地深耕细作,资源互补,促进技术进步。
    (二)更快捷,更简便,自动化、标准化
    逐点校正技术从最初的机台校正一张大屏需要一个月时间,发展到今天近200平方的大屏校正一夜完成,已取得了划时代的进步。未来的逐点校正将沿着 高效、简便、自动化、标准化的路线继续前行,这是产业需求所决定的必然趋势。在实现这个目标的道路上,除了采集设备的技术革新之外,更需要业内控制系统合 作伙伴的配合与支持,行业标准的建设与推广,还有逐点校正实践者的经验积累与交流。
    (三)数据存储到模块
    LED显示屏制造业一直以来的生产模式是订单式生产,如今不少大厂开始探索计划式生产模式,一方面可以缩短供货周期产生竞争优势,另一方面标准化生产可以从规模上、从管理上产生效益和竞争优势。计划式生产意味着模块或标准箱体库存,意味着出货时的组合多样性。
    要适应计划式生产的要求,逐点校正的数据存储最佳方式是放在模块上,而不是像现在大多放在控制系统的接收卡上。当模块或箱体组装成显示屏后,控制 系统回读模块上的校正数据,或回读原始数据后自行根据校正目标值生成校正系数,并加以应用。这样的技术结构,将使得更换模块后的数据维护工作轻而易举。事 实上,国际和国内著名的LED屏厂商多采用这种校正数据存储方式。
    然而要实现这个目标,还有待行业内形成统一的控制系统与模块间的数据通信协议。
    LED显示屏以其节能、环保、高亮等逐渐被市场接受。其中在广告租赁市场、博览展会、娱乐演绎等领域已经得到广泛应用。LED显示技术不仅在市政 交通引导牌上得到应用,且已经发展到汽车车灯光源和照明光源方向屏,通俗点说就是更节能、更环保的“服务型”技术产品。以促进逐点校正技术的发展与应用, 为LED 显示屏产业龙点睛,虎添翼!
关键词:大屏幕技术

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