大型LED显示屏的计算机辅助校正

李天华

（遵义师范学院 物理与机电工程系，贵州 遵义 563002）

0 引言

LED（Light Emitting Diode，发光二极管）显示屏以LED为像素，由LED显示点阵单元拼接而成。LED显示屏主要包括显示屏体、显示屏控制器、控制计算机、配电设备、光纤、音视频设备和控制软件等[1]，可以将信息通过文字、图片、图形、动画、视频图像等形式显示出来，具有图案美观、色彩亮丽、功耗低、寿命长、工作稳定可靠等特点，被广泛应用于社会经济的诸多领域。

LED显示屏由众多LED组成，因为材料与制造技术的局限性，每个LED的亮度特性、色度特性存在离散性，要求每个LED的亮度、色度参数完全一致是不可能的[2]。特别是已经安装并使用的LED显示屏，运行一段时间后，由于每只LED都会有不同程度的亮度衰减和色度漂移，还会受到环境温度变化、驱动电路退化、电路设计缺陷、电源电压差异、结构设计和加工误差等因素的影响。使LED显示屏出现暗斑、亮斑、色斑、马赛克等亮度、色度不均匀现象，严重影响图像的显示效果和使用寿命[3]。因此，需要对LED显示屏进行逐点校正。

1 基于相机的现场逐点校正系统

逐点校正技术通过精确地控制每个像素的每只三基色LED的驱动电流的方法，控制每个像素的亮度和三基色的配色关系，使LED显示屏的所有像素的光强和色调一致。逐点校正技术必须测出每个像素的三基色LED的实际光强和色坐标，并进行亮度差和色差的计算，从而计算出每只校正的校正系数，反馈到控制电路，实现对该像素的校正。

现有的逐点校正技术主要采用光枪检测法、暗室测试仪、照相法来精确地测出每个像素点的亮度、色度。光枪检测法检测范围小，一次只能测量一个点，检测大型LED显示屏效率太低；暗室测试仪成本太高，只能在生产的过程中在线测量，不便于现场测试；照相法利用高精度数码照相机来采集校正图片，具有成本低、操作简单易行、便于携带等优点而广泛应用于LED显示屏的现场逐点校正。

基于相机的LED显示屏现场逐点校正系统一次可以对多个像素点进行测量，而且能够在现场进行像素级别的校正。系统由笔记本电脑、LED显示屏现场校正显示控制软件、数码相机、LED显示屏的数据采集软件等构成。

2 获取校正图片

随着LED显示屏的快速发展，数百平方米以上的大型LED显示屏的应用越来越多，数千平方米LED显示屏也屡见不鲜。2010年上海世博会开幕式使用了上万平方米的巨型LED显示屏，广州亚运会开幕式采用了8幅船帆造型的大型柔性LED显示屏[4]。

由于各种现场环境差别很大，大型LED显示屏校正图片的获取是校正的前提、基础和关键环节[5]。在获取时，容易受到环境、设备等因素的影响，获取的校正图片难免会有变形失真，有时不能采集到全屏图片，导致校正效果不佳。

本文以逐点校正面积为363 m2（解析度1280 ×960，由1200 个长550 mm、宽550 mm、解析度为32×32的LED箱体构成，每个LED箱体由4个LED模组构成，共有1228 800个三基色LED像素）、使用时间为18个月的大型LED显示屏为例，探讨采集校正图片，利用图像处理软件对采集到的校正图片进行几何校正，并合成出全屏图片，来获取逐点校正系统需要的检测图片。

2.1 相机的选择

数码相机是校正系统的关键测量仪器，成像质量尤其重要，要求它采集到的图片具有很高的精确性，才能在后续的逐点校正中取得好的效果。校正选用性能很好的尼康D300S数码单反相机来实现LED显示屏的逐点校正，相机主要参数如下:CMOS（Complementary Metal-Ox⁃ide Semiconductor，互补性金属氧化物半导体）感光元件传感器尺寸23.6 mm×15.8 mm，1230 万像素，51个对焦点，最大分辨力4288 ×2848 。

洋桔梗切花采收适期以每枝同时开花在3～5朵时为宜，保留基部2～3节，切花中下部叶片摘除，保留有效花苞数个。洋桔梗采收一般在清晨和下午温度较低时间进行，采收后应立即放入清水中，防止脱水[6]。为防止运输过程中出现花朵萎蔫现象，延长出售前保鲜时间，可在采收前10 d喷洒咪鲜胺1次，采后1 h内用可利鲜保鲜液处理，冷藏在温度3～8 ℃冷库中。包装则根据客户需求，市场一般按0.8 kg·扎-1，每扎7～8枝花。

