一种改善旋转LED屏亮度显示的算法研究
2020-05-21郭帅张弛吴晓光刘念
郭帅 张弛 吴晓光 刘念
摘 要：旋转LED显示屏的旋转特性导致了其靠近中心区域的亮度整体偏高，靠近边缘区域的亮度整体偏低，有效的校正这种屏幕的亮度不一致性是提升该类型屏幕的显示效果的有效手段。文章针对旋转LED显示屏上的这种缺陷，提出一种基于PWM调节原理的旋转LED显示屏的亮度校正算法。与未进行校正算法校正之前相比，文章利用该算法校正了单位面积内LED灯的光度，降低了整体屏幕的亮度不一致性。实验表明：文章算法的校正效果良好，校正速度快，有效地提高了屏幕亮度一致性。
关键词：旋转;LED屏幕;光度调节;PWM技术
中图分类号：TN141.9 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）15-0007-03
Abstract： The rotating characteristics of a rotating LED display screen cause its overall brightness near the center to be high， and its brightness near the edge to be low. Effectively correcting the brightness inconsistency of this screen is effective to improve the display effect of this type of screen means. Aiming at such defects in rotating LED display screens， this paper proposes a brightness correction algorithm for rotating LED display screens based on the principle of PWM adjustment. Compared with the correction algorithm before correction， this paper uses this algorithm to correct the luminosity of LED lights per unit area， reducing the brightness inconsistency of the overall screen. Experiments show that the algorithm in this paper has good correction effect， fast correction speed， and effectively improves the consistency of screen brightness.
Keywords： rotation; LED display screen; photometric adjustment; PWM technology
1 概述
隨着控制技术的高速发展，对LED的控制研究越来越深入，一种基于旋转式线阵LED的显示屏的概念被提出并得以实现。旋转LED显示屏作为一款新型显示屏，其利用POV原理，通过旋转LED灯条实现了裸眼即可观看到3D视频的效果，常用做裸眼3D显示屏。[1]其旋转特性导致了旋转LED显示屏的亮度不一致性，越靠近旋转中心，亮度越高，该现象对于图像的显示很不利。因此，针对旋转LED屏的亮度均匀性的研究是很有必要的。
传统LED显示屏中对各灯点的亮度修正方式是采用检测与校正两个步骤去改善亮度均匀性。[2]文献[3]运用数字图像处理技术对显示屏上每个灯点的亮度进行检测与提取计算出各个灯点的校正系数并运用脉冲宽度调制PWM方法调节相应灯点的亮度，该方法适用于静态LED灯的亮度调节，但是未考虑旋转运动过程中每个LED灯发光区域大小不一致的问题。
本文针对旋转LED显示屏整体屏幕亮度均匀性不一致的问题，提出一种不需要进行检测，采用灰度值换算出亮度，运用亮度相加法[3]得出整体屏幕亮度，再分析在旋转运动中的每个LED灯的发光区域，得出各个灯点的校正系数，反向推导出校正后的RGB值，运用PWM波调节相应灯点的亮度，提高了整体屏幕的亮度均匀性，并且降低了亮度校正的成本。
