CN101866612A - Led显示屏亮度调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了LED显示屏亮度调节方法，该方法通过调节LED的占空比实现对LED的亮度调节，从而实现LED显示屏整体亮度控制。根据上述技术方案得到的本调节方法可在各种环境光的背景条件下，获得较满意的识读效果，更好地发挥LED显示屏在高速公路和城市交通中信息发布的作用。

Description

LED显示屏亮度调节方法

技术领域：

本发明涉及一种显示屏的亮度调节方法，特别涉及一种能够对LED显示屏的亮度进行调节的方法。

背景技术：

人们对信息的获得百分之九十以上来自于眼睛，LED显示屏作为一种可视的信息显示设备，具有信息可变、颜色丰富、亮度可大范围调节、功耗低、可靠性高、寿命长等技术优势，LED显示屏全天侯显示方式是目前任何一种户外媒体所无法替代的，在室外可视信息发布中得到越来越广泛的应用，发挥着越来越重要的作用。

对LED显示屏的信息显示来说，须考虑的问题有：颜色、清晰度、点距、视角、基色灰度、扫描频率、亮度调节等，由于室外环境光的变化范围非常大，要使LED显示屏显示的信息能在各种照度的环境背景光下清晰可见，就要求LED显示屏的发光亮度能随环境背景光的变化作对应的调节。目前现有的LED显示屏存在最大亮度不够或亮度调节不到位造成白天看起来不够亮，或晚上看起来刺眼的问题，它导致观察者无法清晰地识读信息，甚至使观察者产生眩目，影响交通安全。

发明内容：

本发明为了解决现有LED显示屏存在最大亮度不够或亮度调节不到位，造成白天看起来不够亮，或晚上看起来刺眼的问题；而提供了一种能够对LED显示屏进行亮度调节的方法，该调节方法能够使LED显示屏在各种环境光的背景条件下，获得较满意的识读效果。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

LED显示屏亮度调节方法，该方法通过调节LED的占空比实现对LED的亮度调节，从而实现LED显示屏整体亮度控制。

所述LED占空比的调节按主观亮度感觉与客观亮度的对数关系进行调节。

所述调节方法还通过对LED显示屏的灰度值扫描实现LED显示屏的灰度控制。

所述调节方法中LED显示屏采用恒流驱动LED。

根据上述技术方案得到的本调节方法根据韦伯一费赫涅尔定律，用对数规律变化的占空比控制方法，对LED显示屏进行亮度调节，可在各种环境光的背景条件下，获得较满意的识读效果，更好地发挥LED显示屏在高速公路和城市交通中信息发布的作用。从而有效的避免LED显示屏白天看起来不够亮，或晚上看起来刺眼，导致观察者无法清晰地识读信息，甚至使观察者产生眩目，影响交通安全的问题出现。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为亮度感觉示意图。

图2为亮度感觉的曲线图。

图3为室外景物照度变化示意图。

图4为LED亮度与电流的关系曲线图。

图5为LED的占空比示意图。

图6为LED的驱动电路。

图7为亮度调节曲线。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

就像上述所描述的人们对信息的获得百分之九十以上来自于眼睛，人眼的视网膜为一透明的薄膜，有视觉感光细胞-锥体细胞与杆体细胞。视网膜中央部分有一个特别密集的锥体细胞区，其颜色呈黄色，称为黄斑，直径约为2-3mm。黄斑中央有一小凹，称中央窝，是视觉最敏感的地方，其水平直径约为0.3mm，垂直直径约为0.2mm，其相应的视场角约为3°，几乎全部为锥体细胞所占。对人眼进行的大量研究结果表明，锥体细胞和杆体细胞执行着不同的视觉功能，锥体细胞的感光灵敏度低，在亮度3cd/m2以上的光亮条件下起作用，它能够分辨颜色和物体的细节，这叫锥体视觉，也称为明视觉；杆体细胞只能在黑暗的条件下(亮度为0.001cd/m2以下)起作用，这叫杆体视觉，也称为暗视觉。如果亮度界于明视觉与暗视觉所对应的亮度水平之间，视网膜中的锥体细胞和杆体细胞同时起作用，则称为介视觉或中间视觉。显然，明视觉的视场较小，一般定为2°；暗视觉的视场较大，一般定为4°。

人眼察觉亮度变化的能力是有限的。如图1所示：让人眼观察图1所示P1和P2两个画面，P1和P2的亮度均可调节。保持P1亮度从B缓慢递增至B+ΔBmin，直到眼睛刚刚觉察到两者的亮度有差别为止。此时，确定在这个亮度下的亮度感觉差了一级。用相同的方法，可以求出不同亮度的主观亮度感觉级数，并可根据得到的主观亮度感觉级数得到如图2所示的曲线。该图所显示的曲线表示实际亮度变化所引起的主观亮度感觉变化。

