侧入式LED背光源仿真中亮度均匀性的判定方法

白王静，李福山，罗福根，徐 胜，黄炳乐,3

(1.福州大学 物理与信息研究工程学院，福建 福州 350000；2.福建捷联电子有限公司，福建 福清 350301；3.福建船政交通职业学院信息工程系，福建 福州350007)



侧入式LED背光源仿真中亮度均匀性的判定方法

白王静1，李福山1，罗福根2，徐 胜1，黄炳乐1,3

(1.福州大学 物理与信息研究工程学院，福建 福州 350000；2.福建捷联电子有限公司，福建 福清 350301；3.福建船政交通职业学院信息工程系，福建 福州350007)

在设计开发侧入式LED背光源时，经常应用光学软件Tracepro对其亮度均匀性进行模拟仿真，且总会出现仿真结果与实际人眼感知结果间存在一定差异的现象。针对这一现象，提出了以人眼“最佳视觉注意范围”为依据，将屏幕进行合理分区，并利用Weber定律中关于感觉量与刺激量之间的量化公式对差异现象进行分析矫正的方法，有效改善了模拟仿真设计与实际人眼感知的差异。同时，建立了尺寸为6 cm×6 cm的单边侧入式LED背光源模型，对已提出方法进行了实际验证。实验结果表明，该方法有效提高了仿真结果的合理性及高效性，减小了产品开发设计与实际效果间的误差。

Tracepro；侧入式；Weber定律；最佳视觉注意范围

随着LED背光模组向轻薄化方向发展，侧入式LED背光源逐渐成为市场发展的主流,其中，背光源的亮度、均匀性等光学指标对LCD的显示质量起着重要影响[1]。与直下式背光源比较而言，侧入式是把其位于侧边的点状LED光源通过导光板进行均匀扩散，然后才形成面状光源，而直下式背光源则是在扩散板后面放置足够多的LED光源阵列，因而其本质上就具有面光源的特征，显然侧入式背光源在亮度均匀性上具有先天性的劣势[2-3]。从而，对于侧入式LED背光源而言，保证良好的亮度均匀性显得尤为重要。

目前，业界判断均匀性的客观方法一般是通过仪器直接测试多点亮度，然后求得最低亮度与最高亮度的比值，最后将比值与产品规格相比较并判定出产品的均匀性情况。或者是通过人眼主观判断的方式进行评价,这些都是事后的判断方法。为此，本文通过合理利用Weber定律及“最佳视觉注意范围”理论，有效综合模拟仿真技术与实际人眼主观感知的差异，提出了一种在设计阶段就可以运用的新的背光源亮度均匀性判定方法,提高了设计产品的准确性，并节约了设计时间和成本。

1 判定方法的理论探究

1.1 最佳视觉注意范围

通过大量的观察实验，发现人们在观看显示屏幕时倾向于将视觉注意力集中在屏幕的中央区域，而不是整个屏幕区域，且这一现象不会随着时间的延长而减少。同时，引起这一现象的主要原因在于，绝大多数的图片中最主要的信息都处于图片的中央及其附近区域。另外，有研究表明，人们在短时间内观察显示屏幕时，其注意的图片范围仅为图片的30%左右[4-5]，如图1、2所示。

图1 原始观察图片

图2 人眼实际的视觉注意范围

本文中将上面提到的这一范围称为“最佳视觉注意范围”。在研究显示屏幕的亮度均匀性时，由于人眼对于显示屏幕拥有最佳视觉注意范围，因此，在此范围内的亮度均匀性相对其余地方就显得更为重要。据此，课题中决定依据人眼的最佳视觉注意范围理论将显示屏幕分为两个区域，即从屏幕中心向外占整个屏幕的30%的中央区域为主导区域，剩下的70%的区域为辅助区域。

具体以18.5 in(1 in=2.54 cm)的显示器为例，有效发光总面积为

STotal=409.8 mm×230.4 mm=94 417.92 mm2

(1)

