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基于FPGA 的液晶顯示屏的伽馬校正研究

2015-12-10 13:02:33蔣明敏喻金華蔣玲
電腦知識(shí)與技術(shù) 2015年26期

蔣明敏 喻金華 蔣玲

摘要:LCD的亮度響應(yīng)特性與CRT不同,而人的視覺(jué)對(duì)于亮度靈敏特性幾乎和CRT的輸出特性相反,為達(dá)到符合人眼視覺(jué)特性的特性曲線,需要對(duì)LCD進(jìn)行伽馬校正。該課題介紹了LCD伽馬特性,研究了伽馬校正公式,采用Xilinx公司的Kintex-7 FPGA開(kāi)發(fā)板為平臺(tái),提出了一種基于FPGA的LCD顯示屏的伽馬校正系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償液晶本身的S形透過(guò)率特性曲線。通過(guò)該系統(tǒng),明顯改善了LCD的色彩顯示,減小了色彩誤差,并且可用于顯示屏色彩的批量校正。

關(guān)鍵詞:LCD;伽馬校正;FPGA

中圖法分類號(hào):TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2015)26-0189-04

Study of Gamma Correction for Liquid Crystal Display

JIANG Ming-min1, YU Jin-hua2,JIANG Ling3

(1.School of Information and Science Technology, Nanjing Forestry University, Jintan 213200, China;2. Nanjing SWIT Electronics Co., Ltd, Nanjing 210038, China)

Abstract: LCD and CRT luminance response characteristics are different. The human visual sensitivity characteristic for the luminance contrast to CRT output characteristics. To achieve the characteristic curve of human visual characteristic, we need gamma correction for LCD. This paper describes the characteristics of the LCD gamma, studies gamma correction formula by using Xilinxs Kintex-7 FPGA development board as a platform. This paper puts forward a LCD display gamma correction system based on FPGA to compensate for a transmittance characteristic S-shaped curve. This system significantly improves LCD color display, reduces errors of color, and can be used for the color correction batch of the display.

Key words: LCD; Gamma correction; FPGA

陰極射線管 (Cathode-Ray Tube, CRT)可視角度非常寬廣,而且可以產(chǎn)生的顏色比同等尺寸的液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)要豐富。但CRT的不足之處在,CRT輻射大,LCD相對(duì)而言小得多;由于CRT是顯像管發(fā)光,所以無(wú)論刷新頻率多高都會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)生閃爍,從而導(dǎo)致人眼的疲勞。隨著顯示技術(shù)的發(fā)展,液晶顯示器以其獨(dú)具的低壓、低功耗特性在人們的生產(chǎn)生活中得到廣泛的普及和應(yīng)用。

為了正確的顯示灰階,人眼要求顯示器的gamma是2.2上下,而巧合的是,老式的CRT顯示器剛好自帶一個(gè)2.35-2.55左右的物理gamma,已經(jīng)非常接近2.2了。所以當(dāng)一個(gè)被提亮過(guò)的圖片輸入到一個(gè)完全沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)校的CRT顯示器里的時(shí)候,經(jīng)過(guò)抵消,我們看上去,圖片只是稍微有點(diǎn)暗,稍微一補(bǔ)償,給一個(gè)0.85左右的提亮gamma,畫面看起來(lái)就對(duì)了。

經(jīng)過(guò)模擬用戶使用環(huán)境,測(cè)試,最終把顯示器調(diào)到一個(gè)看起來(lái)舒服的值,最終試驗(yàn)出來(lái)是2.2,據(jù)此,微軟和惠普于1996年發(fā)布了sRGB標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定了8位圖片的標(biāo)準(zhǔn)是gamma=2.2,從此,本來(lái)百花齊放的顯示器和攝像機(jī)的gamma就都沿用了2.2。

