摘　要：針對(duì)武漢LED電子屏亮度均勻性問(wèn)題，介紹了一種基于ＣＣＤ相機(jī)的全彩ＬＥＤ顯示屏亮度檢測(cè)和校正算法。首先利用ＣＣＤ相機(jī)獲取顯示中的圖像，通過(guò)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和大津法對(duì)圖像進(jìn)行去噪和閾值分割處理，確定ＬＥＤ燈點(diǎn)的中心位置，然后使用較佳包含圓方法統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)燈點(diǎn)的相對(duì)亮度值，并計(jì)算出其三色校正系數(shù)矩陣。實(shí)驗(yàn)證明，該算法檢測(cè)速度快，校正效果較好，從而改善了顯示的質(zhì)量，延長(zhǎng)了顯示屏的使用壽命。

引　言

發(fā)光二很管（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）顯示屏作為一種多媒體顯示的終端，由于其節(jié)能、環(huán)保、高亮度等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在各種場(chǎng)合之中，如大型舞臺(tái)背景的布置和體育賽事的直播等［１］。目前市場(chǎng)上的ＬＥＤ顯示屏基本上是由數(shù)量眾多的二很管組成，由于工藝、散熱和老化等問(wèn)題，會(huì)使二很管產(chǎn)生亮度衰減和色度漂移，從而導(dǎo)致顯示的圖像發(fā)生色度和亮度不均勻的情況，較常見(jiàn)的現(xiàn)象就是“麻點(diǎn)”和“馬賽克”。針對(duì)發(fā)光二很管的這些獨(dú)有的顯示缺陷，許多研究機(jī)構(gòu)和大公司都開展了亮度均勻性校正方法的研究，亮度校正成為了該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

檢測(cè)顯示屏亮度的傳統(tǒng)方法是利用亮度計(jì)對(duì)每個(gè)ＬＥＤ燈點(diǎn)在法線方向的光強(qiáng)進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，需要在測(cè)量過(guò)程中不停地移動(dòng)亮度計(jì)的位置，這種方式的測(cè)量結(jié)果較準(zhǔn)確，但操作效率低、過(guò)程繁瑣、速度慢，不利于工業(yè)生產(chǎn)中顯示屏亮度的采集和校正。

因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究，主流的方法有投影法，該算法對(duì)二值圖像進(jìn)行水平和垂直投影，從而確定燈點(diǎn)的位置，這種方法在燈點(diǎn)排列不規(guī)整時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。針對(duì)這種情況，使用模版匹配法能夠取得較好的分割效果。

本文運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)顯示屏上每個(gè)燈點(diǎn)的相對(duì)亮度進(jìn)行檢測(cè)和提取，計(jì)算出各個(gè)燈點(diǎn)的校正系數(shù)矩陣，并運(yùn)用脈沖寬度調(diào)制（ＰＷＭ）方法調(diào)節(jié)相應(yīng)燈點(diǎn)的亮度，從而提高全彩ＬＥＤ顯示屏的亮度均勻性。圖１為算法的總流程圖。

ＬＥＤ燈點(diǎn)的定位

在對(duì)全彩ＬＥＤ顯示屏顯示圖像進(jìn)行相對(duì)亮度的檢測(cè)之前，必須先確定每個(gè)燈點(diǎn)在圖像中的具體位置。由于使用亮度計(jì)獲取燈點(diǎn)亮度值的方法過(guò)程繁瑣，效率較低，為了實(shí)現(xiàn)亮度的校正，本文通過(guò)定義相對(duì)亮度值的方法獲取燈點(diǎn)的相對(duì)亮度。采集圖像時(shí)使ＣＣＤ相機(jī)鏡頭正對(duì)顯示屏，由于在ＣＣＤ相機(jī)中由感光單元產(chǎn)生的灰度值與實(shí)際所測(cè)面元亮度成正比關(guān)系，且每一個(gè)燈點(diǎn)的感光圖像是由若干個(gè)感光單元組成的，因此本文定義相對(duì)亮度值為感光圖像中燈點(diǎn)有效區(qū)域灰度值的和。對(duì)由ＣＣＤ相機(jī)獲取的感光圖像進(jìn)行分析可以較準(zhǔn)確地提取燈點(diǎn)的位置、發(fā)光強(qiáng)度和形狀等信息。設(shè)顯示屏有Ｍ×Ｎ個(gè)燈點(diǎn)，定義每一個(gè)燈點(diǎn)的相對(duì)亮度值為Ｐ_ｍｎ，該燈點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的感光單元數(shù)目為Ｉ×Ｊ，每個(gè)感光單元的灰度值為ｆ_ｍｎ（ｉ，ｊ），則

