大型LED顯示屏的計(jì)算機(jī)輔助校正

李天華

（遵義師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程系，貴州 遵義 563002）

0 引言

LED（Light Emitting Diode，發(fā)光二極管）顯示屏以LED為像素，由LED顯示點(diǎn)陣單元拼接而成。LED顯示屏主要包括顯示屏體、顯示屏控制器、控制計(jì)算機(jī)、配電設(shè)備、光纖、音視頻設(shè)備和控制軟件等[1]，可以將信息通過文字、圖片、圖形、動(dòng)畫、視頻圖像等形式顯示出來，具有圖案美觀、色彩亮麗、功耗低、壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域。

LED顯示屏由眾多LED組成，因?yàn)椴牧吓c制造技術(shù)的局限性，每個(gè)LED的亮度特性、色度特性存在離散性，要求每個(gè)LED的亮度、色度參數(shù)完全一致是不可能的[2]。特別是已經(jīng)安裝并使用的LED顯示屏，運(yùn)行一段時(shí)間后，由于每只LED都會(huì)有不同程度的亮度衰減和色度漂移，還會(huì)受到環(huán)境溫度變化、驅(qū)動(dòng)電路退化、電路設(shè)計(jì)缺陷、電源電壓差異、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工誤差等因素的影響。使LED顯示屏出現(xiàn)暗斑、亮斑、色斑、馬賽克等亮度、色度不均勻現(xiàn)象，嚴(yán)重影響圖像的顯示效果和使用壽命[3]。因此，需要對(duì)LED顯示屏進(jìn)行逐點(diǎn)校正。

1 基于相機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)逐點(diǎn)校正系統(tǒng)

逐點(diǎn)校正技術(shù)通過精確地控制每個(gè)像素的每只三基色LED的驅(qū)動(dòng)電流的方法，控制每個(gè)像素的亮度和三基色的配色關(guān)系，使LED顯示屏的所有像素的光強(qiáng)和色調(diào)一致。逐點(diǎn)校正技術(shù)必須測(cè)出每個(gè)像素的三基色LED的實(shí)際光強(qiáng)和色坐標(biāo)，并進(jìn)行亮度差和色差的計(jì)算，從而計(jì)算出每只校正的校正系數(shù)，反饋到控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)該像素的校正。

現(xiàn)有的逐點(diǎn)校正技術(shù)主要采用光槍檢測(cè)法、暗室測(cè)試儀、照相法來精確地測(cè)出每個(gè)像素點(diǎn)的亮度、色度。光槍檢測(cè)法檢測(cè)范圍小，一次只能測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，檢測(cè)大型LED顯示屏效率太低；暗室測(cè)試儀成本太高，只能在生產(chǎn)的過程中在線測(cè)量，不便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；照相法利用高精度數(shù)碼照相機(jī)來采集校正圖片，具有成本低、操作簡(jiǎn)單易行、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于LED顯示屏的現(xiàn)場(chǎng)逐點(diǎn)校正。

基于相機(jī)的LED顯示屏現(xiàn)場(chǎng)逐點(diǎn)校正系統(tǒng)一次可以對(duì)多個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，而且能夠在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行像素級(jí)別的校正。系統(tǒng)由筆記本電腦、LED顯示屏現(xiàn)場(chǎng)校正顯示控制軟件、數(shù)碼相機(jī)、LED顯示屏的數(shù)據(jù)采集軟件等構(gòu)成。

2 獲取校正圖片

隨著LED顯示屏的快速發(fā)展，數(shù)百平方米以上的大型LED顯示屏的應(yīng)用越來越多，數(shù)千平方米LED顯示屏也屢見不鮮。2010年上海世博會(huì)開幕式使用了上萬平方米的巨型LED顯示屏，廣州亞運(yùn)會(huì)開幕式采用了8幅船帆造型的大型柔性LED顯示屏[4]。

由于各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差別很大，大型LED顯示屏校正圖片的獲取是校正的前提、基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。在獲取時(shí)，容易受到環(huán)境、設(shè)備等因素的影響，獲取的校正圖片難免會(huì)有變形失真，有時(shí)不能采集到全屏圖片，導(dǎo)致校正效果不佳。