2.2 分区采集图片

首先将LED显示屏现场校正显示控制软件装入LED显示屏控制器中，LED显示屏的数据采集软件装入PC中，把数码照相机与PC连接。开机30 min，使系统达到稳定运行状态。显示屏的灰度级别、刷新频率设置为最高。

运行校正显示控制软件，进入操作界面，确定显示屏类型为“全彩实际像素”。设置LED屏幕的大小和区域:以像素为单位，直接输入LED屏幕的列起点、行起点以及列长和行高，将显示屏分成多个大小合适的区域。确定整个LED显示屏的行数为1280 ，列数为960；确定一个模组的行数为16，列数为16；确定扫描方式为“全部点亮”；确定扫描顺序为“左至右，上至下”。本校正分为100个区域（如图1所示），每个区域行数为128，列数为96，面积为3.63 m2，有12个LED箱体。

确定颜色顺序，以蓝色为例，选择“蓝”选项卡，使“显示测量数据”复选框处于不选中状态，设置数据为“255”。按照预设的顺序逐区域显示红色、绿色、蓝色和白色，以便相机采集校正图片。

用支架固定好相机，在镜头上装好减光片，正对LED显示屏，确保显示屏待测区域成像于相机有效成像区域[6]。调整相机设置镜头，确保清晰对焦，让图片尽量大，照的图片像素点间要有明显分隔，不要连成一片。拍照完成后，从笔记本电脑显示屏观察采集的校正图片，检查图片效果。对采集的校正图片进行编号，并保存。按预设的顺序改变区域显示红色、绿色、蓝色和白色……经过多次拍照、编号、保存，直到校正LED显示屏所需要的校正图片采集完成。

2.3 图片修正

Photoshop GS4是一款多功能、应用广泛的数字图像处理软件，支持数码相机的RAW图片格式[7]。利用该软件将采集到的LED显示屏校正图片进行几何校正、合成，从而创建出具有完整性的图像。

2.3.1 变形校正

由于相机拍照时受到角度的限制，成像平面和景象平面间存在着倾角和转角，相机所用的光学镜头会产生一定的几何畸变，会使采集到的图片几何位置上存在着非线性的失真畸变。如果用采集到的失真畸变图片来校正LED显示屏，会导致LED显示屏产生新的亮度、色度不均匀。因此用镜头校正和图像变换校正方法来对采集到的失真畸变图片进行校正，有效地改善图像的失真畸变，达到为逐点校正系统提供正确的校正图片的目的。

1）镜头校正。选取校正图片，单击“滤镜”、“扭曲”、“镜头校正”命令，软件界面出现“镜头校正”调整窗口。左边是“预览”大窗口，勾选大窗口下面有“预览”和“网格”按钮。在“移去扭曲”选项中，拨动“移去扭曲”滑杆中的滑块，或左或右慢慢移动；拨动“垂直透视”、“水平透视”滑杆中的滑块，或左或右慢慢移动。观察调整的结果，调整好后，点击窗口右上角的“确定”按钮，也可以使用键盘输入具体的数字调整。还可以直接用鼠标指针在预览框内对图像进行调整、校正，调整好后，点击窗口右上角的“确定”按钮。对检测图片执行“镜头校正”操作界面如图2所示。软件的“镜头校正”滤镜，可以完成镜头的枕形畸变、桶形畸变、梯形变形校正，镜头的色差、暗角、照片精确旋转校正。这些校正都是可以连续调节、实时预览、一次完成的。

2）图像变换校正。选取校正图片，单击“编辑”、“变换”命令，在选区图片上将显示一个调整框，调整框周围显示有8个控制点，通过拖拽控制点来对图片进行变形操作。单击“斜切”命令，将鼠标指针移动到调整框控制点上，并拖拽鼠标，可以校正倾斜的校正图片。单击“扭曲”命令，将鼠标指针移动到调整框控制点上，并拖拽鼠标，可以校正扭曲的校正图片。

2.3.2 合成图像

由于LED显示屏的校正图片采集时间较长，需要4 h左右。在此期间，外围环境光线、空气湿度会变化，以及显示区域的改变使相机的视角变化，都会在采集的校正图片区域边界留下边界线。所以校正系统要求对全屏显示的红色、绿色、蓝色和白色分别进行全屏图片采集，用来消除区域边界线。