在確定燈點(diǎn)的具體位置之前，先要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行灰度分布的統(tǒng)計(jì)，在所獲取的感光圖像中，由于燈點(diǎn)一般是由矩陣的方式排列，且燈點(diǎn)區(qū)域與背景區(qū)域的灰度值存在明顯的差異，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生環(huán)繞光的現(xiàn)象，因此需對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理。本文采用了大津法（ＯＴＳＵ）確定閾值，該方法計(jì)算簡(jiǎn)便，且在一定條件下不受圖像對(duì)比度和亮度變化的影響，所以應(yīng)用非常廣泛。其原理如下：

（１）設(shè)圖像為ｆ（ｘ，ｙ），在其灰度直方圖上假定一個(gè)閾值Ｔ，則將圖像分割成兩部分，即ｆ（ｘ，ｙ）≥Ｔ和ｆ（ｘ，ｙ）＜Ｔ兩類。

（２）分別計(jì)算兩類別的平均值方差（類間方差）和各類的方差（類內(nèi)方差）。

（３）以上述兩類方差的較大比值來(lái)確定閾值Ｔ，即為分割圖像的較佳閾值。

設(shè)輸入圖像為ｆ（ｘ，ｙ），輸出圖像為ｇ（ｘ，ｙ），用得到的分割閾值Ｔ對(duì)圖２（ａ）進(jìn)行處理，得到圖２

（ｂ）所示的經(jīng)形態(tài)學(xué)處理和二值化后的圖像。由于該方法能有效的將目標(biāo)與背景很好地分離，同時(shí)把燈點(diǎn)之間的相互影響降到了較低，因此能夠更加準(zhǔn)確地計(jì)算出屏幕上燈點(diǎn)的具體位置。式（２）為二值化處理的公式：

　如圖２（ｂ）所示，在經(jīng)過(guò)大津法處理后，各個(gè)燈點(diǎn)區(qū)域互不連通，又因?yàn)閱蝹€(gè)燈點(diǎn)區(qū)域近似為一圓形，且燈點(diǎn)的排列是有規(guī)則的，因此可把每一個(gè)ＬＥＤ燈點(diǎn)區(qū)域中心近似看作為燈點(diǎn)所在位置的中心點(diǎn)。本文采用一階矩質(zhì)心法（也稱作重心法）來(lái)確定各個(gè)燈點(diǎn)的中心位置，其計(jì)算表達(dá)式為

式中（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）為燈點(diǎn)區(qū)域的重心坐標(biāo)，也就是相對(duì)應(yīng)ＬＥＤ燈點(diǎn)的中心位置坐標(biāo)；燈點(diǎn)區(qū)域的大小為Ｍ×Ｎ，Ｍ、Ｎ分別為燈點(diǎn)區(qū)域?qū)挾群透叨确较蛏系南袼貍€(gè)數(shù)；（ｘ_ｍｎ，ｙ_ｍｎ）為燈點(diǎn)區(qū)域內(nèi)圖像像素（ｍ，ｎ）的坐標(biāo)，ｍ、ｎ分別為該圖像像素在該燈點(diǎn)區(qū)域內(nèi)所處的行和列；ｐｍｎ為燈點(diǎn)區(qū)域內(nèi)該圖像像素（ｍ，ｎ）的二值化后的值。如圖２（ｃ）所示，該方法能夠確定各個(gè)ＬＥＤ燈點(diǎn)的位置，并且由于使用了閾值分割的方法，能有效地避免燈點(diǎn)之間的相互干擾，使計(jì)算出的燈點(diǎn)的位置更加精確。