图2中横坐标代表实际亮度的变化，以尼特(1nit＝1cd/m2)为单位；纵坐标代表主观亮度感觉的级数。由该图可知：

a、要使人眼感觉到P1和P2两个画面有亮度差别，必须使两者的亮度差ΔBmin，ΔBmin是有限小量，而不是无限小量。因此，人眼察觉亮度变化的能力是有限的。

b、对于不同的环境亮度B，人眼可觉察的最小亮度差ΔBmin/B是相同的，并等于一个常数。即人眼亮度感觉的增量ΔS不是正比于客观亮度的增量ΔB，而是正比于亮度的相对增量ΔB/B，即

ΔS＝k(ΔB/B)                     (2-1)

上式经积分后得

S＝k′lnB+Ko＝k1gB+Ko             (2-2)

式中k＝k′ln10，k′、Ko均为常数。上式表明：主观亮度感觉与客观亮度的对数成线性关系。并称之为韦伯-费赫涅尔定律(Weber-FechnerLaw)。图2所示的曲线完全证明了这一点。

ξ＝ΔBmin/B称为对比度灵敏度阈或韦伯-费赫涅尔系数(Weber-FecnerRatio)。通常ξ＝0.005～0.02，在亮度很高或很低时，ξ增大至0.05。在观看LED显示屏时，因环境背景光的影响，ξ的值也可大些。

人眼能够感觉的亮度范围(称为视觉范围)极宽，从百分之几尼特直到几百万尼特。其所以如此之宽，是由于依靠了瞳孔和光敏细胞的调节作用。瞳孔根据外界光的强弱调节其大小，使射到视网膜上的光通量尽可能是适中的。在强光和弱光下，分别由锥状细胞和杆状细胞作用，而后者的灵敏度是前者的1万倍。图2所示的两条交叉曲线，分别表示杆状细胞和锥状细胞察觉亮度变化的关系。

在不同的亮度环境下，人眼对于同一实际亮度所产生的相对亮度感觉是不相同的。例如对同一电灯，在白天和黑夜它对人眼产生的相对亮度感觉是不相同的。另外，当人眼适应了某一环境亮度时，所能感觉范围将变小。例如，在白天环境亮度1000尼特时，人眼大约能分辨的亮度范围为200～2000nit，低于200nit的亮度感觉为黑色。而夜间环境为30nit时，可分辨的亮度范围为1～200nit特，这时100nit的亮度就引起相当亮的感觉，只有低于1尼特的亮度才引起黑色感觉。图2的曲线也说明了这一点，当人眼分别适应了A、B、C点的环境亮度时，人眼感觉到“白”和“黑”的范围如虚线所示，它们所对应的实际亮度范围比人眼的视觉范围小很多。并且A点的实际亮度对于适应了B点亮度的眼睛来说感觉很暗；而对于适应了C点亮度的眼睛来说，却感觉很亮。

根据人眼对实际亮度明暗感觉的相对性的察觉实际亮度变化能力有限性，LED显示屏显示信息时，应保证在不同环境背景光下有不同最大亮度Bmax和最小亮度Bmin，并且保证最大亮度Bmax和最小亮度Bmin的比值C(C＝Bmax/Bmin称为对比度)不变。另外，对于人眼不能察觉的亮度变化，不必精确地重现，只要保证重视图像和原景物有相同的亮度级数。即只要重视图象与原景物对人眼具有相同的对比度和相同的亮度级数，就能给人以真实的感觉。

在自然光下，室外景物照度的光照度图2所示，由图3可知，室外景物照度(即LED显示屏的背景照度)随昼夜的变化时时刻刻都在变化，其照度变化范围在上百乃至几万数量级。

根据人眼视觉特性，在不同的环境背景亮度下要求LED显示屏具有不同的平均亮度，以保证重显必需的对比度和亮度层次(灰度)，因此，LED显示屏应根据环境背景光的变化进行发光亮度的调整，即亮度调节，以使观察者能清晰地识读LED显示屏显示的信息。有的LED显示屏白天看起来不够亮，或晚上看起来刺眼，就是因为最大亮度不够或亮度调节不到位所造成的，它导致观察者无法清晰地识读信息，甚至使观察者产生眩目，影响交通安全。

LED显示屏的显示图象是由许多亮度不同的象素组成的，图象从亮到暗之间的亮度层次称为灰度。如果能分辨的亮度层次越多，图象就显得越细腻、柔和。一般来说，对比度C越大，图象黑白层次应当越丰富。另外，能分辨的黑白层次还受ζ值的限制。若已知图象对比度，根据人眼的对比度灵敏度阈ζ，可以用如下方法计算能分辨的亮度层次。

