全彩Mini-LED商業(yè)大屏顯示的彩色管理

薛治天， 呂國強(qiáng)， 杜 剛

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009；2. 合肥工業(yè)大學(xué) 特種顯示技術(shù)國家工程實驗室 現(xiàn)代顯示技術(shù)省部共建國家重點(diǎn)實驗室 光電技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；3. 合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

自20世紀(jì)末起，顯示領(lǐng)域主要通過電腦和家用電視進(jìn)行表達(dá)。直到2000年后，隨著科技的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，顯示行業(yè)也隨之得到了快速的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也從個人走向公眾，商業(yè)顯示也逐步成為一個獨(dú)立的行業(yè)[1]。

如今的商業(yè)大屏顯示方式主要表達(dá)形式分為3種：數(shù)字光處理顯示(Digital Light Processing，DLP)、液晶顯示(Liquid Crystal Display，LCD)和發(fā)光二極管顯示(Light Emitting Diode，LED)[2]。這3種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：DLP顯示在3種方式中光效最低，成像質(zhì)量、分辨率等方面都表現(xiàn)得十分中庸，在價格方面也沒有優(yōu)勢，所以目前的商業(yè)顯示解決方案基本采用LCD顯示或LED顯示[3]；LCD顯示在分辨率、產(chǎn)生熱量和維護(hù)成本等方面具有較大的優(yōu)勢，但其顯示時受環(huán)境光影響較大且拼接縫隙明顯，這些特點(diǎn)使LCD顯示在室內(nèi)顯示等對亮度要求不高的環(huán)境下頗受歡迎，所以LCD顯示成為了室內(nèi)商業(yè)顯示的中流砥柱； LED顯示由于發(fā)光原理和構(gòu)造的不同，在實現(xiàn)了無縫拼接的同時又具有較好的顏色表達(dá)能力，且LED反應(yīng)速度快，無重影、拖影等問題。近年來隨著Mini-LED技術(shù)的日益成熟，高分辨率LED商顯獲得盛贊，但較高的成本限制了其普及化應(yīng)用[4]。

組成一個商業(yè)顯示屏需要用不同批次、相同檔次的Mini-LED進(jìn)行混燈，這個過程是昂貴而且耗時的，由其組成的Mini-LED顯示屏仍可觀測到較為明顯的色差，造成這個問題的根本原因在于Mini-LED燈的生產(chǎn)工藝限制了其顏色還原能力[5]。顯示屏的分辨率越高意味著進(jìn)行混燈的Mini-LED燈珠數(shù)目越多，色差現(xiàn)象也越明顯。解決了Mini-LED間的色差問題，使其混燈的條件不再像如今這樣嚴(yán)苛，價格昂貴的問題也隨之解決。

本文針對Mini-LED顯示中存在的色差現(xiàn)象，提出了一種基于ICC色彩特性文件，通過對Mini-LED商業(yè)顯示屏模塊之間的色域關(guān)系判斷其目標(biāo)色域，利用查找表(Look-up Table，LUT)與四面體插值運(yùn)算的方式分別對每塊拼接屏的色域進(jìn)行映射，實現(xiàn)了色差矯正。其中針對Mini-LED商業(yè)顯示屏在低灰階部分較高灰階部分色差更為明顯的現(xiàn)象，通過利用不同的查找表密度改善了映射精度、映射時間與資源消耗之間的平衡[6]。

2 目標(biāo)色域的選取

Mini-LED商業(yè)顯示屏由數(shù)十個模組拼接而成，每個模組約由10個小拼接屏模塊構(gòu)成。每個模塊由于其面積較小，燈珠數(shù)目較少所以采用合適的燈珠分選容易做到，在顯示時無明顯色差，但組成Mini-LED商業(yè)顯示屏需要大量相同檔次的模塊，模塊間的色差現(xiàn)象難以避免。為此，針對一系列模塊如何選取一個合適的目標(biāo)色域進(jìn)行映射就顯得尤為重要。

2.1 色域關(guān)系

任意兩個色域之間的關(guān)系可以分為3類：如圖1所示，完全重疊、完全不重疊和不完全重疊。

圖1 色域關(guān)系Fig.1 Color gamut relation

對于完全重疊的色域，可以將大色域的顏色映射到小色域中完成顏色的復(fù)現(xiàn)；對于完全不重疊的色域，無法實現(xiàn)顏色的映射；對于不完全重疊的色域，可以將兩個色域的顏色各自映射到公共區(qū)域或靠近某一標(biāo)準(zhǔn)色域[7]。

2.2 目標(biāo)色域

通過對某個由36個模組，共計360個模塊組成的Mini-LED商業(yè)顯示屏的測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其色域關(guān)系只存在完全重疊和不完全重疊兩種情況且色域間極為靠近，如圖2與圖3所示。

