影响LED显示屏视觉质量的诸要素辨析

2019-05-29

标  题: 影响LED显示屏视觉质量的诸要素辨析

Some key factors about LED Display Screen Visual Quality

作  者: 陈听

  司:     颜色空间(北京)科技有限公司Color-Space (Beijing) S&T Co., Ltd.

摘  要:

本文在此介绍部分容易混淆的重要视觉参数,为高质量LED显示屏设计提供依据。包括:亮度与感知亮度、灰度视觉感受、影响亮度的环境要素、色温的心理感受、色度校正、逐点校正、逐点色度校正、逐点校正的作用等,供大家参考。

关键词LED显示屏,感知亮度,环境照度,色温,逐点校正,色度校正、逐点色度校正,颜色均匀性。

Abstract:

Most of the LED customer can evaluate the quality of LED through such specifications as brightness, contrast, refresh rate, brightness uniformity, color uniformity. but even with same visual specification quality , there are still big differences among the LED screen. Some looks excellent and attractive; the others look normal and even dirty. Why? Are there some special concepts which are very important and influence the LED screen quality beside these  specifications? The answer is “yes”. This article intend to introduce the key factors which are neglected by most of LED screen Manufacturing Company.  Like visual brightness , visual gray scale, mental feeling about color temperature, true color, dot correction, color calibration and color uniformity.

Keywords: visual feeling, ambient brightness, reflection, contract resolution, true color and color uniformity.

前言

目前,LED正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高发光密度、更高发光均匀性、全色化方向发展。国内外LED大屏幕产业都处于一个高速增长的阶段。虽然各生产企业投入大量的人力物力财力提高显示屏亮度、分辨率、刷新频率、灰度级、发光亮度均匀性、全色化等视觉参数,遗憾的是,多数企业生产的LED产品显示效果依然与优秀企业的产品存在很大差距。在此介绍几个常被忽略、误解、混淆的影响显示效果的基本要素,探寻提高LED显示视觉质量的根本方法。

 

1.亮度与感知亮度

通过直观观察,我们都能轻易区别显示设备的亮度差别,但是,可否定量测量亮度差别?通常认为当然可以,亮度计可以测得LED显示屏多少坎德拉每平方米,所以,亮度值可以用仪器测量得到。其实,通过仪器测量得到的亮度并不能反映人眼对亮度的主观感受。人眼对亮度的感觉与仪器测量结果并不一致。通过大量的科学统计,科学家发现两者之间存在一对一对应关系,也就是我们熟悉的伽马曲线 fig.1



伽马曲线告诉我们,如果希望将感知亮度降低一半,显示设备的亮度实际应该降到峰值的20%而不是50%。通过占空比(PWM)实现灰度调节的电路,若希望达到亮度减低一半的目的,其占空比应该是最大亮度时的20%而不是50%。如下图(fig.2)当用亮度计测得显示设备亮度已经降低到最大亮度的一半,但是,人眼观看时,感觉到的亮度其实只降到最大亮度的76%。(Fig.2



同理,LED显示屏的灰度是通过点亮LED的时间长短变化产生的。大量的实验证明,同样的激励差别,也就是占空比差别,可以得到同样的亮度测量结果差别。问题是,同样的激励差别并不能得到同样的灰度变化差别。按等间距占空比显示的灰度色带,亮度计测得的亮度差别虽然相同,视觉感受并不均匀变化。低亮度时变化明显,高亮度时不明显。

 

为了使显示屏输出均匀变化灰度级的显示效果,应该在电路中加入灰度级变换伽马校正电路,将输入的符合仪器特性的灰度数据变换成符合人眼观看特性的灰度输出,只有使用了伽马校正灰度级变换电路的LED显示屏,视觉灰度层次才会丰富,显示图像效果才会清晰。(Fig.3)


 

2.环境亮度对感知亮度的影响

视觉亮度不仅主观,而且其感知结果易受环境亮度影响。其影响程度到底多严重,让我们先看一下(Fig.4)。图中上半部左右各有一竖长条,哪个的亮度更大一点呢?好像是左边更亮一点。其实,左右两个长方形亮度是一样的。为证明这一点,我在两个长方形下方又各画了一个长正方形,用手遮住其他两个,仔细两两比较的话可以发现,四个长方形的亮度其实都相同。