2 亮度控制原理
现如今，LED灯的亮度普遍采用三种方式去调节控制，分别是使用SET电阻、PWM波调节、线性调节。相比于其他两种控制方式，采用PWM调节技术的优点在于控制系统比较简单，成本低，并且采用定流的工作方式，在调节发光强度时不会发生电流的改变，也就不存在调节电流的光强线性度与光谱偏移的问题，极大地提升了控制系统的稳定性。
PWM波调节的原理就是对LED灯的控制时间进行等距划分，在这个时间内正脉冲的持续时间与脉冲周期的比值被称之为占空比，控制LED灯在控制时间内的占空比即可控制LED灯的亮度等级。例如，将LED灯的控制时间划分为256级，其与RGB色彩值的256级就是一一对应的关系。假定占空比系数使用M来表示，其值的范围为0～1，M为0时，LED灯最暗，M为1时，LED灯最亮。
3 亮度感知原理
光通量Φ为每单位时间内到达、离开或者通过曲面的光强度，对于采用PWM波技术控制的LED灯珠而言，其光通量与其占空比成正比例关系，占空比越高，则LED灯珠的光通量Φ也就越高。
光照强度I是物体每单位时间内辐射出来的总能量，其与光通量满足下列关系式
I-发光强度，单位坎德拉（cd）;？准-光通量，单位流明（lm）;Ω-立体角，单位球面度（sr）;A-光照面积，单位平方米（m2）;L-光源与观察处的距离，单位米（m）。
对于规格相同的LED灯珠，在通入的电流大小相同、占空比相同和立体角大小一致的情况下，其光照强度I是相同的。则光照强度I为一个客观变量，它无法直接标定人眼对亮度的感知程度，人眼对于亮度P的感知常用坎德拉每平方米（cd/m2）为单位进行亮度强弱的衡量，所以人们主观上发现亮度不均衡的原因就是发光处的单位亮度不一致所导致的。
4 亮度差异原理
旋转LED显示屏的工作原理跟传统的LED显示屏区别甚大，传统的LED显示屏是采用的笛卡尔坐标系，以X轴、Y轴的坐标来对屏幕上的每个LED灯进行标记，这与图片的显示方式是一一对应的关系。但是在旋转LED显示屏中则是采用的极坐标系，用旋转角度、半径距离来对屏幕上的每个LED灯进行标记，这与图片的显示方式是不一致的。所以在显示图片时，需要预先对图片的数据格式进行一定的转换，将图片中的像素点以极坐标系的形式进行表示。
由于极坐标系的性质导致旋转LED显示屏在单位时间内旋转一定角度时，不同半径距离的LED灯的显示面积不一致，这就导致不同半径距离的LED灯在相同光照强度的情况下，其亮度P的大小不一致。在输入相同RGB值的情况下，靠近旋转中心的LED灯所扫过的面积较小，靠近边缘的LED灯所扫过的面积也就越大。
如图1中较粗的黑线表示LED灯在工作时会发光的区域，图1（a）为旋转LED屏幕工作时的示意图，图1（b）为矩阵LED屏幕工作时的示意图。图1中的三个LED灯标记为led_0、led_1、led_2，称图1（a）中，三个LED灯的工作面积为S10、S11、S12，显然有S10
通过对比两者，我们可以发现S10
旋转LED显示屏相比于传统的静态LED显示屏来说，旋转LED显示屏上的不同LED的工作面积S不一致，由于工作面積S的不一致，导致在相同光照强度的情况下，旋转LED屏上的LED灯在单位面积下的亮度不相等，越靠近旋转中心的LED灯在单位面积上的亮度的的值相对于外侧的LED灯会偏大，使得中心区域亮度升高，边缘区域亮度降低，最终导致了整体屏幕亮度不均匀的效果，该现象则对显示屏的显示效果起到了一定的抑制效果。
5 亮度换算原理
旋转LED显示器上的每个LED灯在每一个工作时间上都有一个对应的RGB值，但是人眼对外界光源的感光值与输入光强度不是呈线性关系的，而是呈指数型关系的，在低照度下，人眼更容易分辨出亮度的变化，随着照度的增加，人眼不易分辨出亮度的变化，而这是由LED灯的物理属性所导致的。[4]其RGB值在经过gamma校正后，人们所感知到的色彩值更接近原RGB值所想表达的效果，所以有必要对显示图像的RGB值进行一次gamma校正。gamma校正的公式为
I-需要表达的RGB值;F-gamma校正后的RGB值;γ-gamma校正系数。
经过实践证明，γ的取值为1/2.2时，通常具有良好的校正效果。在经过了gamma校正后，LED灯所表达的RGB值即为F（I）。
为了使得RGB值与亮度P之间进行转换，必须得对该RGB值进行灰度转换，这是由于亮度是具有主观性的，在人眼中，相同等级的红绿蓝三色中，人眼会觉得绿色最亮，红色次之，蓝色最暗。所以在进行灰度转换时，RGB三色与灰度的关系是非线性的，需要进行加权计算，目前更符合人眼的灰度D转换公式为
