LED顯示屏的色度處理技術(shù)（2）

March 28, 2019

摘要：色度處理技術(shù)對于LED顯示屏的圖像質(zhì)量至關(guān)重要。色度處理技術(shù)主要包括基色波長的選擇、白場色坐標(biāo)的調(diào)配、色度均勻性的處理、色彩還原處理技術(shù)等以及本文提出的3＋2多基色LED顯示屏色度處理方法，該方法可再現(xiàn)更多的自然界色彩，使LED顯示屏更加五彩斑斕、絢麗多姿。

    1 引言

    LED顯示屏技術(shù)從二十世紀(jì)80年代初的單色顯示屏，到80年代末的雙基色顯示屏，再到90年代中期的三基色（全彩色）顯示屏，直到今天我們在平板顯示領(lǐng)域廣泛討論的多基色（大于三基色）處理技術(shù)。LED顯示屏的色度處理技術(shù)從最基本的基色波長選擇、到白場色溫的調(diào)配、再到為提高色彩還原度而進(jìn)行的色彩空間變換處理和為改善畫質(zhì)的色度均勻性處理、直到今天我們?yōu)榱藬U(kuò)大色域再現(xiàn)更多的自然界色彩而采取的多基色（大于三基色）處理。各種色度處理技術(shù)貫穿著LED顯示屏的發(fā)展史，成為LED顯示屏這門綜合性學(xué)科中最核心的技術(shù)之一。

    2 各類色度處理技術(shù)

    2.1 基色波長的選擇

    LED顯示屏在各行各業(yè)有著非常廣泛的應(yīng)用，而在不同的應(yīng)用場所對LED的基色波長有著不同的要求，對于LED基色波長的選擇有些是為了取得良好的視覺效果，有些是為了符合人們的習(xí)慣，而有些更是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)甚至國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。比如，對全彩色LED顯示屏中綠管基色波長的選擇；早期大家普遍選用波長為570nm黃綠色LED，雖然成本較低，但顯示屏的色域較小、色彩還原度差、亮度低。而在選擇了波長為525nm的純綠管之后，顯示屏色域擴(kuò)大了近一倍，且色彩還原度大幅提高，極大地提高了顯示屏的視覺效果。再比如，證券行情顯示屏，人們通常習(xí)慣于用紅色表示股價上漲、用綠色表示股價下跌、而用黃色表示平盤。而在交通行業(yè)則是由國家標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格規(guī)定了藍(lán)綠波段表示通行、紅色波段為禁行。因而，基色波長的選擇是LED顯示屏重要環(huán)節(jié)之一。

    2.2 白場色坐標(biāo)的調(diào)配

    白場色坐標(biāo)調(diào)配是全彩色LED顯示屏最基本的技術(shù)之一。但是在二十世紀(jì)90年代中期，由于缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和基本的測試手段，通常只是靠人眼、憑感覺確定白場色坐標(biāo)，從而造成嚴(yán)重偏色和白場色溫的隨意性。隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的頒布和測試手段的完備，許多制造商開始規(guī)范全彩屏配色工藝。但是仍然有部分制造商由于缺乏配色的理論指導(dǎo)，常常以犧牲某些基色的灰度等級來調(diào)配百場色坐標(biāo)，綜合性能得不到提高。

    LED顯示屏巨場色坐標(biāo)調(diào)配的理論指導(dǎo)請參閱《現(xiàn)代顯示》（2004年第2期，LED全彩色顯示屏的白平衡和色度均勻問題，作者：李熹霖），在此不再贅述。

    2.3 色度均勻性處理

    LED顯示屏色度均勻性問題一直以來是困擾業(yè)內(nèi)人士的一大難題，一般認(rèn)為LED的亮度不均勻可以進(jìn)行單點(diǎn)校正，來改善亮度均勻性。而色度不均勻是無法進(jìn)行校正的，只能通過對LED色坐標(biāo)進(jìn)行細(xì)分和篩選來改善。

    隨著人們對LED顯示屏的要求越來越高，只對LED色坐標(biāo)進(jìn)行細(xì)分和篩選已無法滿足人們挑剔的目光，對顯示屏進(jìn)行綜合校正處理，使色度均勻性得到改善是可實(shí)現(xiàn)的。

    我們發(fā)現(xiàn)即使是國際第一品牌同一檔LED也存在較大的波長偏差和色飽和度偏差，而且該偏差范圍大大超過了人眼對綠色色差鑒別的閾值因此，進(jìn)行色度均勻性校正是有重要意義的。

    在CIE1931色度圖中，按重力中心定律，我們發(fā)現(xiàn)：在G檔范圍內(nèi)（□abcd）的任意一點(diǎn)綠色混合一定比例的紅色和藍(lán)色，都可以將混合色的色坐標(biāo)調(diào)整到直線cR和直線dB的交叉點(diǎn)O。

