UHD RGBW光学校正方法设计及验证

赵雅楠 许益祯 肖利军 高少洪 刘志友 张秀琴

摘 要：RGBW液晶屏中W子像素的加入使得应用于RGB中的光学校正方法无法直接应用于RGBW中，为了实现对UHD RGBW液晶屏的光学校正，文章建立了UHD RGBW光学校正系统，并基于自动补偿亮度原理对光学校正系统进行研究。首先，根据UHD RGBW色度等特征参数介绍了光学调试流程。进而，以白色为例分析了典型的测量算法，即在提取RGBW的基础上进行由RGB转换为RGBW的光学调试方法。最后，介绍了UHD RGBW的光学校正系统及算法，并在分析比较光学色度的基础上，说明了采用该光学校正算法的优势。实验结果表明：UHD RGBW光学校正在UHD机种上是可行的，能够满足测量校正色度的稳定、可靠及精度高等要求。

关键词：UHD；RGBW；光学校正；光学校正算法

中图分类号：TM923.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0001-05

Abstract： The addition of W subpixel in RGBW liquid crystal screen makes it impossible to apply the optical correction method applied in RGB directly to RGBW. In order to realize the optical correction of UHD RGBW liquid crystal screen， a UHD RGBW optical correction system is established in this paper. Based on the principle of automatic compensation for brightness， the optical correction system is studied. Firstly， the optical debugging process is introduced according to the characteristic parameters of UHD RGBW chromaticity. Furthermore， taking white as an example， the typical measurement algorithm is analyzed， that is， the optical debugging method of transforming RGB into RGBW on the basis of extracting RGBW. Finally， the optical correction system and algorithm of UHD RGBW are introduced. Based on the analysis and comparison of optical chromaticity， the advantages of this optical correction algorithm are explained. The experimental results show that UHD RGBW optical correction is feasible on UHD machines， and it can meet the requirements of stability， reliability and high accuracy of measuring and correcting chromaticity.

Keywords： UHD； RGBW； optical correction； optical correction algorithm

1 概述

LCD显示屏的RGBW技术在原有RGB三原色像素排布基础上增加了W子像素，可大幅度提升液晶屏的透光率[1]，从而使其在功耗和画面亮度方面呈现的优势受到客户的青睐[2]。但是，由于屏中W子像素的加入，原有的应用于RGB中的光学校正方法无法直接应用于RGBW技术中[3]。

光学校正技术是以现代光学为基础，融计算机图像图形学、信息处理、光电子学等科学为一体的多学科交叉技术。随着TV产品的大型且高分辨率化，对TV产品光学调试准确度和检测正确性的要求也越来越高。光学测量标准逐渐从Gamma=2.2±0.2[4]向Gamma2.2±0.1过渡。并要求其gray level 40到gray level 240范围内均需满足光学要求。

因此，对UHD RGBW液晶屏的光学校正技术和方法进行研究，能够提高其显示质量，促进UHD RGBW面板的光学校正技术、工艺的提升。

鉴于此，文章對UHD-RGBW光学校正系统进行研究，建立应用于工业产品的UHD（3820×2160分辨率）55或49英 等大尺寸的UHD-RGBW液晶屏的光学校正系统，并提出误差补正以及光学校正系统算法。通过对工业UHD-RGBW产品进行光学校正，验证了文章UHD-RGBW光学校正系统计算法的有效性。证明文章所建立的UHD-RGBW光学校正系统能够应用于的光学调适领域，在保证测量要求的同时达成快速高效、准确、可靠性高、操作简便等特点。

2 UHD RGBW光学校正系统构成及工作原理

2.1 UHD RGBW光学校正系统的硬件构成

UHD RGBW光学校正系统原理图如图1。其主要由光学量测子系统、图像生成子系统以及计算机等组成。光学量测子系统主要包括色彩分析仪（通常用CA310[5]），用于测量屏上像素点的亮度等参数，并传递给计算机；图像产生子系统由图形信号产生器等组成，用于向面板传递标准测试图形信号；计算机安装有光学校正系统的运行软件以及算法，对光学量测子系统传递来的数据进行分析处理。

2.2 UHD RGBW光学校正系统的工作原理

UHD RGBW光學校正系统基本工作原理为：由图像产生子系统产生标准待测图形，传递给UHD RGBW显示屏，并由光学量测子系统测量图像数据传递到计算机，再由光学校正软件进行误差补正以及光学校正，计算生成Gamma表，反馈给UHD RGBW Panel+ Control Circuit。具体步骤为：

（1）关闭UHD RGBW液晶屏W子像素显示功能，使

屏的所有输出设置只开RGB子像素，且由光学量测设备获取RGBW屏中的RGB光学初始数据进行Gamma2.2校正。

（2）开启UHD RGBW液晶屏RGBW功能，且输出RGB

W子像素于屏上。显示所有的子像素后，会因为打开W子像素造成Gamma亮度偏移，故需要进行光学补正。

（3）使用针对亮度误差补正以及光学校正系统算法进行RGBW光学校正，以使其显示精准的光学特性。

由图2可知，通过光学量测设备获取待测面板光学检测图像进行光学补正以及校正，经上述三个步骤最终可以完成UHD RGBW屏的光学校正。

3 UHD RGBW光学校正系统的关键算法

3.1 RGBW图像的生成

由于信号源中数字信号仅包含有RGB三个色素的信息，若想在RGBW液晶屏上正确显示图片信息，需采用RGB-RGBW光学转换算法将RGB三色素信号转换为RGBW信号，并配合屏的电子电路控制实体子像素，在RGBW屏幕上正确显示信号源图像[6]。