D=0.299F（R）+0.587F（G）+0.114F（B） （3）
在已知灰度值的前提条件下，由灰度值再推导出相对发光强度级别I，其公式为
ΔI-相对发光强度;D-灰度值;t-曝光时间。
经过上式可以计算出已知RGB值的前提下，LED灯亮度的近似值。但是这是在LED灯为静止不动的前提下，LED灯的显示面积不会发生变化，而在旋转LED显示屏中，由于LED灯工作时处于运动状态，既其表现的亮度需要考虑到发光面积的变化。
6 亮度校正原理
为了均衡整体屏幕的亮度，首先通过亮度相加法得出总工作区域S内的总亮度，再通过以每个LED灯的工作面积为校正系数的方式来修正每个LED灯的RGB值，降低不同区域的LED灯的亮度差异性，最终使得不同区域LED灯在工作时亮度趋于一致，最终实现整体屏幕的亮度一致性。
假定，在旋转LED显示屏中，以LED灯条的旋转角度来作为衡量它工作时间的标量。亮度相加法的具体思路是，假定LED灯条在总工作区域的旋转角度为θ时，一个LED灯条上共有N个LED灯，在该区域内，每个LED灯的发光强度用I（n，θ）来表示，工作区域用S（n，θ）来表示，单个LED灯的工作区域的亮度用ΔP表示。再根据每个LED灯的工作区域S（n，θ）来修正每个LED灯的亮度值P′（n，θ），其值为
（5）
上式中引入了一个常数K，是因为考虑到LED灯的发光强度是存在上限的，因此，当发光面积增大时，它的亮度上限会下降，这一现象没有进行校正的话就会导致在进行平衡后，经过计算后的LED灯的发光强度会突破自身上限，因此需要加以参数K来保证校正后的LED灯的亮度在可控制范围内。
根据上式，可以在已知旋转角度θ、LED灯的序号n和输入的RGB值的前提下计算出对应的LED灯修正后的亮度值P′（n，θ）。再将公式（4）带入至上式中，可以消除掉曝光时间参数t，得到输入的灰度值D（n，θ）与校正后的灰度值D′（n，θ）之間的对应关系，再以D′（n，θ）/D（n，θ）的值与对应的输入的RGB值相乘，得到优化后的新的RGB值，即为
（6）
上式中的R′（n，θ）、G′（n，θ）、B′（n，θ）分别指的是序号为n、旋转角度为θ时的LED灯在校正后的红光、绿光、蓝光值，D′（n，θ）/D（n，θ）即为对应的校正系数。
经过2563次计算后，可以得到任一RGB值、任一旋转角度θ、任一位置的LED灯所对应的修正后的RGB值。将该结果存储于上位机中，形成一个大小为3×2563的表格。根据输入的RGB值、旋转角度θ、LED灯的位置n，得到新的RGB值，该方法可以大大提升上位机的处理速度。
7 亮度校正实验
选取的实验RGB值分别为100、100、100，以K值为1，进行亮度校正。根据当前亮度值计算出每个LED灯修正后亮度值，其结果如图2所示。图2的横坐标表示灯的序号，纵坐标表示灯的亮度值。再根据修正后的亮度值计算出修正后的RGB值，由修正后的亮度值推算出来的RGB值会是一个浮点型的常数，由于控制精度无法达到，所以需要对其进行取整处理，处理结果，如图3所示，图3的横坐标表示灯的序号，纵坐标表示经过修正后的灯的亮度值，可以发现每个LED灯的亮度值在经过修正后，达到了良好的一致性。
8 结束语
介绍了一种改善旋转LED屏亮度显示的算法，在不需要使用到CCD相机检测的情况下，通过gamma校正与基于亮度相加法的校正处理后，可以对旋转LED的输出亮度有一个较好的修正效果，使得人眼感知到的屏幕亮度趋于一致。降低了优化成本，将其校正过程放在上位机中进行预处理，将校正好的数据存放在下位机中，降低下位机的处理难度，提升算法效率。未来还可以在CCD相机检测的基础上，进一步优化单个LED灯的亮度。
参考文献：
[1]沈新创，钱平.基于视觉暂留原理的旋转式线阵LED显示屏开发[J].上海应用技术学院学报（自然科学版），2007（02）：150-153.
[2]孙志强，寇山川，侯靖轩，等.视觉检测的LED光源自适应亮度控制系统[J].办公自动化，2020，25（01）：44-45+17.
[3]严利民，潘浩，杜斌，等.一种改善LED显示屏亮度均匀性的算法[J].量子电子学报，2017，34（04）：400-404.
[4]彭国福，林正浩.图像处理中GAMMA校正的研究和实现[J].电子工程师，2006（02）：30-32+36.