本文以逐點(diǎn)校正面積為363 m2（解析度1280 ×960，由1200 個(gè)長(zhǎng)550 mm、寬550 mm、解析度為32×32的LED箱體構(gòu)成，每個(gè)LED箱體由4個(gè)LED模組構(gòu)成，共有1228 800個(gè)三基色LED像素）、使用時(shí)間為18個(gè)月的大型LED顯示屏為例，探討采集校正圖片，利用圖像處理軟件對(duì)采集到的校正圖片進(jìn)行幾何校正，并合成出全屏圖片，來獲取逐點(diǎn)校正系統(tǒng)需要的檢測(cè)圖片。

2.1 相機(jī)的選擇

數(shù)碼相機(jī)是校正系統(tǒng)的關(guān)鍵測(cè)量?jī)x器，成像質(zhì)量尤其重要，要求它采集到的圖片具有很高的精確性，才能在后續(xù)的逐點(diǎn)校正中取得好的效果。校正選用性能很好的尼康D300S數(shù)碼單反相機(jī)來實(shí)現(xiàn)LED顯示屏的逐點(diǎn)校正，相機(jī)主要參數(shù)如下:CMOS（Complementary Metal-Ox?ide Semiconductor，互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體）感光元件傳感器尺寸23.6 mm×15.8 mm，1230 萬像素，51個(gè)對(duì)焦點(diǎn)，最大分辨力4288 ×2848 。

洋桔梗切花采收適期以每枝同時(shí)開花在3～5朵時(shí)為宜，保留基部2～3節(jié)，切花中下部葉片摘除，保留有效花苞數(shù)個(gè)。洋桔梗采收一般在清晨和下午溫度較低時(shí)間進(jìn)行，采收后應(yīng)立即放入清水中，防止脫水[6]。為防止運(yùn)輸過程中出現(xiàn)花朵萎蔫現(xiàn)象，延長(zhǎng)出售前保鮮時(shí)間，可在采收前10 d噴灑咪鮮胺1次，采后1 h內(nèi)用可利鮮保鮮液處理，冷藏在溫度3～8 ℃冷庫中。包裝則根據(jù)客戶需求，市場(chǎng)一般按0.8 kg·扎-1，每扎7～8枝花。

2.2 分區(qū)采集圖片

首先將LED顯示屏現(xiàn)場(chǎng)校正顯示控制軟件裝入LED顯示屏控制器中，LED顯示屏的數(shù)據(jù)采集軟件裝入PC中，把數(shù)碼照相機(jī)與PC連接。開機(jī)30 min，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。顯示屏的灰度級(jí)別、刷新頻率設(shè)置為最高。

運(yùn)行校正顯示控制軟件，進(jìn)入操作界面，確定顯示屏類型為“全彩實(shí)際像素”。設(shè)置LED屏幕的大小和區(qū)域:以像素為單位，直接輸入LED屏幕的列起點(diǎn)、行起點(diǎn)以及列長(zhǎng)和行高，將顯示屏分成多個(gè)大小合適的區(qū)域。確定整個(gè)LED顯示屏的行數(shù)為1280 ，列數(shù)為960；確定一個(gè)模組的行數(shù)為16，列數(shù)為16；確定掃描方式為“全部點(diǎn)亮”；確定掃描順序?yàn)椤白笾劣遥现料隆?。本校正分?00個(gè)區(qū)域（如圖1所示），每個(gè)區(qū)域行數(shù)為128，列數(shù)為96，面積為3.63 m2，有12個(gè)LED箱體。

確定顏色順序，以藍(lán)色為例，選擇“藍(lán)”選項(xiàng)卡，使“顯示測(cè)量數(shù)據(jù)”復(fù)選框處于不選中狀態(tài)，設(shè)置數(shù)據(jù)為“255”。按照預(yù)設(shè)的順序逐區(qū)域顯示紅色、綠色、藍(lán)色和白色，以便相機(jī)采集校正圖片。

用支架固定好相機(jī)，在鏡頭上裝好減光片，正對(duì)LED顯示屏，確保顯示屏待測(cè)區(qū)域成像于相機(jī)有效成像區(qū)域[6]。調(diào)整相機(jī)設(shè)置鏡頭，確保清晰對(duì)焦，讓圖片盡量大，照的圖片像素點(diǎn)間要有明顯分隔，不要連成一片。拍照完成后，從筆記本電腦顯示屏觀察采集的校正圖片，檢查圖片效果。對(duì)采集的校正圖片進(jìn)行編號(hào)，并保存。按預(yù)設(shè)的順序改變區(qū)域顯示紅色、綠色、藍(lán)色和白色……經(jīng)過多次拍照、編號(hào)、保存，直到校正LED顯示屏所需要的校正圖片采集完成。

