一种LED显示屏的γ校正方法

聂佰玲

(南京信息职业技术学院电子信息学院，江苏南京 210046)

LED全彩显示屏由于高亮度、宽视角、长寿命等优点，成为最有发展前景的高清显示设备。从传统灰度校正方法上讲，要获得逼真的图像再现，则信号从摄像到显像全过程的总传输特性必须是线性的，即显像亮度正比于图像亮度，尽可能使传递系数为1。同时，由于人眼对亮度响应的非线性关系等因素，为配合这种非线性，引入γ校正这种传输函数［1］。在传输通道中对输入视频信号作γ预校正，从而实现了阴极射线管(CRT)图像信号与图像亮度间的线性变换，逼真地再现原像，在CRT电视中得到了广泛应用。

LED特性不同于CRT，其电光转换是线性的，如不进行反γ校正，就不能真实地表现LED灰度的能力。因此，LED彩屏在使用CRT图像源信号时，必须适当地进行γ校正，以改善灰畸变和灰度损失，提升LED彩屏图像的显示品质。

1 γ校正的研究

LED并不具备CRT的电光转换特性，若LED彩屏不做处理就直接接收电视信号，那么在显示画面上不仅高灰度级不能清楚地分辨层次，而且低灰度级跳变会过大。所以必须对控制灰度的信号送给LED驱动电路之前对其进行反γ校正，使其符合LED显示屏的光电特性。实际上，有效的灰度等级不是物理的亮度等级，而是人眼视觉的亮度等级。因此，考虑到人眼对光强感受是非线性的，需要将灰度作非线性变换，确保在视觉上输入与输出信号呈线性关系，使图像显示得更有透亮感和层次感［2］。对LED显示屏的反γ校正分为两步进行:首先是符合LED屏光电特性的校正，然后是符合视觉亮度特性的校正。

1.1 校正光电特性

假设P是校正因子;m是校正后灰度级数;n是校正前灰度级数，且n≮m;γ是校正系数，一般取1.8～3.0;Gi为灰度输入级。则灰度输出级GD'=mP(Gi/n)γ。

取Gi=0～255，则对应每个Gi，经过校正后本级GD'=255(Gi/255)γ。显然通过本级校正以后，灰度层次感强，图像轮廓更加分明。

1.2 校正亮度特性

设B表示CRTD的亮度，k1、k2是常数，Y表示主观亮度感觉，则有主观亮度感觉与客观亮度的对数呈现线性关系，即Y=k1ln B+k2，这被称为韦伯－费赫涅尔法则。为增加亮度调节效果，保证Y与lnH线性关系，其中H是电流脉冲占空比，必须按对数关系调节占空比［3－4］。因为通过改变驱动信号脉冲宽度占空比，就可以选择不同的灰度等级，故GD与H也呈线性关系的。

假设前级校正的输出灰度级GD'，本级输出灰度级为GD，则GD=f(GD')。通常 Y=GD'，即 GD'有多少灰度等级，人眼就可以识别多少灰度等级。若要获得满意的效果，GD'与 GD有 GD=f(GD')∝exp(GD')，即

由图1所示，曲线①是式(2)的某种情况，曲线②是y=x。若设GD'=0时，GD≠0，但接近于0，那么在图1中则表现为曲线①无限逼近于原点(0，0)，A点是曲线①上一阶导数值为1的点;若设GD'=255时，GD=255，那么(255，255)点就是曲线①和曲线②一个交点。

图1 y=f(x)的曲线图

根据韦伯法则，ΔB/B=常数，ΔB是有限小量，表示两个画面的亮度差，ΔB值变化取决于亮度B值的变化。在输入灰度级小时，曲线①暗区亮度变化缓慢，即输出灰度级变化平缓，这符合人眼对暗区亮度敏感的特点;在输入灰度级大时，曲线①亮区亮度变化急速，即输出灰度级增加变快。这样，LED彩屏重现的景物亮度柔和，明暗过渡平缓，几乎不损失灰度层次。若要减少灰度级高时的损失，必须尽可能使A点逼近原点(0，0)，因此，凹形曲线是曲线①理想的轨迹。表1反映了输入灰度级与输出灰度级之间的关系。

表1 输入灰度级和输出灰度级关系表

若将表1中各区间的灰度值代入式(1)，有k3=0.641 0，k2=0.326 5，k1=0.055 4，k0= －0.021 0，由式GD'=255(Gi/255)γ，得到反γ校正公式

1.3 γ校正关系式

如果不考虑因颜色不同时明暗度发生的改变，则亮度取决于视觉的比视感度。实际在同等亮度条件下，不同颜色的光并不具有相同明暗度，它所产生的视觉明暗度完全不同。由红、绿、蓝三基色LED管构成LED彩屏，红光波长772～620 nm，蓝光波长495～450 nm，在相同明亮环境中，红光和蓝光的比视感度均小于绿光的比视感度，两者的比视感度基本相同。针对不同颜色光的反γ校正，通过调整式GD'=255(Gi/255)γ中的γ因子，可以使输出不同颜色的灰度层次感更强，图像显示效果更佳［5］。

图2所示是当γ取不同值时的校正曲线，曲线①γ=1，曲线②γ=1.8，曲线③γ =2.0，曲线④γ =3.0。图2表明，当γ=1时，输入与输出成线线关系，亮度级不发生变化，没有校正;当γ取值趋向变大，则曲线会越来越凹陷。鉴于ΔB/B是常数，当灰度级较低时，只要ΔB稍微有变化，人眼就能感受到亮度级别变化;而灰度级高时情况则不同。