在圖像的預(yù)處理過(guò)程中，由于采集的環(huán)境、屏幕封裝或拍攝角度等原因，不可避免地會(huì)引入一些圖像噪聲，如ＬＥＤ引腳和螺釘表面產(chǎn)生的一些微小的反光，這些微小的噪聲都可能會(huì)影響燈點(diǎn)位置的確定。針對(duì)這種情況，本文引入了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法。具體思路是通過(guò)形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素衡量并提取照片中的對(duì)應(yīng)形狀來(lái)達(dá)到圖像分析和識(shí)別的目的。這種算法不但能夠使圖像數(shù)據(jù)得到一定程度的簡(jiǎn)化，使其基本的形狀特征保持不變，而且可以消除不相關(guān)結(jié)構(gòu)體。這種算法有四種基本操作，分別是膨脹、腐蝕、開啟和關(guān)閉。設(shè)預(yù)處理圖像為ｆ（ｘ，ｙ），結(jié)構(gòu)元素記作ｂ（ｘ，ｙ），用結(jié)構(gòu)元素ｂ對(duì)輸入圖像進(jìn)行膨脹和腐蝕運(yùn)算，分別定義為

開啟操作通常用來(lái)去除較小的明亮細(xì)節(jié)，閉合操作通常用來(lái)去除暗細(xì)節(jié)部分。在灰度數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中ｂ對(duì)ｆ進(jìn)行開啟和閉合運(yùn)算的定義為

使用上述數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法可以有效地解決由于一些細(xì)小的閃爍和螺釘?shù)姆垂鈱?dǎo)致的原圖像的二值圖像中存在的噪聲問(wèn)題。如圖３所示，一些噪聲已經(jīng)基本被去除。

２　ＬＥＤ燈點(diǎn)相對(duì)亮度的檢測(cè)在確定了各個(gè)燈點(diǎn)的中心位置之后，接下來(lái)就是對(duì)各個(gè)ＬＥＤ燈點(diǎn)的相對(duì)亮度進(jìn)行檢測(cè)和提取。本文采用了基于較佳包含圓的提取方法。具體步驟如下：

（１）在經(jīng)過(guò)處理的二值圖像中，對(duì)每個(gè)燈點(diǎn)區(qū)域的邊緣到中心位置的距離進(jìn)行計(jì)算，在取得的一系列邊緣感光單元到中心位置距離的數(shù)據(jù)中選取其中的較大值作為操作距離。

（２）以每個(gè)燈點(diǎn)的中心位置為中心，以操作距離為半徑作圓，如圖４所示，提取該圓形區(qū)域內(nèi)的各個(gè)像素的灰度值進(jìn)行求和。此灰度值的和即為該燈點(diǎn)的相對(duì)亮度值。在全部亮度提取完后保存為亮度數(shù)據(jù)文件，如圖５所示。

由于各個(gè)燈點(diǎn)發(fā)光的亮度不同，反映在圖像中即為各個(gè)發(fā)光區(qū)域的大小各不相同，因此使用邊緣至中心位置的較大值作為半徑可以較大程度地確保各個(gè)有效發(fā)光區(qū)域內(nèi)的灰度值被計(jì)算在內(nèi)，同時(shí)又避免了背景區(qū)域內(nèi)一些無(wú)效灰度值對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響。與主流的檢測(cè)方法“投影法”相比，該算法的優(yōu)勢(shì)在于可以對(duì)燈點(diǎn)排列不規(guī)整的ＬＥＤ顯示屏進(jìn)行檢測(cè)，并且能夠有效地避免背景灰度值對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

亮度校正

由于大多數(shù)全彩ＬＥＤ顯示屏每一個(gè)像素點(diǎn)是由紅、綠、藍(lán)三色的發(fā)光二很管共同組成，對(duì)整個(gè)顯示屏進(jìn)行亮度校正即為對(duì)每一種顏色的發(fā)光二很管進(jìn)行校正。在綜合了各種文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，本文利用所采集到的各個(gè)燈點(diǎn)的相對(duì)亮度數(shù)據(jù)生成針對(duì)每個(gè)燈點(diǎn)的三色亮度校正參數(shù)矩陣，接著通過(guò)使用ＰＷＭ的方法調(diào)節(jié)全彩ＬＥＤ顯示屏的亮度，具體做法是根據(jù)校正矩陣的數(shù)值來(lái)調(diào)節(jié)輸入脈沖的寬度，從而滿足對(duì)燈點(diǎn)亮度調(diào)節(jié)的要求，實(shí)現(xiàn)較高的顯示屏亮度均勻性。