所以30%的区域面积为

S30%=STotal×30%=28 325.376 mm2

(2)

为了最终确定主导区域范围边界位置，首先，同时取显示屏幕的长(L)和宽(B)的0.55倍得(由于30%本身就是一个估计值，所以此处选择0.55倍使所选取区域稍大于30%)

L0.55=409.8 mm×0.55=255.39 mm

(3)

B0.55=230.4 mm×0.55=126.72 mm

(4)

因此面积为

S0.55=255.39 mm×126.72 mm=32 363.020 8 mm2

(5)

若将屏幕的左上顶点设置为原点(0，0)，垂直向下设置为X轴正方向(表示宽度B)，水平向右设置为Y轴正方向(表示长度L)，则根据数学理论可计算得到“主导区域”的4个顶点分别为(B/2-B0.55/2，L/2-L0.55/2)、(B/2-B0.55/2，L/2+L0.55/2)、(B/2+B0.55/2，L/2-L0.55/2)、(B/2+B0.55/2，L/2+L0.55/2)，如图3所示。

图3 主导区域示意图

1.2 人眼亮度感知的量化

Weber定律表明了心理感知量及物理量之间的特定关联，即感知的差别阈限跟随原始刺激量的改变而变化，同时具有一定的规律特征，故本文选用它作为理论研究基础。其公式为

ΔΦ/Φ=C

(6)

式中：Φ为原始刺激量；ΔΦ为当前差别阈限；C为结果常数，又称为韦伯率，实验测定为C=0.017[6-7]。

在侧入式LED背光源中，正是由于两块区域之间的亮度差与其自身亮度的比值超过了人眼的差别域限，才导致人眼感知到不均匀的现象。据此可以分析出，只要分别测得两区域的亮度，然后带入Weber定律计算公式，即可计算出当前的C值，如果其大于0.017，则说明人眼能够感知这两区域间的不均匀现象；反之，则说明人眼感知不到这两区域间的不均匀现象，可认为此处区域间不存在亮度不均匀现象。

由于光线经过导光板后，每个像素区域仍然存在亮度不一致的问题，且这种不一致现象并没有一定的界限，所以将运用多点平均近似的方法，其主要思想是在计算某一像素的Weber对比度都选取一定数量的邻近像素作为刺激量进行计算，从而使结果更加符合实际[8]。

结合最佳视觉注意范围理论分析可知，人们的视觉注意大多数都是集中于主导区域内，因而对该区域内的亮度均匀性要求会更高些。因此，分别对主导区域和辅助区域采取了不同的多点平均近似方法。

同时，在获取C值的过程当中，理论上只有当设置的采样密度接近甚至等同于人眼对亮度的实际分辨率时，才会取得准确的模拟效果。假如设置的采样密度太大，会导致两点之间的值太过接近，最后得出的C值将必然小于0.017，无法分辨出明暗不均的区域；反之，采样密度太小，最后得出的C值将必然大于0.017，也无法反映人眼实际的感知效果。

(6)

(7)

图4 “主导区域”和“辅助区域”的邻域选取示意图

2 判定方法的实际验证

众所周知，侧入式LED背光源在亮度均匀性方面存在明显的缺陷，由于LED光源为朗伯发光体，所以会在LED灯附近形成“萤火虫”状的亮度不均匀现象，如图5所示。同时，对于单边侧入式LED背光源来说，在离光源较远的边侧也会出现一些亮度均匀性不够的问题[9]。所以，本文在Tracepro7.03中建立尺寸为6 cm×6 cm的侧入式LED背光仿真模型，并以“萤火虫”现象为主要模拟对象，对提出的新方法进行实际验证[10-11]。

图5 侧入式LED背光源的萤火虫现象

在基本设置之后，开始设置最关键的两个参数：分辨率和追迹光线条数。经研究测量得知人眼的实际分辨角为1.5′，且在研究亮度均匀性时一般选定500 mm作为观测距离，经过计算，人眼分辨距离为d=500 mm×tan(1.5/60)≈0.218 mm。所以将分辨率设置为0.218 mm，将追迹光线条数设置为5万条。