如何让LED显示屏的图像更鲜艳更明亮?优秀的LED显示屏企业都采用了提高对比度,降低环境亮度的方法。采用黑色遮光罩、采用黑色密封胶、选择黑色表贴LED,设置黑色屏幕背景,以上方法都可以欺骗人眼,使那些即使不太明亮的显示屏也能产生出非常明亮的视觉感受。

 

3.亮度调整

当阴天、夜晚环境亮度较暗时,如果LED显示屏太亮,就会刺眼,会给LED显示屏观看者带来不舒服的感觉,严重时会对人眼部造成伤害。高速路边的LED如不具有亮度调整功能,有可能诱发交通事故。此种光污染已引起国家标准制定部门重视,相关标准正在制定中。整屏亮度调整的主要目的是根据环境光强弱,调整LED整屏亮度,使LED显示屏看上去即清晰明亮又不刺眼。国内大部分厂家已经实现了这一功能,但是真正用好这一技术的企业和用户并不多,一方面,没有好用的环境亮度检测设备,另一方面,没有合适的可供参考的调节规范。

人眼对亮度的感知是动态的,就像照相机的自动感光调节装置,人眼可以快速扫描环境亮度并调节瞳孔大小以便于适应环境照度。实验结果显示,调节并适应高亮度环境只需要几秒(小于一分钟),但是,从高亮度环境调节到低亮度环境却要经历被较长的过程,根据起始亮度不同,人眼调节时间需5分钟以上,为了适应完全黑暗的环境,最长时,人眼需要30分钟才能看清周围物体。当LED显示屏的亮度与其环境亮度的反差比较大时,为同时适应LED显示屏和环境亮度,人眼瞳孔需要不停地调节,以便于适应亮暗、亮暗不停地变化,才能看清屏幕。这势必快速造成眼睛疲劳,带来不适感。这就是为什么显示屏的亮度应该与环境亮度匹配的原因。(Fig.5



当人眼适应了100坎德拉每平方米的室内环境亮度之后,能看清的亮度范围是10-1000坎德拉每平方米。如图(Fig.5)。任何超出此亮度范围的显示内容都需要人眼努力调节才能适应,并逐渐看清。如果我们适应了1000坎德拉每平方米的室外环境亮度之后,能看清的亮度范围是100-10000坎德拉每平方米。在室外环境下,需要人眼努力调节5秒钟才能适应并逐渐看清60坎德拉每平方米的手机内容,就是这个道理。

依照此理论,可以建立LED显示屏亮度调节方法设计规范。根据环境亮度使灰度范围落在适合人眼舒适观看的范围内。尤其是夜晚,显示屏的最大亮度应该小于10倍环境亮度。

 

4.色温调节的心理效果

同一副画面,不同的色温能给人带来不同的心理感受。通过调节LED显示屏显示白色时RGB亮度所占比例,可以调节显示屏显示白色时的色温。从而,同一显示屏针对不同应用环境,可以通过设置不同白色色温,达到不同显示效果。例如,LED显示屏用于电视台舞台背景,就适宜将白色色温调节为冷白色光,以便传递愉快、舒适的感觉。室外LED广告屏适宜将白色色温调节为冷色光,以便更加醒目,给人明亮的感觉。

暖色光:暖色光的色温在3300K以下,暖色光与白炽灯相近,红光成分较多,能给人以温暖,健康,舒适,比较想睡的感受。适用与家庭,住宅,宿舍,宾馆等场所或温度比较低的地方。

冷白色光又叫中性色,它的色温在3300K到5300K之间,中性色由于光线柔和,使人有愉快,舒适,安详的感受。适用与商店,医院,办公室,饭店,餐厅,候车室等场所。

冷色光:又叫日光色,它的色温在5300K以上,光源接近自然光,有明亮的感觉,使人精力集中及不容易睡着。适用与办公室,会议室,教室,绘图室,设计室,图书馆的阅览室,展览橱窗等场所。


5.色度校正 (色彩还原)

色度校正也被称为色彩还原处理,其目的是提高LED显示屏的色保真度。详见参考文献。

两种应用场合,色度校正非常有效:

由于人眼对肤色、面部色彩的敏感性,色温调节通常无法获得真实的人脸面部色彩,不经色度矫正的显示屏永远无法获得红润的面部颜色。仅仅具有色温调节,没有经过红绿蓝色度矫正的LED显示屏,白色可以满足要求。但是,其他颜色都有可能不真实,红色可能会偏紫;绿色可能会偏黄或偏青,蓝色会偏暗,或偏白色。

广告用户会对LED广告屏能否真实显示企业标识的颜色很在乎。如果可口可乐公司鲜艳的标准红色标识在LED显示屏上变成了暗红色,估计会大大影响其形象宣传。已经有很多报道两会的摄影记者抱怨LED显示屏固然醒目,但是一旦拍成照片或现场直播,LED显示屏的颜色太不真实。关于体育场周边LED广告屏,广告用户如何重视色彩还原,不少企业一定深有体会。


    


 

可见,对LED显示屏的色温调整只能改善显示画面的白色表现效果,并不能够真实表现所有色彩。只有进行色度校正的显示屏才能输出并显示出真实的色彩。

色温和色度校正是对LED显示屏的整体特性进行调整,所以,借助类似色度计等能够一次测量单个发光点的仪器,运用色度空间变换原理,提供一套色度变换数据,就可以实现调整。

 

6.逐点校正(逐点亮度校正)

一直以来,由于制造工艺等原因,LED的特性有很大不同,当把这些LED制成的显示模组集成为LED显示屏时,如果没有对这些差异进行足够的补偿,那么将导致LED显示屏亮度、颜色的差异清晰可见。

欧美用户往往要求LED显示屏供应商具有逐点校正技术,是否具有逐点校正技术已成为区分优秀的LED企业与普通企业的一项指标,越来越多的LED显示屏公司开始关注这一技术,许多LED控制系统厂家也纷纷推出支持这一技术的控制系统。

关键是要正确区分逐点亮度校正和逐点颜色校正之间的差别。逐点亮度校正可以改善显示屏亮度均匀性,但是,无法改善LED显示屏的颜色均匀性。如果LED显示屏所有的LED为同一批次,LED之间只有亮度差别而没有颜色差别,逐点亮度校正就可以使显示屏均匀。但是如果同一块屏上LED之间有色差,通常的亮度逐点校正系统就无能为力。借助色度计可以实现对LED显示屏的全屏色彩还原,对颜色保真度进行调整。但是,由于色度计不具有逐点色度测量功能,所以无法对颜色均匀度进行校正。

 

 

7.逐点色度校正(颜色均匀性校正)

为了提高显示屏的均匀性,显示屏企业通常的做法是对LED分档,不仅亮度分档,颜色(波长)也需要分档。借助亮度逐点校正设备,亮度可以不分档了。但是,颜色、波长依然需要分档。因为亮度逐点校正设备无法逐点测量LEDXYZ色度数据,所以无法提高显示屏的颜色均匀性。虽然借助色度计的色度校正方法解决了颜色还原问题,对颜色均匀性改善,依然无能为力。

随着人们对LED显示屏的要求越来越高,只对LED色坐标进行细分和筛选已经无法满足人们挑剔的目光,对显示屏进行综合校正处理,使色度均匀性得到改善是可以实现的。(详见:《现代显示》(2006年第6期,LED显示屏色度处理技术刍议,作者:程德诗)

颜色逐点校正设备可以逐点测量每一个LEDXYZ色度三刺激值,所以能够细致地逐点测量每一个像素的亮度色度数据,逐点对每个像素进行色度空间变换处理,为显示屏提供数以万计的不同的色度空间变换矩阵。因此,只有逐点色度校正才能够提高LED显示屏的颜色均匀度,才能使显示屏企业彻底抛弃对LED进行细致分档的做法。

根据人眼对色差的宽容度理论,详见《现代显示》(2006年第6期,LED显示屏色度均匀性和色保真度,作者:李熹霖),在均匀色空间中,人眼对于色差的宽容度是△Euv=3,也被称为视觉可感知色差,当LED之间的色差小于此数值时,被认为差异性不大。当△Euv>6表示两色之间的色差严重,在许多工业检验中将被判定为不合格。

