测量因素对LED显示器白平衡评价的影响

测量因素对LED显示器白平衡评价的影响摘要：本文研究环境温度等测试因素导致的LED显示器白平衡异常。通过对几个厂家显示器测试数据的系统分析，得到了其特点或规律，给减少产品白平衡异常测试或设计提供了参考信息。通过指标绘图分析的方法研究了CA210显示器色彩分析仪和C7120交直流耐压测试仪实验测量的记录数据，得到了温度、探头角度两个测量因素对LED显示器的均匀度、色温和伽玛曲线的影响。据此，给出了在实际生产中应该注重哪些问题，做出什么改进以减少测量的误差。关键词：LED显示器；白平衡；温度；异常InfluenceofmeasuringfactorsontheLEDdisplaywhitebalanceevaluationWuHanUniversityofTechnology,LuoShiroad122,WuHan430070,ChinaAbstract:ThispaperstudiesanomaliesofthewhitebalanceonLEDdisplaycausedbythefactorssuchastheenvironmenttemperature,featuresorrulesaregottenbyanalyzingdataofpaneltestingfromseveralmanufacturers,whichprovidingreferencinginformationaboutreducingproduct'swhitebalanceanomalies.IndexanalysismethodisusedtostudythemeasureddatarecordedbyCA210displaycoloranalyzerandC7120ac/dcvoltagetester,gettingtheeffectoftemperatureandangleoftheprobeonevenness,colortemperature,aswellasgammacurseofLEDmonitor,accordingly,problemscanbesummedupthatattentionshouldbepaidtointhefutureinpracticalproduction,what'smore,improvementcanbemadetoreducetheerrorofmeasurement.Keywords:TheLEDdisplay;Whitebalance;Temperature;anomaliesLED显示器由于它的高亮度、低工作电压、小功耗、小型体积、长寿命、耐冲击和稳定性能而收到广泛的欢迎。虽然LED的发展前景极为广阔，但它仍具有一些现实问题。液晶显示器没有人眼的适应能力，在不同光线下，由于CCD输出的不平衡性，会造成屏幕的彩色还原失真，这就需要对白平衡进行调节。白平衡是指显示器对白色物体的还原，在使用人造光源时可能会造成色彩失真而使用的一种纠偏电路。调节白平衡可以改变LED显示器的色温、RGB值、饱和度等，进而使LED显示器的显示状态达到最佳状态。但因LED显示器的白平衡异常比较多，且人们对此知之又少，白平衡成为影响液晶显示器最重要的因素［1。］因此，专门对各厂家显示器做系统的研究，找出规律，总结其特点找出可以解决或者改良的措施以便能减少白平衡异常，减少工厂生产的成本。1测量原理与方法原理色温是用来表征现场光源的特性，用白平衡调整作为技术手段来进行艺术创造，突出主题。色温是表示光源光色的尺度，单位为K（开尔文）。当光源所发出的光的光谱与不反光、不透光完全吸收光的绝对黑体在某一温度时辐射出的光谱分布相同时，相应的绝对黑体的开氏温度称之为这一光源的色温。Gamma曲线是一种特殊的色调曲线，当Gamma值等于1的时候，曲线为与坐标轴成45°的直线，这个时候表示输入和输出密度相同。高于1的Gamma值将会造成输出亮化，低于1的Gamma值将会造成输出暗化。总之，我们的要求是输入和输出比率尽可能地接近于1。Gamma并不用来对图像的整体色彩单边的加亮或者变暗，而是用它来对图像的对比度进行调节，所以当我们要让对比度增加的时候，需要使亮的地方更亮，暗的地方更暗；而要让对比度减小的时候，需要使亮的地方变暗一些，暗的地方亮一些；当然图像的总体色彩是不能变化的，而且这个调节不能幅度过大，曲线的趋势不能改变，在这些条件的基础上尝试一些值，以画出平滑的，色彩正常的图像Gamma曲线。而这里我们采用最简单的方法，使用excel的图表功能来尝试一些数据，以画出一些曲线，最终使用这些曲线值来达到对其图像的对比度的调节。在计算机系统中，由于显卡或者显示器的原因会出现实际输出的图像在亮度上有偏差，而Gamma曲线矫正就是通过一定的方法来矫正图像的这种偏差的方法。一般情况下，当用于Gamma矫正的值大于1时，图像的高光部分被压缩而暗调部分被扩展，当Gamma矫正的值小于1时，图像的高光部分被扩展而暗调部分被压缩，Gamma矫正一般用于平滑的扩展暗调的细节。