全彩LED显示屏的伽玛曲线与灰阶校准

1、LI中科维优VUdNDUSTRT VISION全彩LED显示屏的伽玛曲线与灰阶校准摘要：LED显示屏作为显示设备，其伽玛表与灰阶表现，对显示品质至关重要。然而其实际表现往往与理论预期存在或多或少的偏差，尤其是低灰段偏差更大，问题更多。RGBE种基色的伽玛曲线实际不一致，则会导致白平衡在不同灰阶上色彩漂移。低灰段的亮度偏差，必然导致色度校正的结果偏差。不同屏的伽玛表与灰阶未经校准，也会让逐点校正后，无法保证全灰阶的亮色一致性。本文从LED显示屏伽玛与灰阶校准的必要性出发，探讨伽玛与灰阶校准的原理，技术方案，最后用校准实践和数据来展示伽玛与灰阶校准带来的显示品质提升。关键词：LED显示屏；伽玛曲线

2、与灰阶校准；Gamma and Gray Scale Calibration of LED ScreenAbstract : As display equipment, the gamma and gray performance of LED screenis very important to display quality. However, most times, actual performance isnot exactly the same as expected. There are usually more or less errors, especially with lo

3、w gray. The gammadifference among color R, G and B, will lead to white balance shift by different grays. Brightness error in low gray will cause error to chroma calibration. Because of different gammaof different display, it can' t be ensured that brightness and chromaticity uniformity in all gr

4、ays after calibration. This paper will start with the necessity of gamma and gray calibration for LED display, and discusses the theory of gammaand gray calibration, the technology and show the performance after gamma and gray calibration with practice and actual data.Key word : LED Display ; Gamma

5、and Gray Scale CalibrationLED显示屏作为显示设备，其伽玛表与灰阶表现，对显示品质至关重要。对色彩还原准确度要求高的专业场景中，显示设备的色彩与灰阶的定期校准是必不可少的维护措施。LED屏的白平衡在不同灰阶上色彩漂移也经常被专业高端客户所诟病。尤为困扰的是，对于LED显示屏来说，后期采用亮色逐点校正技术提升品质已经成为行业标配，然而，校正，特别是色度校正的准确性，一致性，和全灰阶有效性均依赖于伽玛曲线与灰阶的精准和一致。然而其实际表现却往往与理论预期存在偏差，导致各种各样的问题：如色度校正结果不准；低灰段补色过高；部分补色过亮和部分不亮导致部分灰阶均匀度严重下降；不同

6、批次屏体校后只有采集灰阶上一致，其他灰阶上依然出现明显色差，等等。这些问题使得不同批次租赁屏混用问题始终困扰整个业界，校正带来的改善效果也局限重重。不同屏，不同基色的伽玛曲线与灰阶的实际表现有差异，相对理论值有偏差，这是客观现实，从前期的设计和生产也无法严格管控。为此，我们从原理出发，从伽玛曲线与灰阶 的后期校准入手，解决上述三大问题：1） LED屏伽玛灰阶不准（低灰优化）；2） LED屏白平衡在不同灰阶上存在色漂移；3） 校正准确度不佳和不同灰阶段效果恶化；全面提升显示屏的色彩空间层次与色彩还原度，让校正效果在全灰阶均能得到良好表 现，让不同批次租赁屏混用问题得到最终的解决。1名词解释与相关

7、概念1.1 伽玛曲线对于LED显示屏，伽玛曲线表现为控制系统的伽玛表。以16位灰阶的控制系统为例，伽玛表将0-255的图像灰阶（Image Gray Scale,以下简称IGS, 8bit ） 映射到 0-65535 的16位显示灰阶（Display Gray Scale, 以下简称 DGS 16bit ）。表1.1为一典型控制系统的Gamma=2.8的伽玛表示例，图1.1为用该伽玛表内256个点连接折线绘制成的伽玛曲 线：IGS(0-255 )DGS(0-65535 )0011623636012716256图像灰阶（IGS: 0-255）LJ中科维优VII- INDUSTRY VISION2