RGB-RGBW光学转换算法主要有两种[7]。

第一种由CIE 1931 XYZ表色系统为桥梁，建立RGB色域与RGBW色域关系，其最终Rw，Gw，Bw的简化算式如式（1）所示。

由于Rw，Gw，Bw的值均介于0～1之间，可以确定W的取值范围如式（2）所示。

第二种为直接提取亮度分量的方式来确定W的值。如式（3），将源数据R、G、B值减去W（R，G，B）的值即可，示意图如图3所示。

3.2 UHD RGBW的光学补偿方法

基于上述两种由RGB产生的RGBW分量，应用于实际光学调试时，首先需关掉W显示功能，只打开屏上RGB子像素，在此状态之下进行RGB的光学校正。之后，再将W子像素打开，进一步进行光学校正。

在进行光学校正时需要保证灰阶gray level 40～240，RGBW各个子像素均能满足液晶屏透过率在Gamma=2.4和Gamma=2.0之间，如式（4）所示：

式中：L为液晶屏的亮度，其为灰阶水平的函数；G为灰阶水平，取为0～255；Gmax为液晶屏的灰阶水平最大值，Gmax=255。

文章针对RGB-RGBW常见的光学特性，编写了相应的图像分析及测量程序。具体如下：

3.2.1 RGB光学分量

在缺W分量的状态下，先将RGB的光学参数调整到gamma=2.2。

3.2.2 RGB-RGBW光学分量

将RGB调整到gamma=2.2后，打开W。此时亮度会稍有差异，但是可以参照前一步结果，将RGBW均打开的状态下的光学参数调整到Gamma=2.2。

3.2.3 补偿方式

因RGBW屏多了W分量，所以利用R、G、B各自将之调整到R：Gamma=2.2；G：Gamma=2.2；B：Gamma=2.2，在此调试方式之下，同时可以达到RGBW：Gamma=2.2，此种补偿方式可以有效达成亮度标准要求。

3.3 光学校正结果评价算法

针对RGB-RGBW-RGB常见的光学特性，编写了相应的图像分析及评价程序。现将指数图形、误差率图形以及对数图形的测量评价算法描述如下。

3.3.1 指数图形的测量评价算法

取L=（G/Gmax）γ，依此做图，指数图形观察亮度梯度图形，并判断是否满足校正要求。

3.3.2 误差率图形的测量评价算法

取（亮度偏差=透过率-透过率|gamma=2.2）每一点做图，误差率图形观察高低灰阶的细部波形。

3.3.3 对数图形的测量评价算法

取log（（Gamma（n）/100）， （n/255））做图，对数图形观察gray level 40～240的Gamma 值的一致性。

4 实验测量与结果

利用上述UHD RGBW光学校正方法对UHD RGBW液晶屏进行光学校正，并对结果进行分析。

4.1 W色校正结果

W色光学校正后，其Gamma曲线与Gamma=2.0、2.2和2.4曲线的亮度偏差分别如图4和图5所示。

由图4和图5结果可以看出，虽然当灰阶gray level取值0～40和240～255，W色的亮度与要求边界Gamma = 2.0和2.4较近，但是能够保证灰阶gray level取值40～240时，W色的亮度完全处于Gamma = 2.0和2.4之间，满足光学校正需求。

光学校正后W色的Gamma对数曲线如图7所示，由其可看出，仅当灰阶gray level取值为0和255附近时，W色的Gamma值偏离2.2较远，其余情况均能满足要求。

4.2 R、G、B色校正结果

R、G、B三色的校正结果及相应的Gamma曲线分别如图7-15所示。

分析图中结果发现，灰阶gray level取值40～240时，R、G、B三色校正后的Gamma值均能满足光学需求。进一步证明文章建立的UHD RGBW光学校正系统在UHD RGBW机种上的可行性，能够满足测量校正色度的稳定、可靠及精度高等要求。

5 结束语

文章根据现代工业要求，提出了UHD RGBW光学校正系统及方法，并介绍了做图原理以及光学标准。然后基于自动补偿亮度原理对光学校正系统进行研究，研究了典型光学做图算法以及基于光学标准所需要到达的目标。最后，介绍了UHD RGBW的光学校正系统及算法。结果证明：文章提出的UHD RGBW光学校正系统及方法于gray level 40～240基本满足了光学校正的要求，并具有测量校正色度稳定、可靠、精度高等特点。

参考文献：

[1]胡鹏，齐琪，陈仁伟.RGB与RGBW显示技术的比对验证分析及4K标准化建议[J].电视技术，2017，41（Z3）：145-149.

[2]程琰.多基色显示设备再现一些关键问题的研究[D].浙江大学，2008.

[3]姚洪涛，范炜.一种改进的RGB到RGBW信号的映射算法[J].长春理工大学学报（自然科学版），2018，41（01）：119-122+126.

[4]戴亚翔.TFT-LCD面板的驱动与设计[M].2006，4.

[5]Konica Minolta.显示器色彩分析仪CA-310使用说明书[Z].

[6]苏治平，陈宇，郭春威，等.多基色白光LED的配色研究[J].半导体光电，2013，34（06）：971-974.

[7]冯俊，严利民，陈静.一种RGB到RGBW的色域转换优化算法[J].光电子技术，2015，35（02）：135-139+143.