全彩LED显示屏的灰度实现

全彩LED显示屏的灰度研究 (1.辽宁工业大学电子与信息工程学院，辽宁 锦州121001; 2.深圳市宏啟光电有限公司，深圳 518172 ) 摘要： LED显示屏研究极为火热，在其灰度的显示方面具体有两种方法：一种是电流型灰度显示，另一种是数字脉冲

型灰度显示。前种方法实现简单，容易实现，但是具体的工程操作困难；数字脉冲型灰度显示是基于数字脉冲的占空比来实现灰度显示的，显示方法较为灵活，控制方式也较易实现。显示的效果在一定的刷新频率下人眼感觉是整体的亮度的变化，本文还通过对实际亮度和视觉亮度的费希纳定律校正，得出灰度校正的基本公式。 本文针对LED屏的电流型灰度显示方法与数字脉冲型灰度显示方法进行比较分析，提出改进、新的全彩LED显示屏的灰度校正方法。该方法

关键词：电流灰度；脉冲灰度；费希纳定律；灰度校正 Full Color LED Display of The Gray

CHEN long,LU Bao-chun,ZhUANG Ming-zhao,TANG Wen-jun,CHEN Xiao-juan (1.Electronic and Information Engineering institute,Liaoning University of Technology,china Jinzhou 121001；2.) Abstract:LED display of extremely hot, the display area in the gray concrete in two ways: one is the current-mode grayscale display, the other is the digital pulse-type gray-scale display. The former method is simple and easy to implement, but the specific difficulties of engineering operations; digital pulse-type gray-scale display is based on the digital pulse duty cycle to achieve grayscale display, the display method is more flexible control is also easier to achieve. Show the effect of refresh rate in a certain sense of Human Eyes flashing not change. Also on the actual brightness and the brightness of the Fechner law of visual correction, gamma correction derived the basic formula. Keywords: Current intensity ；Pulse intensity； Fechner Law ；Gamma correction 目前，LED显示屏已经在车站、港口、户外广告、大型文体活动、政府的公告和金融的实时显示等方面成为主流的显示设备。LED显示屏由于采用节能、环保、高稳定性，超高亮度的LED作为发光原件，所以显示屏本身也具备这些优点[1]。此外LED显示屏在户外的显示效果是其他的液晶显示屏和CRT显示屏所无法企及的，另外在超大屏幕显示方面LED显示屏的刷新率、动态效果、节能环保、稳定性和成本等方面优势显著[2-3]。 LED显示屏在设计和生产当中，彩色图像信息的提取、灰度的实现、坏点的自动检测、数据传输、颜色校正和混色等问题是其中几个关键技术难题。本文研究显示屏灰度显示的实现方法。在分析电流型灰度实现的基础上具体研究数字脉冲型灰度的实现，并由费希纳定律得到实际亮度与视觉亮度的校正公式。 1 电流型灰度实现 LED显示屏灰度的实现，就是实现单个LED的根据不同的控制信号，而发出不同强度等级的光束，从而实现LED显示屏灰度等级的变化。这种方法，比较的直观易懂，LED流过的电流越大，则LED发出的光就越强，显示出的效果也就越亮。按照这样的思路理解，由调整LED电流的大小控制LED亮度的变化，从而实现灰度的显示[4]。 我们可以设定：LED最亮为16级灰度，不亮的时候为1级灰度，把其中不亮到最亮的这个部分平均分成16等，则可实现16种灰度变化。在电路上面实现这个功能就是具体设置电流大小的问题。电流的大小设置可以用电阻的调节来实现。图1.1是显示屏LED的特性曲线图。 5.04.03.02.01.00204060801000

Ta=27℃IF(mA)图1.1正向电流与亮度的关系 由图1.1可以知道：LED的电流强度与亮度关系大约是成正比的。LED亮度的大小，我们可以通过控制LED电流的大小来设置就是通过改变电路的电阻，实现LED亮度的改变，即灰度的变化。

020406080100120

1.71.92.12.32.52.7Vf(V)If(mA)

图1.2正向电压与正向电流的关系 由图1.2我们可以知道，通过控制电压的方式来实现电流的控制是不可取的，因为LED的电流和电压的关系是非线性的。由此，我们可以通过控制LED的电流达到灰度的实现。 假设我们通过显示屏LED光—电曲线图已经测量得出LED最亮时候的串入的电阻是R1，LED几乎不亮时候串入的电阻为R2，LED内阻为R3，LED的饱和压降为V，驱动电压为U我们就可以得出各级灰度应该串入的电阻值如表1.3 编码 电阻R 电流I 0000 R1+R2 (U-V)/( R1+R2 ) 0001 R1+(14R2)/15 (U-V)/( R1+(14R2)/15) 0010 R1+(13R2)/15 (U-V)/( R1+(13R2)/15) 0011 R1+(12R2)/15 (U-V)/( R1+(12R2)/15) 。。。

