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機器視覺在LED電子顯示屏逐點校正技術中的應用

發布時間:2019-01-25 | 閱讀次數:1600

長久以來,LED電子顯示屏制造廠家一直被LED顯示屏亮度和色度不一緻問題困擾,原因在于加工工藝,以及LED顯示屏幕在使用中會出現不同程度的亮度衰減等問題。

LED顯示屏幕檢測

圖1  LED的亮度和色度的不一緻性影響了電子顯示屏的顯示效果

在LED顯示視頻時,由于切換速度比較快和人眼的視覺問題,呈現出來的缺陷并不是很明顯,但是對于播放靜止的畫面時,很容易被人眼識别到。

1.LED亮度和色度校正原理:

由于LED的色度随着電流變化會發生比較明顯的變化,一般采取PWM脈寬調制來調節LED亮度。

像素點的色度和亮度校正是通過分别調節該點的紅綠藍分量來實現的,對于每個需要校正的像素點,需要3*3的校正系數矩陣與之相乘。通過與校正系數對應的脈沖寬度來驅動LED,從而使得整個顯示屏的亮度和色度獲得很高的一緻性。

工業相機檢測應用

2.基于光譜儀的逐點校正技術:

早期的逐點校正技術是基于光譜儀(Spectroradiometer)的點校正技術。如下圖所示:

工業相機|LED顯示屏檢測

圖2  基于光譜儀的逐點校正

光譜儀的原理是利用分光棱鏡将某一點發出的不同波段的可見光按等間隔波段分開後,通過線陣的CCD完成光電轉換,最後得出待測點的光譜分布,從而得出其亮度值和色度值。

由于是逐點測量,所以光譜儀測量具備很高的測量精度,也具有很好的測量一緻性。早期有部分LED顯示屏制造商采用了這項技術。但LED顯示屏在現場使用一段時間(通常在半年~兩年)後,每一顆LED都會有不同程度的亮度和色度的變化,而基于光譜儀的校正技術隻能一次測量一個點,隻能在生産的過程中在線測量,無法在現場進行校正,這使得該項技術在LED電子顯示屏的逐點校正上的應用非常受限。

3.基于工業相機的LED逐點校正流程:

工業相機在LED顯示屏應用

圖3  基于工業相機的逐點校正

基于工業相機的LED逐點校正系統一次可以對多個像素點進行測量,測量流程如下:

(1)采用标準光源标定相機和鏡頭。

(2)采用工業相機對顯示屏上多個像素點進行成像。

(3)用戶設定校正後的目标值,包括白屏亮度,紅分量、綠分量和藍分量的色度。

(4)主機軟件對像素點定位,并且依據得到的圖像計算每一個像素點的亮度和色度值。

(5)主機軟件計算出每一個點的校正系數矩陣。

(6)将校正系數矩陣發送至顯示屏,顯示屏針對每一個點進行矩陣運算,實現逐點校正。

4.基于工業相機的LED逐點校正系統校正效果如下:

工業相機檢測

圖4 校正前與校正後的LED顯示屏效果對比

5.基于工業相機的LED逐點校正方案的關鍵問題:

在用工業相機對LED進行逐點校正的時候,需要注意以下幾個關鍵問題:

(1)工業相機的選擇;

(2)鏡頭的标定;

(3)分區校正;

(4)校正系數的數據管理;

5.1工業相機的選擇:

LED電子顯示屏的亮度和色度測量需要非常高的精度,成像質量尤為重要,而工業相機所使用的傳感器則是決定成像質量的首要的因素。常見的工業相機傳感器如下:

全幀CCD(Full Frame CCD);

幀轉移CCD(Frame Transfer CCD);

行間轉移CCD(Progressive Interline Transfer CCD);

CMOS

工業相機在LED行業的應用

圖5 常見CCD内部結構

全幀CCD(Full Frame CCD)具備非常高的靈敏度和大的動态範圍。

幀轉移CCD(Frame Transfer CCD)也具備非常高的靈敏度和大的動态範圍,它與全幀CCD唯一的不同是因為有暫存區,所以無需快門可以拍攝運動物體(LED測量屬靜态測量)。