在均匀色空间某些部位,由于人眼对颜色的感知度非常灵敏,即使是经过严格分档的LED仔细辨认的话,也能看出色彩差别,这就对色度逐点校正设备提出了极高要求,如果设备的色度采集准确度小于人眼对颜色的分辨能力,逐点色度校正后的结果甚至更差。因此,色度校正采集设备的准确度,决定了色度校正是否有效。目前的做法是多次采集取平均或递归算法,经多次采集多次校正才能实现色度均匀。

8.逐点校正技术的作用和前景

目前,LED显示屏的生产制造企业数量比较多,其技术也相对成熟。各个企业制造的显示屏的结构、原理基本相似,如何提高显示屏的技术性能、降低成本是企业竞争的关键所在。其实,逐点校正能给LED企业和用户带来的好处远不止普遍认为的提高显示屏均匀性。逐点校正的真正作用是降低LED显示屏企业的运营成本,使显示屏企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。

常规降低成本的做法是降低采购成本,采用逐点校正技术可以减低对LED分档要求,不同亮度,不同波长的LED都可以接受,LED采购时对供应商的要求降低了,采购成本自然就低了。

其实,企业运营成本最大的一块是库存,各种批次的LED、显示模块可以混用在同一项目上、可以减少大量的库存,减少资金占用,减少分档的工作量,减少库存分类的工作量,减少批次跟踪工作量,减少到货检验的工作量,即使项目剩余的LED也可以再次在下一个项目中使用。尤其对于租赁屏的生产企业,如果不同厂家、不同批次、不同品种的产品可以随意搭配混合使用,将显著提高租赁屏的使用效率。

所以逐点校正给企业带来的最大价值首先在于显著降低了企业的运营费用,其次才是提高了产品性能。企业规模越大,逐点校正带来的成本节约越明显。

LED显示屏在安装使用一段时间以后,LED的亮度和色度将会随着时间衰减变化,但每颗LED衰减变化的程度是不同的,这将导致LED显示屏的视觉品质大大下降;另外,LED显示屏使用过程中损坏的LED模块的更替导致新的模块与整屏不匹配,也会大大降低LED显示屏的视觉品质。LED显示屏逐点色度校正能够比较轻易保证显示屏在整个生命周期内的视觉品质得到最佳优化。

逐点校正测量设备还可以提供LED亮度、色度分布统计数据,为研发部门提高显示效果提供设计依据。以往,由于缺乏检测设备,企业对采购到的LED原材料色度参数究竟如何无从知晓,逐点校正测量设备还可以提供入库LED亮度色度客观统计数据。提供出厂产品均匀性,客观统计数据。提供显示屏均匀性现场补救措施(现场校正)。

逐点校正方法并不是万能的,光轴不一致,光强分布曲线不一致问题,逐点校正方法无法解决。拼装精度以及设计不规范造成的一致性问题无法解决。

2012将是中国逐点校正年。可供选择的逐点校正测量系统越来越多,性能逐步完善。几大LED显示屏控制系统公司纷纷推出支持色度逐点校正的控制系统。几大显示屏控制系统厂商均陆续大力投入研发力量,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。行业协会将逐点校正技术列为未来LED显示屏技术发展方向之一。国家标准部门正起草新的有关亮度、颜色均匀性标准。目前采用LED显示屏校正技术的企业仍然比较少,但随着行业对高品质显示屏的需求越来越大,LED显示屏校正技术将会得到大力的推广,并最终成为确保品质的关键技术之一。

小结

上述概念在以往《现代显示》多篇文章中皆有论述,本人正是在这些文章的启发下逐步探索才明晰了这些要素之间的关系,并找到了初步的解决方案,在此一并感谢前辈们的贡献,并希望我的探索能给LED显示屏生产企业带来新的启示。

参考文献:

[1] 李熹霖 LED显示屏的色度均匀性和色保真度 现代显示 2006.6 : P9-15

[2] 程德诗 LED显示屏色度处理技术刍议 现代显示 2006.6: P23-26

作者简介: 陈听,男, 山东大学电子系硕士,颜色空间(北京)科技有限公司总经理,2011独立设计了国际领先的逐点色度校正测量系统,

1996-2003利亚德电子科技有限公司技术部经理,

2003-2010比利时巴可伟视(北京)公司技术部经理,总工程师。

E-mail: tim@colorsp.com