1110 R1+(R2)/15 (U-V)/( R1+(R2)/15) 1111 R1 (U-V)/(R1) 这种通过控制电流的大小，进而实现灰度显示的技术。看似简单易易于理解。但是在实际设计、生产和制作过程当中存在有很大的困难。其主要问题如下： (1)由于各个LED的光电特性不完全一致，而且由上述资料可知发光二极管的电流线性变化区比较窄，难以由线性的电流经过LED发出线性的灰度等级。这么窄的线性变化区，很可能有同样灰度等级的两个发光二极管流过电流的大小是不一样的，更有可能是在不同的灰度等级时流过的电流确又相同，这样的特性会给灰度显示带来难以克服的困难。 (2)LED的供电源电压一般在5V—12V之间而显示屏LED的工作电流一般在0—50mA所以电阻最小为(5-2)/0.05=60欧姆。LED正常工作的线性特性范围极小，这样的极小的范围需要分成16等分。这对硬件设计要求比较高，而且现有的常规电阻的阻值不能都精确的满足需求的电阻值。这给硬件的设计带来极大的困难。 (3)这种通过电流的大小，实现灰度变化的方式，需要一定量的电阻元器件，给生产成本的控制和产品能耗的降低造成困难。难以产生实际的经济效益。

2 数字脉冲型灰度实现 2.1 数字脉冲 数字脉冲型灰度显示是利用脉冲实现的灰度显示技术，由于人眼的视觉特性：人眼暂存效应即人眼在观察景物时，光信号传人的大脑神经，需经过一段很短的时间，光的作用结束后，视觉形象并不会立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”。 是光对视网膜所产生的视觉在光停止对其作用后，仍保留一段时间的现象。原因是由视神经的反应速度造成的。其时值是二十四分之一秒。这个是是动画、电影等视觉媒体形成和传播的根据。物体在快速运动时，当人眼所看到的影像消失后，人眼仍能继续保留其影像0.1-0.4秒左右的图像，这种现象被称为视觉暂留现象。是人眼具有的一种性质。 由于人眼的这种特性存在，所以发光二极管的亮度可以通过控制点亮发光二极管的时间的长短和频率来实现这个灰度变化，这就是数字脉冲灰度显示技术。 要让LED显示出16个灰度等级，我们可以把显示信号的宽脉冲信号平均的分成15等分，为15个灰度等级，全暗的时候为一个灰度等级。

0000000100100011

1111111011010100

编码脉冲波形

图2.1数字脉冲信号波形图 如图2.1，不同的信号对应有不同的脉冲宽度，相应不同的脉冲宽度反应在LED上面的效果就是LED不同的亮度变化。脉冲的宽度的大小，在时间上面显示就是脉冲的持续时间的长短。由于人眼的“眼睛的视觉暂留”特性，人眼对亮度的感觉在一定程度上是一个积分的效果，编码信息低位编码对应的点亮时间短，人眼感觉的亮度要小，编码信息高位编码对应的点亮时间长，人眼感觉的亮度要高，平均亮度就大。 这种通过脉冲电平的宽度即脉冲电平的持续时间实现LED灰度显示的技术有其一定优点的。由于同一厂家的LED的饱和压降基本上相等且在一个较小的范围内，基于这条件，电路设计上可以很容易的实现所有LED导通是能流过大致一样的电流，再将脉冲宽度按信号的编码进行等分，则每个LED流过的电流大小是大致一样的，只是持续的时间不同，这样就克服了上述用电流大小来实现灰度等级变化所出现的问题。可以比较真实地再现原图像的灰度层次。 这种数字脉冲的方法可以达到更佳的灰度等级。在理论上这种数字脉冲实现灰度的方法可以实现任意多级灰度显示如图1024级灰度显示。 信号 编码 A为高电平B为低电平 0 0000000000 0个A，1024个B

1 0000000001 1个A，1023个B

2 0000000010 2个A，1022个B

1024 1111111111 1024个A，0个B

表：2.2灰度级为256级图示 由上图，我们知道，按照数字脉冲技术实现的灰度等级是无限的，前提是硬件技术及控制芯片可以达到要求。 2.2感觉亮度与客观亮度 技术创新是无限的，人的感知能力是有限的，我们人眼一共约能区分一千万种颜色。LED的灰度设计可以是无限的，但是在实际的应用当中和现实的产品当中我们只是设计成有限的几个灰度等级就可以很好的重现原始的图像效果。测试让眼睛观察如图2.3

AA+ΔB

图2.3 如图左右两个区域，左右都是亮度可以调节的区域。保持区域左边A的亮度不变，然后慢慢增加右边区域的亮度值，这个时候当观察者刚刚觉察到两者的亮度有所差别的时候，把这个亮度差值，作为这两个亮度间的级别。同理，用相同的方法，经过多次测试我们就可以得出不同亮度的主观感觉级数，经过多人实验并统计数据可以得出实际亮度变化所引起的主观亮度感觉变化曲线。如图2.4所示。