    當(dāng)然，從圖一中我們可以看出該方法雖然可以使色度均勻性極大地改善。但是，經(jīng)過校正后的色飽和度明顯下降。同時，采用紅和藍(lán)來校正綠色色度均勻性的另一個前提是同一個象素內(nèi)紅綠藍(lán)三種LED盡可能采用集中分布使得紅綠藍(lán)的混色距離盡可能的近，才能取得較好的效果。而目前業(yè)內(nèi)通常采用的是LED均勻分布方法將會給色度均勻性校正帶來混亂。另外，數(shù)以萬計的紅綠藍(lán)LED色坐標(biāo)的測量工作如何展開也是一個極為棘手的難題。對此我們給了提示。

    2.4 色彩還原處理

    純藍(lán)、純綠LED的誕生，使全彩色LED顯示屏以其色域范圍寬、亮度高受到業(yè)內(nèi)的追捧。但是，由于紅綠藍(lán)LED的色品坐標(biāo)與PAL制電視紅綠藍(lán)的色品坐標(biāo)有較大的偏差（見表1），使得LED全彩屏的色彩還原度較差。尤其在表現(xiàn)人的膚色時，視覺上存在較為明顯的偏差。由此，色彩還原處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在此筆者推薦兩種色彩還原處理的方法：

    其一：對紅綠藍(lán)三基色LED進(jìn)行色坐標(biāo)空間變換，使LED與PAL制電視兩者之間的三基色色坐標(biāo)盡可能靠近，從而大大提高LED顯示屏的色彩還原度。但是，該方法大幅度縮減了LED顯示屏的色域范圍，使畫面的色飽和度大幅下降。

    其二：只對人眼最敏感的膚色色域進(jìn)行適當(dāng)校正；而對其它人眼不夠敏感的色域盡可能少降低原有的色飽和度。如此處理，可在色彩還原度和色彩飽和度之間得到平衡。

    2.5 3＋2多基色色度處理方法

    春天萬物復(fù)蘇，在藍(lán)天的輝映下，綠草青青；秋天麥浪滾滾；在陽光的普照下，一片金黃。五彩繽紛的大自然是那么的美好，遺憾的是現(xiàn)有的LED顯示屏無法完全再現(xiàn)這美好的景色。LED雖然屬于單色光，但是各色LED仍然有30~50nm左右的半波寬，因此其色飽和度是有限的。從圖3中可以看出：在大自然界色彩極為豐富的黃色和青色區(qū)域LED全彩屏的色飽和度是嚴(yán)重不足的。

    近年來，在平板顯示領(lǐng)域熱衷于討論3＋3多基色顯示（紅、綠、藍(lán)加黃、青、紫），以擴(kuò)大色域，再現(xiàn)更為豐富的自然界色彩。那么，LED顯示屏可否實(shí)現(xiàn)3＋3多基色顯示？

    我們知道在可見光范圍內(nèi)，黃、青為單色光，我們已擁有高飽和度的黃色、青色LED。而紫色為復(fù)色光，單芯片紫色LED則是不存在的。雖然我們無法實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)加黃、青、紫3＋3多基色LED顯示屏。但是，研究紅、綠、藍(lán)加黃、青3＋2多基色LED顯示屏卻是可行的。由于自然界存在大量高飽和度的黃色和青色；因此，該項研究是有一定價值的。

    在現(xiàn)行的各種電視標(biāo)準(zhǔn)中，視頻源只有紅綠藍(lán)三基色，而沒有黃、青二色。那么，顯示終端黃、青二基色如何驅(qū)動？其實(shí)，在確定黃、青二基色驅(qū)動強(qiáng)度時；我們因遵循以下三點(diǎn)原則：

    （1）增加黃、青二基色的目的是為了擴(kuò)大色域，從而提高色飽和度。而總體亮度值不能改變；

    （2）在提高色飽和度的同時，不得改變色調(diào)；

    （3）以D65為中心；以RYGCB色域邊界為端點(diǎn)，在色域范圍內(nèi)各點(diǎn)作線性擴(kuò)張。

    在上述三原則的指導(dǎo)下；按重力中心定律，我們可以找到3＋2多基色色度處理方法。但是，要想真正實(shí)現(xiàn)3＋2多基色全彩屏，我們還要克服黃、青色LED亮度不足；成本上升較大等困難，目前僅限于理論探討。

    3 小結(jié)

    綜上所述，我們主要討論了三個方面的問題：

    （1）如何提高LED顯示屏色度均勻性；（2）如何提高LED顯示屏的色彩還原度；（3）如何擴(kuò)大色域，還原更多自然界色彩。

    上述各項色度處理技術(shù)在具體實(shí)施時，都是相互關(guān)聯(lián)的，某些方面甚至是魚和熊掌不可兼得的。綜合LED顯示屏還須進(jìn)行亮度均勻性校正、灰度非線性變換、降噪處理、圖像增強(qiáng)處理、動態(tài)象素處理等，整個信號處理流程非常復(fù)雜。因此，我們必須從系統(tǒng)的角度對各項性能進(jìn)行綜合權(quán)衡，把握好各項處理的次序，并加大信號處理的深度，才能使LED全彩色顯示屏展現(xiàn)一個五彩繽紛、絢麗多姿的精彩世界。

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