均匀度是指最亮与最暗部分的差异值，就是屏幕四个角落的亮度与中心点亮度的比值，一般将中间定义为100%。任何投射出的画面都会出现中心区域与四角的亮度不同的现象，均匀度反映了边缘亮度与中心亮度的差异，用百分比来表示。当然，理想的均匀度是100％，均匀度越高，画面的亮度一致性越好。方法本文通过对不同类型的机种分类测量，记录，并且对数据进行处理，绘图制表，然后查找不同因素对实验结果的影响，总结规律，提出改进措施，进而达到解决问题的目的。测试方法就是将显示器与信号发生器相连接，对其输入一个特定信号，再将测量仪器的探头对准显示器的屏幕，测量仪器的终端与CA210或者C7120连接，进行数据收集，通过对数据的记录汇总，绘图，找出规律。在分析所选仪器不同，温度，测量角度对显示器的影响时，都在保证其他条件不变的情况下，改变一个因素，进而测量并记录数据。仪器及其简介CA210显示器色彩分析仪，测量液晶体显示器；C7120交直流耐压测试仪，线性放大技术产生低失真的正弦波输出。CA210也称显示器色彩分析仪，是专为测量液晶体显示器而设计，其特点包括是使用光纤传递信号，使仪器的精确度更高，测量的时间更短。可以将由于LED发光辐射曲线偏移引起的测量误差减小到传统型号的1/3以下，即使同一批次的LED背光的发光辐射曲线，也会经常有所不同，在其波峰处约有10nm左右的偏移现象。如果使用传统的色彩分析仪来测量调整这种特性屏幕的白平衡，在xy色度上引起的误差可能要接近0.010左右。但如果使用CA210,同样条件下的色度误差会减小到0.003左右，约为原来的1/3，大大提高了测量精度和稳定性。使用CA210测量波峰不同的LED背光的显示器，进行用户校准后，偏移量不同的屏幕得到不同的测量误差（与真值间的差异）降低信噪技术的运用，使得即使在0.005cd/m2的低亮度下，也能做到4次/秒的测量速度。这对于追求100,000：1高对比度（高对比度显示带来的直接效果是更真实、清晰的画面）的生产厂家而言非常有吸引力。另外，当亮度大于2cd/m2的时候，测量速度甚至可以达到20次/秒。C7120也称7120交直流耐压测试仪，仪器采用了线性放大技术产生低失真的正弦波输出，使测试更为精确。16X2大字符LED显示屏的运用，以及人性化的交互试操作模式，使得使用者更清晰易懂。试验条件对公司的试跑线的机器进行测量，记录。因为现实生活中，人们会在一定时间内持续使用显示器，随着时间的延长，液晶显示屏的色温，均匀度以及饱和度等都会有所改变，为了更接近地模仿现实生活中显示器的使用情况，首先对机器进行加温，待到一定时间，与一般用户使用情况比较吻合时再进行测量。2结果与分析LED显示器与色温的关系CA210与C7120对色温的差异图1色温的差异

工厂内使用CA210与C7120测试LED显示器各色温，但两个仪器对色温的标准是否一致还需要进行对比，使用这两个仪器分别对同一LED显示器进行测试。对显示器进行测试发现其x，y最大色温差可以达到0.01,而亮度Y可以达到24cd/m2。如上表所示的测试结果，各色温的x，y最大相差0.01。这样对于使用不同仪器测试的色温会有比较大的差异，故必须以一种仪器为准进行测试。从图中数据可以观察到，CA210所测得的数据更接近标准值，故厂内Q部门是以CA210为标准，测试仪器以CA210为准，C7120为辅。2.1.2探头的角度对色温的影响5BTF0.3170.3140.312£0.333

：03325BTF0.3170.3140.312£0.333

：033203303736S77.3030703070.306032^ E1812029]0292>0.31029310.308Sir03160.3140.3110333・V3.5|0331叵〃.0|033亍^29|AnglecharacteristictestforVGAsourceCondition:*Setthecontrastandbrightnessvaluetodefault•Powerontheproductatleast30minutesbeforedoingthetest・T@stangleofprobefor0・“3・,5・」0・」5・.colortempWARMNORMALCOOLSRGBuptilt* 1yYxIyIYXyLYxIy丫I0*0.321f0336■60J0.309)>0Ji0290032 ■D336E1602IcolortempWARMNORMALCOOLSRGBdowntiltyYXyYyYXy—丫I0B0.321I0336r160.20.3090.326\18070.2900.304114950.3210.3361160.23B0.322|0337■15280.3100.326F165.70287I0.3 |112990.323I0.337E150.1I5B0.325I0.339■4240.311r0.327K15490.286E0.298B114.70.325I0.339E140610"0.33■0.344B118.40.313E0.330f130.00.285K0.296B90.20.3310.34511115.3I15B0.337■L0.3499470.317fc0.333j102.50.2850.29366.50.341lEO.35385.6colortempWARMNORMALCOOLSRGBlefttiltx1yKM*yYcolortempWARMNORMALCOOLSRGBlefttiltx1yKM*yYXy.Xy丫0*0.32103360.3090.326■18070.29t0.304■149503210336K6023・0.32103390.31010.33E18110.291r0.308■46.30.3210341■66.35・0.3220.3400.312E0.332■18410.292f03100.324ft0.343■66.610B0.3260.3440.316■H0.336■8510.295r0.313E14550.3290.348■66815'0.3320.35“斥・0.322■0.342■8460.302tO.321■wo0.337B0.354■605图2角度对色五温的影响colortempWARM图角度’对“a典影费5LSRGB£温会有不同的色色温值。在实验时，我们选择其_5°，，测^试在四色温下的色温值—j-a J_I.03.32,*^511M293,I.一 一. _汨图所示，当探头倾斜角度大于3°后色温由于LED显示器他影响因素不变，将并记录，这样就可以达到了只在测量角度值会差到0.006个以上，故探头倾斜度最好不要超规3°[2]2.2Gamma曲线分析因为Windows系统下的sRGB色彩模型是以6500K做为标准色温，LED显示器常用的默认色温值也是6500K（即暖色温），多数影音制作也以6500K色温为参考值，所以本论文用各显示器在6500K色温下测得的伽玛曲线进行讨论。在此选出几组有代表性的值进行讨论，如表1。0.334戈'0.3i4"WIxi.2syL的影响。7^309丄K128^'10315■I2J9&.32FV0.332组别厂家尺寸发光源位置R-GammaG-GammaB-GammaW-GammaA121.5下2.30512.27072.21132.2057B118.5下2.66152.57612.28432.4522C218.5下3.28893.23713.73483.2528D321.5下2.43752.29812.45832.3435E321.5右2.90243.12403.52153.0257表中R-Gamma，G-Gamma和B-Gamma指的是RGB三原色的三条伽马曲线分别所对应的伽玛值，而W-Gamma指的是RGB三枪同时作用时的白画面所测得的伽玛曲线所对应的伽玛值。从A组数据可以看出其三原色的伽玛值都在标准值2.2左右，三条伽玛曲线的重合度较好，属于伽玛值非常理想的情况。而B组的三原色的伽玛值的重合度不太好，R和G都偏差了0.4，B与标准值稍有偏差。C组和E组的三原色伽玛值的重合度不太好而且与标准值偏差较大，最大的偏差都达到了1.5，显然离理想值太远了。D组数据与标准值偏差较小，偏差只有0.2左右，且三原色的伽玛值的重合度也较好，是比较理想的情况。根据以上分析，可以总结出液晶面板端本来的伽玛值一般都较差，一致性也不好，离产品追求的标准值差距较大，但伽玛曲线对色彩还原准确性有很大的影响。因此，在生产显示器时应先进行伽玛校正，减少后续伽马值不好带来的较大误差。2.3LED显示器均匀度测试一个LED显示器的屏幕是由成千上万个小LED像素点组成，由于发光器件具有散射性，导致显示屏产生亮色度不均匀的现象，严重影响显示屏的显示效果。在这部分将对均匀度进行分析［3］。从测试结果中，本论文选取以下几组有代表性的数据进行分析显示器的屏幕均匀度的状况，如表2所示。为了便于叙述，本文中将这六组数据分别记为ABCDEF，其中1〜9分别对应前面测量中编号的九个圆，九个圆对应的是屏幕的各个角落，均匀分布在屏幕上，这样测量不同位置的亮度与均匀度，观察是否符合常规，同时可以比较显示屏上同一个位置在不同情况下的亮度等，这样得到的结论更有说服力［4］。表2亮度均匀度测试数据表组别厂家大小（寸）发光源位置不同位置的亮度（cd/m2）最小亮度/最大亮度123456789A118.5下225.7250.1241.2231.3265236.8210.2245.5203.477%B121.5右178.7193.6174.4165.5192.4165.2169182.8172.685%C218.5下199.4210.5204.1221.7248.7216.1242.6228.4235.880%D223.6下246.7270.1240.1257.1301.6251.2277.527226880%E321.5下178.7172.7161.3171.7183.1157.5166.1165.2170.286%F321.5右210.1238.5247.7214.5253.3252.5215.824125383%不同的时间和地点环境的亮度变化极大，如果LED显示屏的播放亮度大于环境亮度60%就明显感觉眼睛的不适应，也就是说造成了对人的光污染。