圖2 完全重疊的色域關(guān)系Fig.2 Completely overlapping gamut relations

圖3 不完全重疊的色域關(guān)系Fig.3 Color gamut relation of incomplete overlap

圖2為隨機(jī)挑選視覺觀測條件下無色差現(xiàn)象的3個模塊，分別用紅色、綠色和藍(lán)色輪廓描繪其3D色域圖，可以看出其色域關(guān)系為完全重疊；圖3選取了存在較為明顯色差的3個模塊，采用相同的方式比較其色域，可以看出其色域關(guān)系為不完全重疊，結(jié)果表明全部Mini-LED顯示模塊色域都極為接近但仍有差異。所以選擇其色域最小的一個模塊作為映射的目標(biāo)色域即可，將其他模塊的顏色映射到該目標(biāo)色域中，對于Mini-LED顯示的顏色損失和最大亮度損失都在可接受范圍內(nèi)。

3 插值運(yùn)算

色域映射最主要的運(yùn)算是插值運(yùn)算，對于插值結(jié)點(diǎn)查找表中不包含的像素通道值，利用插值公式計算得到的結(jié)果近似替代。

3.1 幾種不同的插值運(yùn)算

色域映射過程中有4種較為常用的插值運(yùn)算，分別是四面體插值運(yùn)算、錐體插值運(yùn)算、棱柱體插值運(yùn)算和立方體插值運(yùn)算[8-11]。

上述幾種插值運(yùn)算的原理：當(dāng)某像素點(diǎn)的像素值不是查找表中已存在的數(shù)據(jù)時，通過對該像素值臨近的幾個查找表中的像素值加權(quán)運(yùn)算，從而得到該點(diǎn)的像素值。

3.2 插值運(yùn)算對比

對于4種不同的插值運(yùn)算，其對空間的分割、計算出目標(biāo)像素值所需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)和在每次運(yùn)算過程中的加法、乘法的次數(shù)決定了每完成一次映射所需要的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)精度以及運(yùn)算時間都有所不同[12]，如表1所示。4種插值運(yùn)算中四面體插值運(yùn)算較其他方法運(yùn)算量最小，資源消耗最少。

表1 4種插值運(yùn)算對比Tab.1 Comparison of four interpolation algorithms

4 色彩管理與查找表優(yōu)化

4.1 色彩管理

ICC色彩特性文件(ICC Profile)是一組數(shù)據(jù)集，被廣泛應(yīng)用于色彩管理，其目的是實現(xiàn)在不同的設(shè)備間顏色保持一致，通過定義色彩空間相對于特性文件相關(guān)空間(Profile Connection Space，PCS)，通常是CIELAB(L*a*b*)或者(CIEXYZ)之間應(yīng)如何進(jìn)行色彩轉(zhuǎn)換的方式來工作[13]。色彩轉(zhuǎn)換通過查找表的方式進(jìn)行存儲，未被存儲的像素值則通過插值運(yùn)算得到[14]。

4.2 創(chuàng)建查找表

本文通過愛色麗i1 display pro儀器對顯示器進(jìn)行測量，得到每塊拼接屏的ICC特性文件，通過仿真對特性文件中的標(biāo)簽數(shù)據(jù)提取分析，利用插值運(yùn)算得到源色域和目標(biāo)色域間的對應(yīng)關(guān)系，建立查找表[15]。

4.3 查找表優(yōu)化

分別用33×33×33、17×17×17和9×9×9三種大小的查找表完成相同的插值運(yùn)算，并將三次映射結(jié)果相對比，發(fā)現(xiàn)顯示器三通道顏色中紅色表現(xiàn)良好，映射前在顯示純紅色場圖片時均觀測不到色差現(xiàn)象，映射后純紅色場圖片顏色仍非常均勻且映射前后像素通道值無變化；在顯示純綠色場圖片時可觀測到輕微的色差現(xiàn)象，映射后純綠色場圖片顏色較為均勻，觀測不到色差現(xiàn)象，映射前后綠色通道值變化較??；在顯示純藍(lán)色場圖片時色差現(xiàn)象最為明顯，映射后純藍(lán)色場圖片顏色均勻性有明顯提升，絕大多數(shù)模塊間不存在色差現(xiàn)象，仍有極少數(shù)模塊存在微小色差。

對于33×33×33和17×17×17兩種大小的查找表而言，映射后精度即通過查找表插值后的結(jié)果基本無差異，如表2和表3所示。

表2 33×33×33數(shù)據(jù)Tab.2 33×33×33 data

表3 17×17×17數(shù)據(jù)Tab.3 17×17×17 data

將17×17×17和9×9×9兩種大小的查找表映射結(jié)果相對比，結(jié)果表明綠色、藍(lán)色像素通道值在不超過120時，17×17×17大小的查找表映射精度要高于9×9×9大小的查找表，在其余部分兩種大小的查找表映射精度基本無差異，如表3和表4所示。