由于液晶透過(guò)率與液晶上所加電壓的特性關(guān)系是非線性的,大致呈S形,并且人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)于亮度的感覺(jué)大致成對(duì)數(shù)關(guān)系,而物理輸出設(shè)備(例如CRT和LCD)對(duì)亮度的顯示也是非線性的,顯示器的亮度值大約與輸入的模擬信號(hào)電壓的γ次方成正比。CRT或LCD顯示器的伽馬值一般為2.2~2.5。

gamma的定義“用來(lái)描述顯示設(shè)備非線性程度的專有名詞”,和電壓及光強(qiáng)度沒(méi)有關(guān)系。Gamma校正是為了克服這些非線性關(guān)系而引入的一種傳輸函數(shù)。傳統(tǒng)的色彩校正方法采用單片機(jī)和PC校正軟件,但使用的設(shè)備多,調(diào)整時(shí)間較慢,很難適應(yīng)越來(lái)越快的視頻處理速度,很難達(dá)到實(shí)時(shí)校正和批量校正的作用。本文建立了一種基于FPGA的LCD伽馬校正系統(tǒng),可用于提高顯示屏的性能以及生產(chǎn)效率,具有很大的靈活性和實(shí)用性。

1 LCD的伽馬響應(yīng)特性

Gamma是用來(lái)表示顯示器亮度響應(yīng)特性的一個(gè)參數(shù),亮度響應(yīng)特性用曲線來(lái)表示近似一條指數(shù)曲線,如圖1所示。

圖1 顯示器亮度響應(yīng)曲線

在圖1中,水平方向表示灰階,垂直方向表示顯示的亮度。通常對(duì)輸入輸出進(jìn)行歸一化處理,得到如圖2所示的曲線。

圖2 歸一化的亮度響應(yīng)曲線和指數(shù)函數(shù)y=x^2.2曲線

可以看出該響應(yīng)曲線與y=x2.2的曲線非常接近,因此,顯示屏的亮度響應(yīng)曲線可以用指數(shù)函數(shù)表示為:

[Y=Xγ] (1)

其中,Y表示歸一化的顯示的亮度,X表示歸一化的輸入灰階,γ即為Gamma校正系數(shù)。

傳統(tǒng)的CRT顯示器的Gamma值是2.2,這樣的顯示特性符合人眼的視覺(jué)特性。如果Gamma偏大,則圖像會(huì)整體偏暗,暗場(chǎng)中的細(xì)節(jié)容易丟失;如果Gamma偏小,則圖像整體偏亮,圖像會(huì)變得朦朧而缺乏層次感。

計(jì)算機(jī)在內(nèi)部處理的時(shí)候,是首先把8位/通道圖像的255白映射到1,把色階面板中的input gamma換算成倒數(shù)數(shù)值來(lái)計(jì)算的,input gamma輸入2.2,實(shí)際參與計(jì)算的是1/2.2≈0.454.那么此時(shí)區(qū)間換算成0-1,gamma也自然是小于1提亮,大于1壓暗。

由于LCD的發(fā)光原理與CRT不同,其亮度響應(yīng)特性也不同,典型的LCD響應(yīng)特性曲線是一條S形的曲線,具有較高的Gamma值,如圖3所示。

圖3 LCD響應(yīng)特性曲線

一般的液晶顯示設(shè)備都模仿CRT的亮度響應(yīng)特性,使輸出的光照強(qiáng)度與輸入電信號(hào)的強(qiáng)度成指數(shù)關(guān)系。為達(dá)到接近CRT特性的亮度響應(yīng)曲線,必須對(duì)LCD進(jìn)行Gamma校正。

2 LCD伽馬校正

2.1 Gamma校正系統(tǒng)

本文提出了一種基于FPGA的LCD顯示屏的Gamma校正系統(tǒng),該校正系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器、液晶顯示屏、色彩分析儀、PC和Xilinx公司提供的Kintex-7 FPGA開(kāi)發(fā)板組成。如圖4所示。

圖4 Gamma校正系統(tǒng)

由信號(hào)發(fā)生器Leader LT450發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)灰階測(cè)試信號(hào)給9寸液晶顯示屏進(jìn)行顯示,采用柯尼卡美能達(dá)色彩分析儀CA-310測(cè)量顯示屏的亮度數(shù)據(jù)并傳輸給PC,PC運(yùn)用公式生成Gamma校正表通過(guò)SPI通信將查找表(Look-Up Table,LUT)寫入FLASH,并且驅(qū)動(dòng)顯示屏顯示校正后正確的亮度。顯示屏重新開(kāi)啟或再次顯示影像時(shí),PC通過(guò)控制芯片讀取LUT加載校正后的Gamma數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)該顯示器的Gamma校正功能。