要想取得校正參數(shù)矩陣，必須得確定校正的目標(biāo)值。本文首先使顯示屏分別顯示紅，綠，藍(lán)三色，并調(diào)節(jié)至較大亮度，用ＣＣＤ相機(jī)對(duì)顯示屏圖像進(jìn)行采集，得到待處理的原圖像，然后通過(guò)對(duì)各個(gè)燈點(diǎn)的相對(duì)亮度進(jìn)行提取，并選取其中的較小值作為校正目標(biāo)值，這樣做的優(yōu)勢(shì)在于由于整屏的燈點(diǎn)已經(jīng)處于較亮的狀態(tài)，以較小相對(duì)亮度值的燈點(diǎn)作為目標(biāo)值，可以有效地避免由于選取目標(biāo)亮度值過(guò)大而導(dǎo)致一些較暗燈點(diǎn)的亮度達(dá)不到目標(biāo)亮度的情況。每一個(gè)燈點(diǎn)都應(yīng)有一個(gè)相應(yīng)的三色校正矩陣，基于對(duì)人眼的視覺(jué)特性和簡(jiǎn)化計(jì)算的考慮，本文規(guī)定相對(duì)亮度值在校正目標(biāo)值３％以內(nèi)波動(dòng)的燈點(diǎn)的校正系數(shù)為１，對(duì)于其他燈點(diǎn)，校正系數(shù)計(jì)算公式為

式中Ｒ_ｉ、Ｇ_ｉ、Ｂ_ｉ分別為第ｉ個(gè)燈點(diǎn)的紅色、綠色、藍(lán)色的校正系數(shù)；Ｉ_ｒｔ、Ｉ_ｇｔ、Ｉ_ｂｔ為三色校正目標(biāo)值的相對(duì)亮度值；Ｉ_ｒｉ、Ｉ_ｇｉ、Ｉ_ｂｉ為第ｉ個(gè)燈點(diǎn)三色相對(duì)亮度值。因此每個(gè)燈點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的校正矩陣為［Ｒ_ｉＧ_ｉＢ_ｉ］Ｔ。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文所提出的算法的有效性，本文進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。以紅色為例，圖６和圖７分別是未校正的原圖像和校正后的圖像，通過(guò)在視覺(jué)上的對(duì)比可以看出，通過(guò)使用本文的算法能夠有效地提高顯示屏圖像的亮度均勻性，并且由于使用的目標(biāo)亮度值為各個(gè)燈點(diǎn)相對(duì)亮度值中較小的值，因此校正后的圖像比沒(méi)有校正的圖像整體稍暗。

圖８和圖９分別為校正前和校正后各燈點(diǎn)的相對(duì)亮度值直方圖。通過(guò)比較可以看出，校正前直方圖數(shù)據(jù)的差異性比較大，而校正之后直方圖數(shù)據(jù)的差異相對(duì)比較小，在特殊的情況下，如果統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)不存在任何的差異，直方圖會(huì)呈現(xiàn)一條直線。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)亮度校正后，亮度均勻性得到了很好的改善。

結(jié)　論

本文針對(duì)全彩ＬＥＤ顯示屏亮度均勻性問(wèn)題，通過(guò)使用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和大津法對(duì)由ＣＣＤ相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行去噪和二值化處理，比較準(zhǔn)確地確定了ＬＥＤ燈點(diǎn)的中心位置，通過(guò)使用較佳包含圓的方法計(jì)算出了燈點(diǎn)的相對(duì)亮度值，確定了每個(gè)燈點(diǎn)的亮度校正參數(shù)矩陣。與傳統(tǒng)的使用亮度計(jì)的做法相比，該算法成本低，操作方便，設(shè)備易于攜帶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠快速、有效地對(duì)ＬＥＤ大屏幕進(jìn)行檢測(cè)和亮度校正，延長(zhǎng)了ＬＥＤ顯示屏的實(shí)際使用壽命。