2.3 圖片修正

Photoshop GS4是一款多功能、應(yīng)用廣泛的數(shù)字圖像處理軟件，支持?jǐn)?shù)碼相機(jī)的RAW圖片格式[7]。利用該軟件將采集到的LED顯示屏校正圖片進(jìn)行幾何校正、合成，從而創(chuàng)建出具有完整性的圖像。

2.3.1 變形校正

由于相機(jī)拍照時(shí)受到角度的限制，成像平面和景象平面間存在著傾角和轉(zhuǎn)角，相機(jī)所用的光學(xué)鏡頭會(huì)產(chǎn)生一定的幾何畸變，會(huì)使采集到的圖片幾何位置上存在著非線性的失真畸變。如果用采集到的失真畸變圖片來校正LED顯示屏，會(huì)導(dǎo)致LED顯示屏產(chǎn)生新的亮度、色度不均勻。因此用鏡頭校正和圖像變換校正方法來對(duì)采集到的失真畸變圖片進(jìn)行校正，有效地改善圖像的失真畸變，達(dá)到為逐點(diǎn)校正系統(tǒng)提供正確的校正圖片的目的。

1）鏡頭校正。選取校正圖片，單擊“濾鏡”、“扭曲”、“鏡頭校正”命令，軟件界面出現(xiàn)“鏡頭校正”調(diào)整窗口。左邊是“預(yù)覽”大窗口，勾選大窗口下面有“預(yù)覽”和“網(wǎng)格”按鈕。在“移去扭曲”選項(xiàng)中，撥動(dòng)“移去扭曲”滑桿中的滑塊，或左或右慢慢移動(dòng)；撥動(dòng)“垂直透視”、“水平透視”滑桿中的滑塊，或左或右慢慢移動(dòng)。觀察調(diào)整的結(jié)果，調(diào)整好后，點(diǎn)擊窗口右上角的“確定”按鈕，也可以使用鍵盤輸入具體的數(shù)字調(diào)整。還可以直接用鼠標(biāo)指針在預(yù)覽框內(nèi)對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)整、校正，調(diào)整好后，點(diǎn)擊窗口右上角的“確定”按鈕。對(duì)檢測(cè)圖片執(zhí)行“鏡頭校正”操作界面如圖2所示。軟件的“鏡頭校正”濾鏡，可以完成鏡頭的枕形畸變、桶形畸變、梯形變形校正，鏡頭的色差、暗角、照片精確旋轉(zhuǎn)校正。這些校正都是可以連續(xù)調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)預(yù)覽、一次完成的。

2）圖像變換校正。選取校正圖片，單擊“編輯”、“變換”命令，在選區(qū)圖片上將顯示一個(gè)調(diào)整框，調(diào)整框周圍顯示有8個(gè)控制點(diǎn)，通過拖拽控制點(diǎn)來對(duì)圖片進(jìn)行變形操作。單擊“斜切”命令，將鼠標(biāo)指針移動(dòng)到調(diào)整框控制點(diǎn)上，并拖拽鼠標(biāo)，可以校正傾斜的校正圖片。單擊“扭曲”命令，將鼠標(biāo)指針移動(dòng)到調(diào)整框控制點(diǎn)上，并拖拽鼠標(biāo)，可以校正扭曲的校正圖片。

2.3.2 合成圖像

由于LED顯示屏的校正圖片采集時(shí)間較長(zhǎng)，需要4 h左右。在此期間，外圍環(huán)境光線、空氣濕度會(huì)變化，以及顯示區(qū)域的改變使相機(jī)的視角變化，都會(huì)在采集的校正圖片區(qū)域邊界留下邊界線。所以校正系統(tǒng)要求對(duì)全屏顯示的紅色、綠色、藍(lán)色和白色分別進(jìn)行全屏圖片采集，用來消除區(qū)域邊界線。

該LED顯示屏處于繁華的交通十字路口，前面有路燈與雕塑等多種原因，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜，導(dǎo)致相機(jī)無法一次采集到校正系統(tǒng)需要的紅色、綠色、藍(lán)色和白色全屏圖片。因此，采集全屏圖片時(shí)不得不運(yùn)用回轉(zhuǎn)連續(xù)拍照法和平行連續(xù)拍照法，分為4幅采集。用軟件對(duì)采集到的4幅紅色、4幅綠色、4幅藍(lán)色和4幅白色圖片進(jìn)行合成，獲取校正系統(tǒng)需要的紅色、綠色、藍(lán)色和白色全屏圖片，取得較好的校正效果。