2.2 Gamma的校正原理

伽馬校正基于校正公式,不過(guò)在具體的實(shí)現(xiàn)方式上和最終的實(shí)現(xiàn)效果有所差異。目前常用的校正方式有直接公式計(jì)算法、分段線性擬合法、查找表法等。

公式計(jì)算法直接將每一個(gè)需要校正的像素值帶入校正公式,通常經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn):第一,將待校正像素值進(jìn)行歸一化處理,使其為范圍在0~1之間的實(shí)數(shù);第二根據(jù)校正的公式代入求解;第三反歸一化,就是第一步操作的逆運(yùn)算。使用該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠得到顯示屏單個(gè)像素的實(shí)時(shí)伽馬校正值;缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的:運(yùn)算過(guò)程十分復(fù)雜,需要對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)和校正,實(shí)現(xiàn)難度大,效率低,且涉及浮點(diǎn)數(shù)的乘法運(yùn)算并不適合FPGA實(shí)現(xiàn)。

分段曲線擬合法將伽馬曲線分段進(jìn)行擬合,段數(shù)的劃分看實(shí)際的需要,可以等分也可以按照曲線的特征劃分,這樣可以比較好的擬合伽馬曲線。該方法降低了公式計(jì)算的難度和復(fù)雜度,另一方面也帶來(lái)了校正精度降低的弊端,也不易于硬件實(shí)現(xiàn)。

查找表法是基于RAM的方法,將輸入輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系固化在一個(gè)靜態(tài)的表中方便直接讀取。上面的直接公式法和曲線擬合法實(shí)質(zhì)上都是經(jīng)過(guò)歸一化、預(yù)補(bǔ)償、反歸一化三個(gè)步驟來(lái)達(dá)到校正的目的,但是實(shí)際上對(duì)整幅圖像的校正不是對(duì)單個(gè)像素的簡(jiǎn)單重復(fù)處理。對(duì)于確定取值范圍內(nèi)的像素點(diǎn),圖像中任何一個(gè)像素點(diǎn)必然是在某一個(gè)確定范圍內(nèi)某一個(gè)確定的整數(shù),在已知伽馬值的條件下,進(jìn)行公式處理后的值也是確定的,所以我們只需要為這個(gè)范圍內(nèi)的每一個(gè)整數(shù)進(jìn)行一次校正,并且將校正后的值寫入預(yù)先建立的查找表中,從而利用讀取該查找表對(duì)任意輸入的圖像進(jìn)行伽馬校正。該方法實(shí)現(xiàn)速度快,無(wú)需計(jì)算直接得到結(jié)果;唯一的不足是會(huì)占用一定的存儲(chǔ)空間,尤其是當(dāng)圖像的取值范圍較大時(shí)。

對(duì)于一個(gè)8位/通道的圖像,即紅、綠、藍(lán)三通道均包含了256個(gè)伽馬數(shù)據(jù),如果采用手動(dòng)調(diào)整是十分耗時(shí)耗力且難以實(shí)現(xiàn)的。綜合以上方法的實(shí)現(xiàn)效果和性能,結(jié)合本課題方案的具體實(shí)施,最后采用查找表的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)本文的伽馬校正功能。

Gamma的校正原理,就是利用RGB映射表,即Gamma LUT,將輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)變換,使得在LCD上呈現(xiàn)的亮度響應(yīng)曲線符合給定的指數(shù)曲線。通過(guò)LUT的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,可以補(bǔ)償LCD的Gamma非線性響應(yīng)。