行間轉移CCD(Interline Transfer CCD)的靈敏度、動态範圍和信噪比不是太高。

CMOS是近10年才發展的技術,有着很高的讀出速率和很好的性價比,但由于其電荷到電壓的轉換集成在像元内,所以電路噪聲比較高。

對于圖像傳感器,除了結構和材料以外,像元尺寸、填充因子也是很重要的标準,一般來說,像元尺寸越大和填充因子越高,相機的動态範圍、靈敏度和信噪比也越高。

綜上所述,對于LED電子顯示屏測量,大像元尺寸(10um*10um以上)的全幀CCD是最佳選擇,最好選擇制冷型的工業相機以降低工業相機的噪聲。

5.2 鏡頭的标定:

鏡頭屬于比較複雜的光學系統,除了制造工藝的不一緻性以外,鏡頭本身固有的需要校正的因素有:(1) 由光圈帶來的鏡頭焦平面上光強不一緻,具體表現為中心區域的光強比周邊區域的光強強。(2) 鏡頭引起的幾何畸變,具體表現為在鏡頭邊緣會出現内縮的畸變。對于前者,可以通過标準光源,取參考圖,通過算法可以得到校正系數。對于後者,則需要盡量采用長焦鏡頭(最好選擇焦距為150mm以上的鏡頭),因為鏡頭焦距越長,幾何畸變越小。

5.3 分區校正:

對于選定的鏡頭,在對大型電子顯示屏進行校正時(我課題組研發的的LED顯示屏控制系統結合專用校正系統曾經校正過面積達1312平方米的戶外全彩屏),由于每一個顯示屏上的像素點需要相機上的大約10*10個像素點進行采樣,所以需要分區校正。

由于每一個區的校正時間比較長(約1個小時),此期間空氣的濕度以及外圍環境光的變化,以及相機的視角的變化,會在校正後的區域邊界有邊界線,所以最後要對全屏進行一次校正來消除邊界線。

5.4 校正系數的數據庫管理:

LED電子顯示屏的維護是一個比較複雜的問題,顯示屏在投入使用的2年裡亮度會有着明顯的下降,色度也會有漂移,所以出廠的時候的校正系數隻有比較短的時效性。系統集成商或電子顯示屏制造廠商需要根據自己的實際需求管理好校正系數數據庫。在考慮數據庫管理方案的時候,需要考慮如下問題:

(1)數據庫管理的最小單位一般是廠商維修屏體故障時更換的最小單位,一般為模塊。

(2)顯示屏如果在投入使用的初期出現了故障燈,在換模塊的時候可采用與新模塊對應的出廠校正系數;

(3)顯示屏在投入使用一定時期後,如果出現了故障燈,因為顯示屏上原來的模塊已經有了比較明顯的衰減,所以重新換的模塊出廠時的校正系數就不再适用,需要手工修正後或重新校正。

(4)顯示屏在使用一定的時期後,各LED會因為不同程度的衰減,需要在現場進行校正,以保證顯示屏的顯示效果。

6.總結:

結合高端工業相機和專用圖像處理軟件,該方案在我課題組研發的LED控制系統中對大型LED顯示屏校正的結果表明,可實現整屏中的LED亮度誤差小于1%,色度誤差Cx/Cy小于0.003,從而明顯地提升了LED顯示屏的亮度和色度一緻性,有效提高了顯示屏的圖像質量。

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參考文獻

[1] 周晶晶,色彩校正方法的研究及其在LED顯示屏上的應用,西安電子科技大學碩士論文,2008年3月[2] 袁勝春,選擇适合您的工業相機,機器視覺, 2007年1月.

作者:  袁勝春(1979.10-)湖北黃岡人,西安電子科技大學技術物理學院教師,博士研究生。

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