该LED显示屏处于繁华的交通十字路口，前面有路灯与雕塑等多种原因，现场环境非常复杂，导致相机无法一次采集到校正系统需要的红色、绿色、蓝色和白色全屏图片。因此，采集全屏图片时不得不运用回转连续拍照法和平行连续拍照法，分为4幅采集。用软件对采集到的4幅红色、4幅绿色、4幅蓝色和4幅白色图片进行合成，获取校正系统需要的红色、绿色、蓝色和白色全屏图片，取得较好的校正效果。

图片合成是指在图像处理软件中将多幅图片中的不同视觉元素分离出来，并重新组合，从而创建出具有完整性图片的一种方式。软件Photoshop GS4图片合成方法多样，有Photomerge创建、用图层混合模式、用混合颜色带、用剪贴蒙版、用图层蒙版等方法合成图片[8]。本校正依据采集的素材、针对主题的表达，选择用Photomerge创建方法合成图片。

首先选取校正图片，在工具箱中选取裁切工具，在裁切工具属性栏的“高度”、“宽度”与“分辨力”文本框中输入数值。将鼠标指针移动到当前图像编辑窗口，并拖拽鼠标绘制出裁切框，裁切框的周围显示有8个控制点。通过拖拽控制点来改变裁切区域，确定裁切区域后，在裁切框内双击鼠标或按Enter键，完成裁切操作。

单击“文件”、“自动”、“Photomerge”命令，打开照片合并对话框。选取“自动”版面，勾选窗口下面“混合图像”按钮。单击“浏览”按钮，在打开对话框里找到并按采集顺序选中前期分区拍摄的4幅红色图片文件（如图3所示）。再点击打开对话框中的“打开”按钮，则所选接片便被加入到照片合并对话框中，4幅红色图片便按采集顺序拼接成一幅高分辨力的红色图片。

按照上述方式选中前期分区拍摄的4幅绿色图片文件，拼接成一幅高分辨力的绿色图片，并命名保存；按照上述方式选中前期分区拍摄的4幅蓝色图片文件，拼接成一幅高分辨力的蓝色图片，并命名保存；按照上述方式选中前期分区拍摄的4幅白色图片文件，拼接成一幅高分辨力的白色图片，并命名保存。

3 校正LED显示屏

依次把采集的校正图片导入LED显示屏的数据采集软件的数据处理控制栏，设定好逐点校正的期望值。软件会识别出红色、绿色、蓝色和白色图片各多少张，标出最低、最高和最多亮度的像素点数，分析每一个区域各像素点的相对亮度，计算出校正系数，生成校正系数文件并保存[9]。

将有各点校正系数的文件导入LED显示屏控制器当中，并进行实时运算转化，形成屏体实时显示数据发送到显示屏屏体，完成对每只LED的调节，实现显示屏逐点亮度和色度调整功能。

用数字图像处理技术来对采集的校正图片进行几何变形校正和合成时，只能做较小范围的调整，要不断对比被拍摄的LED显示屏原图，不造成失真，不对校正图片的亮度、色度参数做任何调整与修改。

4 小结

基于相机的LED显示屏现场逐点校正技术是确保LED显示屏质量的关键技术之一，得到了广泛的应用，国内外LED显示屏生产及相关厂商研究开发了多种基于相机的LED显示屏校正方案。应用表明，用数字图像处理技术来对采集的校正图片进行变形校正和合成的方法尤其适用于大型LED显示屏的调校，可以使校正系统的校正更准确、调整更精细、实施方式更灵活。经过调校的大型LED显示屏清晰、均匀、色彩鲜艳、白场过渡柔和。

[1]柯学，张健.LED室内全彩显示屏的安装与改造[J].电视技术，2010，34（4）:84-85.

[2]李漫铁.全彩显示屏专用LED的选择和使用[J].现代显示，2007（6）:64-65.

[3]宋新丽，郑喜凤，凌丽清，等.基于灰度直方图的LED显示屏亮度均匀性评估方法[J].液晶与显示，2009（1）:140-144.

[4]李天华.柔性显示实现的关键技术[J].电视技术，2009，33（8）:25-29.

[5]赵星梅.LED显示屏亮度非均匀性逐点校正技术的研究[D].西安:西安电子科技大学，2009.

[6]李熹霖.数码相机和电视中的LED显示屏图像[J].现代显示，2007（11）:13-19.

[7]姜科，罗晓梅.中文版Photoshop CS4图像处理[M].北京:清华大学出版社，2009.

[8]王琦.Photoshop CS4拼合超大图[J].照相机，2010（2）:71-72.

[9]常宇，李志敏，梁军，等.一种全彩LED显示屏亮度均匀性快速检测方法[J].灯与照明，2009（12）:33-35.