图2 γ与校正曲线关系

由于红光、蓝光的比视感度较低，即人眼对这2种光的敏感度较低，因此，绿光的γ因子取值较小，γ=1.6～2.0;红光、蓝光的 γ因子取值较大，γ=2.8～3.0。由此可得绿光的反γ校正公式

2 γ校正的实现

2.1 查找表法

一般LED显示屏图像信息来源于电脑显示卡的VGA接口，它是红、绿、蓝各8位的彩色图像数据，这些图像数据与LED显示屏同步。本设计是基于查表法(LUT，Look－Up Table)对图像数字信号进行反γ校正，该方法是运用一个查找表代替繁琐的非线性运算，依据反γ校正曲线，先将输入信号进行反γ校正后所对应的灰度值制成一个表格，然后将输入信号作为地址去查询这个表格，最后经反γ校正计算后，就能得到结果。为得到查找表存储的丰富多彩的颜色，一般查找表的位宽大于地址索引位宽，查找表中是存储颜色值的地址索引，而不直接存储颜色值，根据地址到颜色查找表中去查找颜色。由于图像数据量较大，且要实时计算，这种软件实现中查表法是最实用的方法，具有计算准、速度快、效率高的效果。

传统的查找表方法是将查找表写入外部存储器，然后读取存储器进行数据，这种方法已不多见。随着FPGA性价比的提高，现已成为γ校正的主流器件，充分利用 FPGA在线可编程的特点和 IP核技术，在FPGA内部的存储空间来实现查找表的功能，可以减化硬件规模、提高系统实时操作效率。

2.2 γ校正系统

设计是LED显示系统的一部分，系统框图如图3所示。该系统从电脑显示卡的VGA接口输出视频模拟信号，包含3路RGB信号、行场同步信号，先进行视频模拟信号A/D转换，变换为3路8位数字信号，然后在FPGA器件中进行反γ校正运算，再将校正后的数字信号输入至D/A变换为模拟信号，送给灰度级电压产生电路，给γ校正后灰度级提供所需的编码电压，最后输出至LED显示屏，进而改善LED显示系统重现的图像质量［6］。因为FPGA输出控制信号的电平不同于LED显示器件需要的电平，所以为解决各芯片的电平差异，必须经过电平转换后才能提供给灰度电压产生电路和LED显示屏［7］。

图3 γ校正系统框图

2.3 查找表的实现方法

首先要编制一个短程序生成LUT，函数关系为:y=a)xγ。式中，a为常数，由程序运算确定;x为8位输入变量;y为12位输出变量。当输入γ和y值后，程序先确定a，然后再生成LUT。γ取值越大，图像暗区灰度等级越细腻，黑白反差也越大。若γ取值过大，图像整体质量则会降低，因此根据实际经验，一般取1.6、2.0、2.4、2.8值，形成不同的4条曲线比较适宜，这些曲线经过程序后就生成4张 LUT。通过4张LUT，8位图像数据就变成了12位图像数据，驱动LED显示屏。上述4张LUT应放在同一个器件中，在使用中由用户选择调用。对于彩色图像数据，可以采用分时操作，将红、绿、蓝色校正后的数据分先后存在存贮器中。运行LUT的生成程序后包括几个操作:(1)双击γ.exe文件，启动程序。(2)输入γ值。(3)输入需要生成的数据位数。(4)回车。

在本目录下即产生4个文件:(1)γ.dat为十进制校正表。(2)γ.txt为二进制校正表。(3)γrev.dat为十进制反码校正表。(4)γrev.txt为二进制反码校正表。二进制校正表装入FPGA中，反码表用于反码的图像数据，十进制校正表用于查看生成LUT的正确性。

2.4 ROM模块设计

对用户来讲，可以将IP核技术看作自定义的模块，使用时只要先通过编写代码对其端口进行定义，然后直接调用就可以实现相应功能。首先根据器件的声明，编写程序定义一个空间指定的ROM模块，由用户给定的地址位和数据位的长度来决定此空间大小。还需要初始化ROM，即编写.hex文件或.mif文件，首先将反γ校正所需的数据写入每个地址单元，第二步在已经写好的ROM源程序中加入文件名，最后将编好的程序进行编译生成.dsf文件，供给FPGA内部调用。

系统设计了一个10 bit地址位，12 bit数据位的ROM模块，加入了文件名为v1.hex的初始化文件，通过编译生成一个ROM模块。

2.5 校正过程

首先根据外部提供的控制信号，FPGA控制器进行第一次查表，获得γ调整系数，然后根据该γ值与输入的灰度数据进行第二次查表，获得校正后的显示数据。可以通过Matlab软件计算出γ校正后的显示数据，对LED显示屏内原有的γ表进行修改，重新生成新的γ表，并置入γ表中。某单色光γ校正过程如图4所示。

图4 单色光γ校正过程示

3 结束语

由于LED显示屏与CRT电视系统三基色的光谱特性不同，在LED显示屏上直接显示视频图像信息时会产生灰度失真，故必须对LED的驱动信号进行反γ校正。本文对LED显示屏灰度校正公式、校正曲线、校正方法、在FPGA中实现γ校正等方面作了系统论述，力求使灰度损失最小。设计采用的查找表法，较好地解决了LED显示屏灰度畸变的问题，具有较强的实用价值。

［1］ 常锋，孙志远，王瑞光，等．LED显示图像的非均匀度校正改进方法［J］．光学精密工程，2011，19(4):929 －937．

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