表2為33×33×33大小的查找表在一次完整的色域映射前后編號為01_01、03_05和10_24的3個模塊中R、G、B的像素通道值數(shù)據(jù)結(jié)果對比，完成一個模塊的映射時間約為4 h；表3為17×17×17大小的查找表選取相同的模塊進(jìn)行對比，完成一個模塊的映射時間約為0.5 h；表4為9×9×9大小的查找表選取相同的模塊進(jìn)行對比，完成一個模塊的映射時間約為4 min，映射時間隨表格變小而大幅度降低。

表4 9×9×9數(shù)據(jù)Tab.4 9×9×9 data

實驗結(jié)果表明，在G ≤120和B ≤120兩種情況下使用17×17×17大小的查找表，在剩余部分使用9×9×9大小的查找表進(jìn)行映射可以在不損失精度的情況下最大程度地減少映射時間和資源消耗。

5 Mini-LED綜合性能對比

5.1 最大亮度損失

在色域映射過程中將大色域作為源色域，最小的色域作為目標(biāo)色域，所以在色域映射后最大亮度和顏色均會有一定的損失[16]，通過控制卡將Mini-LED峰值亮度調(diào)整為1 500 cd/m2，在進(jìn)行色域映射后測得整屏最大亮度約為1 447 cd/m2，由此計算可得進(jìn)行色域映射后該屏最大亮度損失約為3.5%。

5.2 像素光強(qiáng)均勻性

(1)

式中：

(2)

分別計算出IR、IG和IB，3次計算結(jié)果的最大值記為IPJ，IPJ即為該顯示器的最大像素光強(qiáng)均勻性，該值越大說明顯示器光照強(qiáng)度差異越明顯，如表5所示[18]。

表5 像素光強(qiáng)均勻性分級Tab.5 Uniformity classification of pixel intensity

未映射前Mini-LED商業(yè)顯示測試屏的像素光強(qiáng)均勻性為8.2%，在經(jīng)過色域映射后該屏幕像素光強(qiáng)均勻性降至4.9%，有效證明了Mini-LED在經(jīng)過色域映射后整屏的像素光強(qiáng)均勻性有明顯的提升，在主觀觀測條件下亮度也顯得更為均勻。

5.3 色差矯正

色差測試采用不同灰度級和不同亮度級的純紅圖片、純綠圖片、純藍(lán)圖片、灰階圖片以及隨機(jī)混色圖片，這樣可以使測試圖片更廣泛地散布在色域空間，可以更好地反映顯示器整體顏色情況[19]。進(jìn)行色域映射前Mini-LED屏的色差計算結(jié)果為2.2ΔE，映射后整屏色差計算結(jié)果為1.3ΔE，有效證明了該色域映射方法可應(yīng)用于Mini-LED顯示器的彩色管理且效果理想。

6 結(jié) 論

本文針對全彩Mini-LED商業(yè)大屏顯示的特性，提出了一種應(yīng)用于全彩Mini-LED商業(yè)大屏顯示的彩色管理方法，在保證色域映射精度的同時大幅縮減了映射時間。首先根據(jù)商業(yè)顯示大屏模塊間色域差距較小，但由于大屏的“放大”特性在視覺觀測的條件下仍有明顯的色差現(xiàn)象，針對該現(xiàn)象對顯示器進(jìn)行有效的色域映射。在色域映射時選擇四面體插值運(yùn)算可以大幅度節(jié)約時間成本，然后通過對33×33×33、17×17×17和9×9×9三種大小的查找表映射結(jié)果進(jìn)行對比。實驗結(jié)果表明，在G ≤120和B ≤120兩種情況下使用17×17×17大小的查找表，在剩余部分使用9×9×9大小的查找表可以在不影響精度的條件下大幅度減少硬件資源消耗，從而減少映射所需時間。在進(jìn)行色域映射前后，Mini-LED商業(yè)顯示大屏的像素光強(qiáng)均勻性由8.2%降至4.9%，最大亮度損失僅為3.5%左右，可達(dá)到人眼基本不可分辨的范圍內(nèi)，整屏色差由2.2ΔE降至1.3ΔE，在人眼觀測條件下無明顯色差現(xiàn)象。該方法在對Mini-LED商業(yè)顯示大屏進(jìn)行顏色管理時起到了良好的作用，在最大亮度損失極小的情況下對像素光強(qiáng)均勻性和色差方面都有明顯的提升效果，可以證明應(yīng)用該方法可以高效地對Mini-LED進(jìn)行彩色管理，為Mini-LED未來發(fā)展方向提供一定的參考價值。