参数设置完后，进行了光线追迹仿真，结果如图6～7所示。

根据图6可以发现背光源的亮度不均匀现象主要存在于LED灯条附近的萤火虫区域及边侧区域。为了确定模拟出来的结果是否与实际人眼感知的结果相吻合，提取出仿真照度图的亮度信息，在MATLAB中运用式(7)进行计算每个点的C值，然后将C值矩阵中的每一C值逐一跟0.017进行比较，将大于0.017的C值赋值为零，以表示该处不均匀，最后画出该C值矩阵的二值图像，如图8a所示。

观察图8a可知，处理结果图中LED附近的萤火虫区域与照度图中存在较大差异，且在其他区域存在许多不均匀现象，故判定相应的仿真照度图并未与人眼的实际感知相吻合。从而，可以推断出，当前仿真参数设置不够恰当。

图6 追迹光线为5万条的照度图

图7 追迹光线为10万条的照度图

分析原因，对于分辨率，由于人眼的分辨率在实际中会受到各种各样环境因素的影响，所以达不到理论上的0.218 mm，故需下调分辨率。而降低分辨率的同时，需要提高追迹光线条数才能得到较合理的亮度值。另外，对于由Weber定律分析试验得出的C值阈值是在特定条件下得出的，同样会受到不同环境因素的影响，并导致灵敏度下降，因而有必要适当调整C值阈值。

在多次调整分辨率及追迹光线条数并做仿真的过程中，发现当分辨率调整为0.5 mm，追迹光线条数调整为10万条时，照度图如图7所示。同时，用相同的方法进行MATLAB计算，结果如图8b所示，观察可知相应的仿真照度图与人眼实际感知相对较吻合。因此，图7图比左图更能体现人眼的实际感知结果。而事实上两图差异并不大，均可看到明显的“萤火虫”现象。所以，仅仅依靠仿真软件无法准确判定模拟结果与人眼实际感知的吻合度，需要借助本文中的方法进行判定。

另外，观察图8b，发现在主导区域及其附近仍然存在部分不均匀点，但在实际，中人眼难以分辨这些不均匀点，因此，仿真结果与人眼实际感知仍有较大差别。

图8 二值图像(截图)

如图9a所示，根据最佳视觉注意范围的确定方法，对MATLAB结果图进行了主导区域的标定。通过多次仿真分析，发现这些数量不多的不均匀点是由于计算方法的精确度不够导致的，而与Tracepro中的参数设置没有太大联系。根据最佳视觉理论，由于“主导区域”内的显示效果对人眼感知影响较大，所以，在其他条件不变的基础上对主导区域采用更加精确的计算式(6)进行分析计算。同样，经过再次仿真，得出结果如图9b所示。观察分析可知，在加入最佳视觉注意范围理论之后，更加准确地判断了实验仿真结果与人眼的实际感知效果的吻合度。

3 结论与分析

本文在对利用Tracepro光学软件仿真时出现的仿真结果与实际人眼感知结果存在一定差异的现象进行深入分析的基础上，提出了在利用Weber定律进行合理量化的过程中加入基于最佳视觉注意范围的分区计算判定方法。然后通过在Tracepro中建立背光模型对提出的方法进行了实际验证。根据最终的模拟仿真结果可得出以下结论：

1)设计开发侧入式LED背光源时，在仿真过程中应用了Weber定律将人眼实际感知效果进行合理量化，可以提高仿真的准确性，最终也有助于提高设计产品的准确性及实用性。

2)最佳视觉注意范围的应用，进一步提高了模拟量化的效果，特别是在主导区域，能够更加准确地判断设计仿真结果与人眼的实际感知效果的吻合度。

图9 分辨率为0.5 mm、光线为10万条的仿真图像(截图)

总之，本文提出的将仿真技术与人眼感知特性相结合，进行背光源均匀性判断的方法与客观实际较为相符，将有利于背光源设计得更加合理、高效。

[1]纪玲玲．侧入平板式LED背光源设计与优化[D]．广州：华南理工大学，2010．

[2]HAN Y K，SONG W J，CHO B C, et al.A backlight simulator for an edge-type backlight unit in local dimming systems[C]//Proc.IEEE International Conference on Consumer Electronics.[S.l.]：IEEE Press，2011：655 - 656.

