全彩Mini-LED商业大屏显示的彩色管理

薛治天， 吕国强， 杜 刚

(1. 合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009；2. 合肥工业大学 特种显示技术国家工程实验室 现代显示技术省部共建国家重点实验室 光电技术研究院，安徽 合肥 230009；3. 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

自20世纪末起，显示领域主要通过电脑和家用电视进行表达。直到2000年后，随着科技的不断进步与创新，显示行业也随之得到了快速的发展，其应用领域也从个人走向公众，商业显示也逐步成为一个独立的行业[1]。

如今的商业大屏显示方式主要表达形式分为3种：数字光处理显示(Digital Light Processing，DLP)、液晶显示(Liquid Crystal Display，LCD)和发光二极管显示(Light Emitting Diode，LED)[2]。这3种方式各有优缺点：DLP显示在3种方式中光效最低，成像质量、分辨率等方面都表现得十分中庸，在价格方面也没有优势，所以目前的商业显示解决方案基本采用LCD显示或LED显示[3]；LCD显示在分辨率、产生热量和维护成本等方面具有较大的优势，但其显示时受环境光影响较大且拼接缝隙明显，这些特点使LCD显示在室内显示等对亮度要求不高的环境下颇受欢迎，所以LCD显示成为了室内商业显示的中流砥柱； LED显示由于发光原理和构造的不同，在实现了无缝拼接的同时又具有较好的颜色表达能力，且LED反应速度快，无重影、拖影等问题。近年来随着Mini-LED技术的日益成熟，高分辨率LED商显获得盛赞，但较高的成本限制了其普及化应用[4]。

组成一个商业显示屏需要用不同批次、相同档次的Mini-LED进行混灯，这个过程是昂贵而且耗时的，由其组成的Mini-LED显示屏仍可观测到较为明显的色差，造成这个问题的根本原因在于Mini-LED灯的生产工艺限制了其颜色还原能力[5]。显示屏的分辨率越高意味着进行混灯的Mini-LED灯珠数目越多，色差现象也越明显。解决了Mini-LED间的色差问题，使其混灯的条件不再像如今这样严苛，价格昂贵的问题也随之解决。

本文针对Mini-LED显示中存在的色差现象，提出了一种基于ICC色彩特性文件，通过对Mini-LED商业显示屏模块之间的色域关系判断其目标色域，利用查找表(Look-up Table，LUT)与四面体插值运算的方式分别对每块拼接屏的色域进行映射，实现了色差矫正。其中针对Mini-LED商业显示屏在低灰阶部分较高灰阶部分色差更为明显的现象，通过利用不同的查找表密度改善了映射精度、映射时间与资源消耗之间的平衡[6]。

2 目标色域的选取

Mini-LED商业显示屏由数十个模组拼接而成，每个模组约由10个小拼接屏模块构成。每个模块由于其面积较小，灯珠数目较少所以采用合适的灯珠分选容易做到，在显示时无明显色差，但组成Mini-LED商业显示屏需要大量相同档次的模块，模块间的色差现象难以避免。为此，针对一系列模块如何选取一个合适的目标色域进行映射就显得尤为重要。

2.1 色域关系

任意两个色域之间的关系可以分为3类：如图1所示，完全重叠、完全不重叠和不完全重叠。

图1 色域关系Fig.1 Color gamut relation

对于完全重叠的色域，可以将大色域的颜色映射到小色域中完成颜色的复现；对于完全不重叠的色域，无法实现颜色的映射；对于不完全重叠的色域，可以将两个色域的颜色各自映射到公共区域或靠近某一标准色域[7]。

2.2 目标色域

通过对某个由36个模组，共计360个模块组成的Mini-LED商业显示屏的测量结果发现，其色域关系只存在完全重叠和不完全重叠两种情况且色域间极为靠近，如图2与图3所示。

图2 完全重叠的色域关系Fig.2 Completely overlapping gamut relations

图3 不完全重叠的色域关系Fig.3 Color gamut relation of incomplete overlap

图2为随机挑选视觉观测条件下无色差现象的3个模块，分别用红色、绿色和蓝色轮廓描绘其3D色域图，可以看出其色域关系为完全重叠；图3选取了存在较为明显色差的3个模块，采用相同的方式比较其色域，可以看出其色域关系为不完全重叠，结果表明全部Mini-LED显示模块色域都极为接近但仍有差异。所以选择其色域最小的一个模块作为映射的目标色域即可，将其他模块的颜色映射到该目标色域中，对于Mini-LED显示的颜色损失和最大亮度损失都在可接受范围内。

3 插值运算

色域映射最主要的运算是插值运算，对于插值结点查找表中不包含的像素通道值，利用插值公式计算得到的结果近似替代。

3.1 几种不同的插值运算

色域映射过程中有4种较为常用的插值运算，分别是四面体插值运算、锥体插值运算、棱柱体插值运算和立方体插值运算[8-11]。

上述几种插值运算的原理：当某像素点的像素值不是查找表中已存在的数据时，通过对该像素值临近的几个查找表中的像素值加权运算，从而得到该点的像素值。

3.2 插值运算对比

对于4种不同的插值运算，其对空间的分割、计算出目标像素值所需要的数据点数和在每次运算过程中的加法、乘法的次数决定了每完成一次映射所需要的数据量、数据精度以及运算时间都有所不同[12]，如表1所示。4种插值运算中四面体插值运算较其他方法运算量最小，资源消耗最少。