8、53645082546502025565532表1.1图1.11.2 伽玛曲线校准伽玛表体现了控制系统的理论预期，如表 1中，IGS=1时，对应DGS=16即，图像灰阶 为1时的屏亮度，应为图像灰阶为255时的屏亮度的16/65532 = 0.000244 倍。那么，伽玛曲线的校准，就是通过实测 0-255各图像灰阶的屏亮度，检验当前表中的各DGS直的亮度是否和理论的比例值吻合，如不吻合，找到最接近对应理论值的DGS直，重置伽玛表。1.3 灰阶校准仍以16位灰阶为例，全灰阶校准意味着通过全灰阶（0-65535 ）的亮度实测，找到每个理论DGS直，所应对应的实际 DGS直的列表，使之最大限度符合

9、理论预期。1.4 白平衡色漂移白平衡的校准往往是对显示画面为R255G255B255也就是白色W 255时进行校准，然而，由于RGE£色各自的伽玛曲线表现不同，当白色灰阶为其他值时，如W12& LED屏的色坐标（色温）就会产生漂移，不再符合客户的要求与设计初衷。这种现象我们称为白平衡色漂移。事实上，不仅仅是白色会产生漂移，整个色域空间都会相对设计初衷产生色漂移。这种因基色伽玛曲线表现不同导致的色漂移。1.5 技术现状伽玛表的校准，之前缺乏工具，往往只是用人眼凭经验手工调整个别的IGS对应的DGS值，局部修正伽玛表，没有任何精准与效率可言。当前，我们已开发了全自动伽玛校准的系统

10、工具LEDGammaYoda可以轻松简便地完成这一繁难的工作。灰阶校准，是个全新的概念，校准的数据采集方面，对设备精度和稳定性要求极高；我们自主研发的超高精度超高稳定度的测量装置VU Light Elf已可胜任。但是校准数据应用方面，由于是全新的概念， 还有待控制系统完善相关工具，在本文第3部分将对此做进一 步说明。2伽玛校准实践与效果实验所用为P6表贴租赁屏，不同批次的 2个箱体，以下简称 A箱和B箱。灰阶精度为 13位（8192级），因当前通用系统中仅德普达系统可提供RGBE色独立的伽玛表调节功能，因此实验中控制系统使用DBStar HRV11S。2.1 伽玛表灰阶校准伽玛校准数据量太大，

11、无法在本文中全部展示，因正常LED屏灰阶优化需求最迫切的在低灰段，故以红色 R为例，取图像灰阶 0-40数据段绘图。如对完整实验数据感兴趣，可联 系作者。R_Gamma校正刖0.030246810 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40图像灰阶(IGS: 0-40 )归一化亮度比图 2.1-1kI中科维优VU- IND USTRY VISION0.03R_Gamma校正后理论值 .A箱 t_ B箱0.0150246810 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40图像灰阶(IGS : 0-40 )图

12、 2.1-2从上图可见，未经伽玛校正前，A箱与B箱低灰伽玛曲线表现不同，且都与理论值曲线存在相当大的偏差。校正后几乎与理论值完全重合。其校正前后相对理论值的相对误差可参见表2.1-1 ,篇幅关系，仅列出前10级灰阶的数据供参考。原始伽玛表校正前误差校正后R伽玛表校正后R误差图像灰阶ISG(0-255 )显示灰阶DSG(0-65535 )A箱误差（为B箱误差（为A箱DSGB箱DSGA箱误差（为B箱误差（衿00-00-11690.66%42.66%811-10.24%-3.99%236122.28%59.97%1824-8.44%1.73%360125.70%66.52%28373.59%-3.5