為適應(yīng)用戶在不同的工作環(huán)境下不同的觀看愛(ài)好,通常設(shè)定多個(gè)γ值,制作多個(gè)LUT,由用戶自行選擇。

當(dāng)γ增大,畫面對(duì)比度提高,層次清晰的同時(shí),將會(huì)降低對(duì)比度的級(jí)數(shù),降低視頻信號(hào)顯示的能力。對(duì)輸出信號(hào)取整會(huì)引起亮度信息的丟失,因此通常在一定范圍內(nèi)提高查找表的輸出位數(shù),使得在輸入級(jí)數(shù)不變的情況下,隨著輸入值的增加,可以獲得更佳的色彩表現(xiàn)能力,減小誤差,增強(qiáng)顯示效果。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:

首先運(yùn)用公式

(2)

和EXCEL表格分別計(jì)算三組不同伽馬值(2.2,2.4,2.6)所對(duì)應(yīng)的不同灰階的亮度輸出值。其中,

X:8位R/G/B輸入信號(hào)灰階(Gray Level)值,范圍0~255;

Y:校正后的R/ G/B輸出信號(hào)亮度(Luminance);

γ:灰度校正系數(shù),即伽馬值;

Round:對(duì)校正結(jié)果取整。

然后將三組輸出值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù),三組不同的伽馬值對(duì)應(yīng)的伽馬校正值分別存放在地址0~255,256~511,512~767中,如下所示:

Sample Single Port Gamma Coefficients

Gamma set to 1.00, 1.09, 1.18 for 2.2/2.4/2.6

Address to access different gamma values in the LUT are generated by adding the offset values

the LUTs are arranged as shown redgreendualport (values from this LUT will be used for red and green data)

--------

| 0|

| | gamma corrected values for value 2.2

| 255 |

|------|

| 256 |

| | gamma corrected values for value 2.4

| 511 |

|------|

| 512 |

| | gamma corrected values for value 2.6

| 767 |

|------|

其中,Gamma set to 1.00, 1.09, 1.18 for 2.2/2.4/2.6,由于人的視覺(jué)對(duì)于亮度靈敏特性(gamma大約為1/2.2)幾乎和CRT的輸出特性相反,所以只要保證設(shè)備輸出的亮度和電壓特性,保持gamma=2.2、2.4、2.6。

(3)

最終的人眼看到的結(jié)果是亮度隨著電壓/灰階線性變化的。

然后,將轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)編輯成.txt格式的查表文件,文件內(nèi)容如下:

memory_initialization_radix=2;

memory_initialization_vector=

0000000000,

0000000100,

0000001000,

0000001100,

1111110010,

1111110101,

1111111001,

1111111100;

最后,將.txt文件的后綴名改為.coe文件,加載到IP核中,得到最終的查找表。

實(shí)際上,LUT就是三組可編程的SRAM,按照輸入的R/G/B值尋址,得到對(duì)應(yīng)的10/12bit的R/G/B,然后經(jīng)過(guò)圖像抖動(dòng)(Dither)處理,轉(zhuǎn)換成LCD顯示需要的bit數(shù),如圖5所示。

圖5 Gamma LUT和圖像抖動(dòng)框圖

3 結(jié)束語(yǔ)

1)顯示屏采用上述系統(tǒng)進(jìn)行Gamma 校正后,用色彩分析儀CA-310來(lái)檢測(cè)校正后的結(jié)果,R、G、B三通道光強(qiáng)誤差范圍基本在±1%以內(nèi)。造成誤差的原因是測(cè)量誤差和查找表誤差。

2)Gamma校正是液晶顯示的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié),它影響著顯示屏最終顯示的圖像質(zhì)量。

3)在批量生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)于同一型號(hào)同一批次的顯示屏,只對(duì)其中一個(gè)顯示屏進(jìn)行伽馬校正,然后將經(jīng)校正后的伽馬表編譯生成固件程序,將所有的顯示器都燒寫這一個(gè)程序,提高處理效率且操作方便快捷,能保證每臺(tái)顯示器最后顯示出來(lái)的色彩正確。

4)本文介紹了一種基于FPGA的LCD顯示屏的伽馬校正系統(tǒng),通過(guò)該系統(tǒng),明顯改善了LCD的色彩顯示,減小了色彩誤差,成本低,效率高,可用于顯示屏色彩的批量校正,在生產(chǎn)中具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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