表1 4种插值运算对比Tab.1 Comparison of four interpolation algorithms

4 色彩管理与查找表优化

4.1 色彩管理

ICC色彩特性文件(ICC Profile)是一组数据集，被广泛应用于色彩管理，其目的是实现在不同的设备间颜色保持一致，通过定义色彩空间相对于特性文件相关空间(Profile Connection Space，PCS)，通常是CIELAB(L*a*b*)或者(CIEXYZ)之间应如何进行色彩转换的方式来工作[13]。色彩转换通过查找表的方式进行存储，未被存储的像素值则通过插值运算得到[14]。

4.2 创建查找表

本文通过爱色丽i1 display pro仪器对显示器进行测量，得到每块拼接屏的ICC特性文件，通过仿真对特性文件中的标签数据提取分析，利用插值运算得到源色域和目标色域间的对应关系，建立查找表[15]。

4.3 查找表优化

分别用33×33×33、17×17×17和9×9×9三种大小的查找表完成相同的插值运算，并将三次映射结果相对比，发现显示器三通道颜色中红色表现良好，映射前在显示纯红色场图片时均观测不到色差现象，映射后纯红色场图片颜色仍非常均匀且映射前后像素通道值无变化；在显示纯绿色场图片时可观测到轻微的色差现象，映射后纯绿色场图片颜色较为均匀，观测不到色差现象，映射前后绿色通道值变化较小；在显示纯蓝色场图片时色差现象最为明显，映射后纯蓝色场图片颜色均匀性有明显提升，绝大多数模块间不存在色差现象，仍有极少数模块存在微小色差。

对于33×33×33和17×17×17两种大小的查找表而言，映射后精度即通过查找表插值后的结果基本无差异，如表2和表3所示。

表2 33×33×33数据Tab.2 33×33×33 data

表3 17×17×17数据Tab.3 17×17×17 data

将17×17×17和9×9×9两种大小的查找表映射结果相对比，结果表明绿色、蓝色像素通道值在不超过120时，17×17×17大小的查找表映射精度要高于9×9×9大小的查找表，在其余部分两种大小的查找表映射精度基本无差异，如表3和表4所示。

表2为33×33×33大小的查找表在一次完整的色域映射前后编号为01_01、03_05和10_24的3个模块中R、G、B的像素通道值数据结果对比，完成一个模块的映射时间约为4 h；表3为17×17×17大小的查找表选取相同的模块进行对比，完成一个模块的映射时间约为0.5 h；表4为9×9×9大小的查找表选取相同的模块进行对比，完成一个模块的映射时间约为4 min，映射时间随表格变小而大幅度降低。

表4 9×9×9数据Tab.4 9×9×9 data

实验结果表明，在G ≤120和B ≤120两种情况下使用17×17×17大小的查找表，在剩余部分使用9×9×9大小的查找表进行映射可以在不损失精度的情况下最大程度地减少映射时间和资源消耗。

5 Mini-LED综合性能对比

5.1 最大亮度损失

在色域映射过程中将大色域作为源色域，最小的色域作为目标色域，所以在色域映射后最大亮度和颜色均会有一定的损失[16]，通过控制卡将Mini-LED峰值亮度调整为1 500 cd/m2，在进行色域映射后测得整屏最大亮度约为1 447 cd/m2，由此计算可得进行色域映射后该屏最大亮度损失约为3.5%。

5.2 像素光强均匀性

(1)

式中：

(2)

分别计算出IR、IG和IB，3次计算结果的最大值记为IPJ，IPJ即为该显示器的最大像素光强均匀性，该值越大说明显示器光照强度差异越明显，如表5所示[18]。

表5 像素光强均匀性分级Tab.5 Uniformity classification of pixel intensity

未映射前Mini-LED商业显示测试屏的像素光强均匀性为8.2%，在经过色域映射后该屏幕像素光强均匀性降至4.9%，有效证明了Mini-LED在经过色域映射后整屏的像素光强均匀性有明显的提升，在主观观测条件下亮度也显得更为均匀。

5.3 色差矫正

色差测试采用不同灰度级和不同亮度级的纯红图片、纯绿图片、纯蓝图片、灰阶图片以及随机混色图片，这样可以使测试图片更广泛地散布在色域空间，可以更好地反映显示器整体颜色情况[19]。进行色域映射前Mini-LED屏的色差计算结果为2.2ΔE，映射后整屏色差计算结果为1.3ΔE，有效证明了该色域映射方法可应用于Mini-LED显示器的彩色管理且效果理想。

6 结 论

本文针对全彩Mini-LED商业大屏显示的特性，提出了一种应用于全彩Mini-LED商业大屏显示的彩色管理方法，在保证色域映射精度的同时大幅缩减了映射时间。首先根据商业显示大屏模块间色域差距较小，但由于大屏的“放大”特性在视觉观测的条件下仍有明显的色差现象，针对该现象对显示器进行有效的色域映射。在色域映射时选择四面体插值运算可以大幅度节约时间成本，然后通过对33×33×33、17×17×17和9×9×9三种大小的查找表映射结果进行对比。实验结果表明，在G ≤120和B ≤120两种情况下使用17×17×17大小的查找表，在剩余部分使用9×9×9大小的查找表可以在不影响精度的条件下大幅度减少硬件资源消耗，从而减少映射所需时间。在进行色域映射前后，Mini-LED商业显示大屏的像素光强均匀性由8.2%降至4.9%，最大亮度损失仅为3.5%左右，可达到人眼基本不可分辨的范围内，整屏色差由2.2ΔE降至1.3ΔE，在人眼观测条件下无明显色差现象。该方法在对Mini-LED商业显示大屏进行颜色管理时起到了良好的作用，在最大亮度损失极小的情况下对像素光强均匀性和色差方面都有明显的提升效果，可以证明应用该方法可以高效地对Mini-LED进行彩色管理，为Mini-LED未来发展方向提供一定的参考价值。