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行业知识

LED全彩大屏幕γ产生原因及γ校正方法


随着电子技术的不断发展,视频显示设备己经不再是 CRT 一枝独秀,LCD、PDP、LED 等平板显示新秀正在大力扩展自己的市场。但由于这些显示设备的特性与 CRT 不同。如图 5.3 所示。因此,在接收基于 CRT 的电视信号时,必须各自进行不同的校正,以适应在线路中所传输的非线性信号,所以准确地说,这些新型显示设备的校正应该被称为反 γ 校正。不过,由于业界己经通行 γ 校正的提法,所以约定俗成,就这样沿用下来,但实际上它与电视视频处理中的 γ 校正总是成互逆关系的,本文后面部分将把信号源处添加的校正称为预校正,显示控制环节的校正称为 γ 校正。表 5.1 为当前流行的各种显示设备的传输特征曲线。

A 为经过预校正的信号源输出(γ=1/2.2),B 为 LED大屏幕的线性输出。对于摄像管,x 轴表示摄像管输出电压(正比于景物亮度),y 轴表示该电压经预校正后送入系统的电压;对于 LED 大屏幕,x 轴表示 LED 的输入信号,y 轴表示LED 的光输出,图中 0 到 1 为相对幅度,1 代表这个量可达到的最大值。假设某个给定的景物亮度按线性比例产生的摄像管电压为 x=0.8,由于预校正,这个 0.8的输入(沿 x 轴)按图中播送段的预校正曲线将产生 y=0.9 的输出(送给 LED 大屏幕)。

再从LED大屏幕的线性关系来看,当收到为 x=0.9 的输入时,LED 的光输出也为 y=0.9。由此看来,当 LED 大屏幕不经 γ 校正而直接使用经过预校正的信号时,LED 大屏幕系统的传输特性为非线性关系。这时,其显示的画面会出现严重的灰度畸变,亮度普遍提升,有效灰度分级减少,图像对比度下降。由此可见,必须在把控制灰度的信号送给 LED 驱动电路之前对其进行 γ 校正。

实际上,γ 校正还不仅限于对幂函数传输特性的校正。根据 IEEE(Institute ofElectrical and Electronics Engineers,美国电气和电子工程师协会)的定义,γ 校正是在视频系统中,为了改变系统的传输特性而插入的非线性输出/输入特性。尽管在历史上,γ 校正是对摄像机的视频信号进行预补偿,以校正 CRT 电子枪功率函数的非线性的,但现在己经广泛用于对整个系统的传输函数的处理(包括非幂函数情况,不论是固有的还是插入的)。所以,应当从系统角度广义地对系统的非线性进行补偿处理,以达到满意的画面效果。

如果不进行适当的 γ 校正,LED大屏幕的显示会出现严重的灰度畸变。可以知道,LED大屏幕大多是通过控制电流脉冲宽度的占空比来实现图像灰度的。当决定发光强度的电流保持恒定时,通过改变影响发光时间长短的电流脉冲宽度占空比就可以选择不同的灰度等级。LED全彩大屏幕采用的 γ 校正原理图。

在帧存储器的输出增加一个按指数(1/γ)编制的幂函数查找表(LUT),以输入信号作为表的地址,直接从表中读出输出的数值。由于LED全彩大屏幕是由红、绿、蓝三种 LED 所构成,因此需要对其分别加以修正。同时,为了适应不同的工作环境及观看喜好,可以设定选取不同的 γ 值,

表示 γ 值不同时,输出与输入关系的 γ 修正曲线。可以看到,γ 值越大画面的对比度越大,高亮度区域的层次感越清晰,但较暗的场面会显得很黑,层次不清楚。所以 γ 值的选择与播放节目的基调有关。如果图像的反差不太大,宜选用较小的 γ 值,反之可选用较大的 γ 值。户外大屏幕因为环境亮度高,需要较高的对比度,所以通常选 γ 值为 2.8~3.0。

对于数字式输入,当 γ=1 时,m 级的输入对应有 m级的输出;当 γ>1 时,输出的等级将减少。例如,对于 256 级的灰度输入,当 γ=2.8时,只有 180 级的灰度输出,降低了对比度的级数,从而也减少了屏幕显示颜色的能力。因此,在进行 γ 校正时,通常需要提高 LUT 的输出位数,使得在输入级数不变的情况下,可以获得更高的灰度表现能力和更多的色彩表现能力。设输入的位数为 m,输出的位数为 n,下式给出 LUT 的数值:

式中,C(k)是校正值,k 是 LUT 中某一指定位置,k=0,l……m-1,γ 为选定值,m≤n。对式 5.7 求微分,在 γ 值选定后,利用 n 位编码的 LUT,即可计算出与 m 级输入相对应的可分辨的输出级数。

采用提高输出编码位数的方法,可以使图像的亮度特性有很大改善,使之更适合工作环境和观看者的喜好,但是屏幕的色彩表现力实际上并没有得到提高。这是因为尽管屏幕能够显示 2n×2n×2n的色彩表现力,但是系统只有 2m种输入,所以屏幕的同屏显示颜色也就只有 2m×2m×2m色。因此,为了提高系统的颜色显示能力,就必须使 LUT 的输入位数提高。对于视频信号而言,一般只有使用更高的 A/D变换位数和数字处理位数。

电视显示系统为了克服在低亮度(灰级)段图像偏暗的缺点,采用了预补偿办法,按 B=E1/γ
的关系对发送的视频信号进行了预校正。这样,电视接收系统所显示的图像实际上是 B=E1/γ曲线(视频源预校正)和 B=Eγ曲线(CRT 非线性特性)的叠加,从而最终实现了图像信号与图像亮度间的线性变换,消除了低灰度级图像偏暗的缺点。

但是,LED大屏幕显示系统的亮度 B 与电流脉冲宽度占空比 T 之间的关系是线性的。这样,当 LED大屏幕显示这些经过预校正的图像信号时,就会出现低亮度段的亮度跳变太快,使得图像的层次感欠佳。为了使 LED大屏幕实现高质量的图象显示就必须对输入信号进行反 γ 校正。根据观察灰度球时做出的补偿曲线,在低亮度环境下,以 B=T1.7补偿曲线获得的显示效果。折线是实际测量到的结果,较平滑的那根线是做出的补偿曲线。可以看到,在采用 LED 的 γ 校正补偿曲线与信号源的预校正曲线合成后,图像信号与显示亮度接近了线性关系,再加之人眼在较暗环境下的亮度敏感度较高,因此可以获得比较好的视觉效果。