通过户外亮度采集系统，随时的对环境亮度采集。显示屏控制系统通过接收系统数据通过软件自动换算适合环境的播出亮度。先看最后一列最小亮度与最大亮度之比，一般的在工厂里要求达到75%以上，可以看出这六组都符合这一要求。特别是B组和E组，超出了10个百分点，而A组算是勉强达到这一规格。对不同位置的亮度整体来看可看出，亮度最大值都是在5号圆出现，即屏幕的中心位置处。这是因为用户在使用显示器的时候视线一般是正视屏幕中央，中央处亮度最大符合人眼的视觉习惯。将C组和D组进行比较，这两组的不同点在于尺寸，可以看出D组的每个点的亮度都比C组要高。可总结出尺寸大的液晶显示器，它的亮度也会较大。将E组和F组进行比较，这两组的不同点在于发光源的位置，可以看出F组的每个点的亮度都比E组要高。可以看出发光源在右侧的液晶显示器，它的亮度会比较大。将三个厂家的最大亮度与最小亮度之比进行比较，可以看出厂家1的显示器有的亮度均匀度较好而有的一般，其亮度均匀性并不稳定。而相对来说，厂家2和厂家3的亮度均匀性更稳定，同批次的相差不大，而厂家2的亮度均匀性更好一些。综上，可以总结出：尺寸大的液晶显示器其亮度较高，发光源在右侧的液晶显示器比在下面的液晶显示器亮度高；厂家2和厂家3的显示器均匀性较稳定也较优，其中厂家3又优于厂家2；而厂家1的液晶显示器不太稳定，有的亮度均匀性很好，有的又很一般。因此在实际生产中，可以有选择地选取一些品牌或者尺寸或者发光源位置的显示器，以提高最终产品的性能。显示器受温度的影响液晶显示器的开启时间越长，温度越高，但温度的增加并不是呈线性增长的。据此，可以在刚开启显示器时开始测量，在一定时间段内收集数据。为了得出温度对色温的影响的一般性规律，从而确定出理想的加温时间。本论文从测出的加温曲线中任意抽选4组进行分析［5］。为方便叙述，在此将其

分别编号为A、B、C、D组。这四组都是在色温6500K（即warm色温）下的加温曲线。其中纵坐标为色度坐标xyY的1000倍。主坐标为xy值，副坐标为Y值（即亮度值）。图3A组加温曲线图色度x值以及亮度Y与RGB各个分量呈正相关，色度y值则相反。A组加温曲线描述了从冷机到加温2个小时内色度的变化趋势，通过曲线图可以直观地表现出来：x成线性下降，当加温74mins后保持不变，色度x的最大值与最小值之差为max-min=315-308=7；y成线性下降，当加温85mins后保持不变，色度y的最大值与最小值之差为max-min=159-151=8;Y成线性下降，当加温74mins后保持不变，亮度Y的最大值与最小值之差为max-min=341-331=10。可见在前85分钟，温度对色度坐标影响较大。综上,理想加温时间在74mins左右。♦warm_x■warm_yAwarm_¥图4B组加温曲线图B组加温曲线描述了另一台LED显示器的色温在1.5个小时内随温度的变化状况，从图中可以看出，与A组三条曲线都呈现近似的变化趋势，即都是先线性下降，再趋于稳定。从75mins时，三条曲线几乎保持稳定，接近水平，故在这里，我们只截取了前1.5小时的加温曲线。通过加温曲线可以直观看到：色温x值基本稳定，最大值与最小值之差为max-min=309-308=1；色温y值成线性下降，当加温47mins后保持不变，最大值与最小值之差为max-min=331-327=4；亮度Y值一直成线性下降，最大值与最小值之差为max-min=189-169=20。综上，加温时间75mins时各个数值比较稳定。♦Warm_x■Warm_yAWarm_YTime(Unit:min)图5C组加温曲线图C组加温曲线中，亮度Y开始就趋于稳定，中途出现小波动，可以归因于测量外界条件的变化，例如测量仪器的晃动或者被测显示器的移动等，故在82mins后又趋于稳定，色温x值受加温时间变化不大，最大值与最小值之差为max-min=333-331=2；色温y值在加温53mins后色温不变，前5mins下降较快，最大值与最小值之差为max-min=353-348=7；亮度Y值在加温70mins后才保持不变,70mins之前成线性减小，最大值与最小值之差为max-min=206-186=20。综上，这台LED显示器的理想加温时间在70mins左右。图6D组加温曲线图D组加温曲线与前三组呈现相反的趋势，主要是由于这是另一台不同的机种，内部特性相反，故色温会随着时间的增加而增加，色温x值受加温时间变化不大，有微弱上升，最大值与最小值之差为max-min=320-319=1；色温y值在加温14mins后保持不变，最大值与最小值之差为max-min=334-332=2；亮度Y值在加温18mins后才保持不变，7