[3]HULZE H，GREEF P.Power savings by local dimming on a LCD panel with side lit backlight[J].SID Int’l Symposium Dig.Tech.[S.l.]：Springer，2009：1609-1623.

[4]LEE C H，SHAW W H，LIAO H I，et al.Local dimming of liquid crystal display using visual attention prediction model[C]//Proc．Computer Communications and Networks.[S.l.]：IEEE Press，2011：1 - 6．

[5]MEUR O L, CALLET P L, BARBA D,et al.A coherent computational approach to model bottom-up visual attention[J]．IEEE Trans.Pattern Analysis and Machine Intelligenc，2006，28(5)：802-816．

[6]高新波，路文．视觉信息质量评价方法[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2010.

[7]赵媛，赵敏，谢正祥．基于现代数字图像处理技术对中间视觉对比度分辨率限制(阈值)的测定[J]．中国组织工程研究与临床康复，2011，15(26)：4841-4844．

[8]李郑阳，陈明荣．测量发光画面亮度均匀性的方法：中国，200710141775.0[P]．2008-01-09．

[9]金海洋，刘卫东，乔明胜．改善侧导光LED背光Hot Spot现象的导光板设计[J]．现代显示，2011(8)：43-46．

[10]王宇兴.TracePro教程[EB/OL].[2014-07-08].http://wenku.baidu.com/view/95a020f2ba0d4a7302763a51.html.

[11]CHEN W C, LIU K P, LIU B H,et al.Optimization of optical design for developing an LED lens module[J].Neural Computing and Applications，2013，22(3/4)：811-823.

白王静(1989— )，硕士生，主研图像处理及信息显示技术；

李福山(19789— )，研究员，博士生导师，主研纳米电子材料与器件;

徐 胜(19749— )，助理研究员，主研信息显示、电路与系统。

责任编辑：许 盈

Brightness Uniformity Judgement Method of Side Entering Type LED Backlight’s Simulation

BAI Wangjing1, LI Fushan1, LUO Fugen2, XU Sheng1, HUANG Bingle1，3

(1.CollegeofPhysicsandInformationEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350000,China; 2.TPVElectronics(Fujian)Co.,Ltd.,FujianFuqing350301,China; 3.InformationEngineeringDepartment，FujianChuanzhengCommunicationsCollege，Fuzhou350007,China)

When the Side entering type LED backlight is being designed and developed , the optical software Tracepro is often used to simulate the brightness uniformity, and it is always have the phenomenon that there are some differences between the simulation results and the actual results of the human visual perception.Considering this phenomenon, in this paper, a method that human eyes′ best visual scope is regarded as the basis to divide the screen reasonable, then quantitative formulas about the feeling between perception and stimulus from Weber′s law are used to analyze and correct the difference, improving the differences effectively.At the same time, the proposed method are verified on the single side entering type LED backlight whose size is 6 cm×6 cm.The experimental results show that this method is effective to improve the rationality and efficiency of the simulation results and reduce the error between product’s development and the actual effect.

Tracepro; side entering type; Weber′s law; the best visual scope

国家“863”计划项目(2012AA03A301；2013AA030601；2012AA030303)；国家自然科学基金项目(61101169；61106053；61377027)；福建省自然科学基金项目(2011J01347；2013J01233)；福建省教育厅A类项目(JA11013；JA13376)

TN27

A

10.16280/j.videoe.2015.07.015

2014-08-25

【本文献信息】白王静，李福山，罗福根，等.侧入式LED背光源仿真中亮度均匀性的判定方法[J].电视技术,2015，39(7).