圖片合成是指在圖像處理軟件中將多幅圖片中的不同視覺元素分離出來，并重新組合，從而創(chuàng)建出具有完整性圖片的一種方式。軟件Photoshop GS4圖片合成方法多樣，有Photomerge創(chuàng)建、用圖層混合模式、用混合顏色帶、用剪貼蒙版、用圖層蒙版等方法合成圖片[8]。本校正依據(jù)采集的素材、針對(duì)主題的表達(dá)，選擇用Photomerge創(chuàng)建方法合成圖片。

首先選取校正圖片，在工具箱中選取裁切工具，在裁切工具屬性欄的“高度”、“寬度”與“分辨力”文本框中輸入數(shù)值。將鼠標(biāo)指針移動(dòng)到當(dāng)前圖像編輯窗口，并拖拽鼠標(biāo)繪制出裁切框，裁切框的周圍顯示有8個(gè)控制點(diǎn)。通過拖拽控制點(diǎn)來改變裁切區(qū)域，確定裁切區(qū)域后，在裁切框內(nèi)雙擊鼠標(biāo)或按Enter鍵，完成裁切操作。

單擊“文件”、“自動(dòng)”、“Photomerge”命令，打開照片合并對(duì)話框。選取“自動(dòng)”版面，勾選窗口下面“混合圖像”按鈕。單擊“瀏覽”按鈕，在打開對(duì)話框里找到并按采集順序選中前期分區(qū)拍攝的4幅紅色圖片文件（如圖3所示）。再點(diǎn)擊打開對(duì)話框中的“打開”按鈕，則所選接片便被加入到照片合并對(duì)話框中，4幅紅色圖片便按采集順序拼接成一幅高分辨力的紅色圖片。

按照上述方式選中前期分區(qū)拍攝的4幅綠色圖片文件，拼接成一幅高分辨力的綠色圖片，并命名保存；按照上述方式選中前期分區(qū)拍攝的4幅藍(lán)色圖片文件，拼接成一幅高分辨力的藍(lán)色圖片，并命名保存；按照上述方式選中前期分區(qū)拍攝的4幅白色圖片文件，拼接成一幅高分辨力的白色圖片，并命名保存。

3 校正LED顯示屏

依次把采集的校正圖片導(dǎo)入LED顯示屏的數(shù)據(jù)采集軟件的數(shù)據(jù)處理控制欄，設(shè)定好逐點(diǎn)校正的期望值。軟件會(huì)識(shí)別出紅色、綠色、藍(lán)色和白色圖片各多少張，標(biāo)出最低、最高和最多亮度的像素點(diǎn)數(shù)，分析每一個(gè)區(qū)域各像素點(diǎn)的相對(duì)亮度，計(jì)算出校正系數(shù)，生成校正系數(shù)文件并保存[9]。

將有各點(diǎn)校正系數(shù)的文件導(dǎo)入LED顯示屏控制器當(dāng)中，并進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算轉(zhuǎn)化，形成屏體實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示屏屏體，完成對(duì)每只LED的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)顯示屏逐點(diǎn)亮度和色度調(diào)整功能。

用數(shù)字圖像處理技術(shù)來對(duì)采集的校正圖片進(jìn)行幾何變形校正和合成時(shí)，只能做較小范圍的調(diào)整，要不斷對(duì)比被拍攝的LED顯示屏原圖，不造成失真，不對(duì)校正圖片的亮度、色度參數(shù)做任何調(diào)整與修改。

4 小結(jié)

基于相機(jī)的LED顯示屏現(xiàn)場(chǎng)逐點(diǎn)校正技術(shù)是確保LED顯示屏質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一，得到了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外LED顯示屏生產(chǎn)及相關(guān)廠商研究開發(fā)了多種基于相機(jī)的LED顯示屏校正方案。應(yīng)用表明，用數(shù)字圖像處理技術(shù)來對(duì)采集的校正圖片進(jìn)行變形校正和合成的方法尤其適用于大型LED顯示屏的調(diào)校，可以使校正系統(tǒng)的校正更準(zhǔn)確、調(diào)整更精細(xì)、實(shí)施方式更靈活。經(jīng)過調(diào)校的大型LED顯示屏清晰、均勻、色彩鮮艷、白場(chǎng)過渡柔和。

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