13、8%484129.18%68.08%3851-2.49%-7.73%5108132.49%69.62%48652.52%-1.60%6136126.55%65.48%60812.44%-1.34%7164128.83%67.07%72972.04%-0.99%8192129.98%68.87%841142.66%-1.07%9220131.63%70.02%95133-1.84%-0.87%10248132.16%70.62%107149-1.65%-0.58%正常显示屏低辉段效果可以通过伽玛表校准得到优化，而有时显示屏出现的个别灰阶亮度异常的质量问题，也可以通过伽玛表的校准得到解决。2.2

14、改善白平衡漂移RGB三色在不同灰改善白平衡色漂移，意味着将 RGB三色的伽玛曲线校准到一致。当阶上的亮度比均相同，白平衡的不同灰阶上也就不会产生那么大的色漂移了。以下图表是对实验的 2个箱体伽玛校正前后的实测结果:A箱伽玛校正前伽玛校正后图像灰阶W_xW_yCCTW_xw_yCCT160.27010.2934108840.26470.279812878320.26550.2864120580.26450.281212751640.26300.2813130000.26450.280912792LI中科维优VUdNDUSTRT VISION1280.26240.2801132430.26430.

15、2807128411920.26240.2800132690.26420.2805128922550.26410.2803129410.26410.280312941B箱伽玛校正前伽玛校正后图像灰阶W_xW_yCCTW_xw_yCCT160.29070.289788720.25220.262319866320.26960.2765124510.25100.262120284640.25540.2663174350.25120.2625201801280.25170.2637195140.25140.2625200781920.25080.2629201470.25150.26271997025

16、50.25170.2628198570.25170.262819857A箱14000k(TCC温色对相80001200010000163264128192255图像灰阶21000B箱rec温色对相600011000163264128192255图像灰阶图表数据显示，经过伽玛校正后，白平衡色漂移得到了大幅改善，色域还原的准确性 大大提高。2.3 提升色度校正准确度与全灰阶一致性全灰阶的准确度，直接决定了色度校正的准确度，尤其是单色补色往往要求低灰阶的精准实现。然而当前技术条件下，低灰阶的准确度尚存在很大的问题。如2.1中的图表所示,0-10级图像灰阶的实际测量值与理论预期相差可高达100噂上！这

17、就导致了校正系数应用不准确，也导致了不同批次显示屏，即便某个灰阶上校正到一致，其他灰阶的一致性依然不佳，大大限制了逐点校正这一技术的普及与应用。为此，我司特别提出全灰阶校准的概念，通过校准，让灰阶的实际表现回归理论预期。前期我司已经通过我们自有产品视频校正处理器VUVisual Box实现了 8位的灰阶校准，虽受限于视频信号校正只有 8位，然而色度准确度仍然得到大大提高，不同批次色度校正后的 全灰阶一致性得到相当的改善。3存在的问题与解决方案本文提出的伽玛曲线校准与全灰阶校准两项后期校准概念，要实现和普及，需要从两 方面做技术方案：一是校准数据的获取，二是校准数据的应用。3.1 校准数据的获取

18、校准数据的获取方面，主要难点有二，一是重复性、稳定性、分辨率超高的测量设备，能稳定准确地测出十万分之一量级的灰阶亮度级差。当前业界使用的测量工具主要为光枪和积分球，此二者皆无法胜任，尤其在最需要校准的低灰段的亮度测量上，均无能为力。二是测量量大，需要全自动测量软件工具的配合。针对以上的技术需求，我司特别开发了软硬件系统LEDGammaYoc的校准数据的获取难题已经被攻克。3.2 校准系数的应用1) RGBB玛表分立的需求当前的通用控制系统， 大多RGBE色都使用同一张伽玛表，而事实上RGB勺伽玛曲线实际表现确有很大差异， 这一点已在我司大量实验中得到验证。据笔者所知，目前仅德普达系统提供RGBE色分立的完整伽玛表，卡莱特系统在0-64低辉段提供RGB三色分立的伽玛表可供校准。控制系统如果不