设图象最小亮度为Bmin＝B1，人眼所能分辨的第二级亮度为：

B2＝B1+ζB1＝(1+ζ)B1                  (3-1)

第三级亮度为：

B3＝B2+ζB2＝(1+ζ)2B1                 (3-2)

依此类推，所能分辨出的第n级亮度Bn为：

Bn＝(1+ζ)(n-1)B1＝Bmax                (3-3)

所以对比度C＝Bmax/Bmin＝(1+ζ)(n-1)    (3-4)

如果对等式两边取对数，经整理后，可得眼睛所能分辨的亮度层次为：

n＝1+[ln(Bmax/Bmin)/ln(1+ζ)]          (3-5)

当ζ＜＜1时，上式简化为：

n＝ln(Bmax/Bmin)/ζ                    (3-6)

由上式可知，人眼所能分辨的亮度层次与显示图象对比度的对数成比例，与对比度灵敏度阈ζ成反比变化。

根据人眼视觉特性，对主观感觉来说，重现图象应与实际景物具有相同的对比度和灰度，这样，就能给人以真实感觉。

实际景物的对比度一般都不超过100。因为，在一定照度下，最白的莫过于白石膏，其反向系数接近于1；最黑的莫过于黑丝绒，其反射系数为0.01。因此为了不失真地传送图象，要求重现图象的对比度也为100。由于实际环境亮度的影响，所以重现图象的对比度往往达不到100，一般能达到30～40也就满意了。

LED显示屏的亮度调节应不少于8级，以分别对应不同的环境背景光情况，根据韦伯-费赫涅尔定律，主观亮度感觉与客观亮度的对数成线性关系，显然，亮度调节应按对数曲线关系进行设计。观看LED显示屏是明视觉的情况，根据实际要求，LED显示屏的平均亮度应不小于30cd/m2，在阳光直射下，环境背照度可达100000Lx，LED显示屏的最大发光亮度应不小于8000cd/m2。

基于上述原理实现对LED显示屏进行调节，LED是构成LED显示屏的重要器件，一组特定的红、绿、蓝三种LED的亮度与电流的关系曲线如图4所示。对于不同品质的LED，其对应参数有较大差异，但基本特征与图4相符，从图4可知，正向电流超过阀值后，随着电流的增加，LED的亮度增加，当电流达到一定值后，亮度随电流增加的速度变缓，进入饱和区，在饱和区增加电流，亮度不会明显增加，只会导致LED功耗的激增，甚至烧毁LED。对LED显示屏使用的LED，就目前技术水平而言，在典型电流值是20mA的情况下，单管的法向发光亮度一般为：红色大于2000mcd，绿色大于4000mcd，蓝色大于1200mcd，实际使用时，一般应小于20mA，通过调节流过LED电流的大小来调节发光二极管的的亮度，达到亮度控制的目的。

基于上述通过电流调节LED亮度的方法，本发明提供了一种脉宽调制的亮度调节方法：

在一定的显示重复扫描频率下，LED的亮度可以由发光时间t_B与扫描周期T的比t_B/T(占空比)进行控制，如图5所示。用占空比调节亮度，是发光能量与人眼视觉惰性两者共同作用的结果。在相同的LED正向电流的作用下，t_B越长发光能量越大，只要周期性扫描的速度足够快，人眼就感觉LED的亮度越高，且不会有闪烁的感觉。调节占空比就是调节发光时间的长度，在数字电路中，对时间的控制是比较容易的，可通过脉冲计数与比较的方式实现。为了获得如图2所要求的亮度调节效果，占空比的调节应按对数关系设计。

LED显示屏对LED的驱动一般采用恒流驱动方式，通过灰度数据的扫描实现灰度控制，通过控制LED的占空比实现整体亮度控制，这种控制能够获得较理想的灰度控制与亮度控制特性。

对于LED的驱动电路中用于LED驱动的IC常用的有：HC595，TPIC6B595，ST2221C，TB62726，TB62727，MBI5026，MBI5027等，LED显示屏一行同颜色LED的驱动电路如图6所示。

图中CLK为移位脉冲端，LE为锁存脉冲端，OE为使能信号端，SDI为输入数据端，SDO为输出数据端。

对LED显示屏的亮度调节是通过改变OE信号脉冲的占空比来实现的。在CLK的作用下，SDI输入的数据依次移位，当一行数据全移到到对应的位置后，LE对数据进行锁存，OE控制恒流的输出，改变OE信号脉冲的占空比可控制等效恒流的大小，达到亮度调节(亮度控制)的目的。

此处的OE信号脉冲的占空比调节应根据亮度调节的要求，按对数关系进行设计。

基于本发明提供的方法制得的48点阵全彩色LED显示屏在8级亮度调节时的占空如表1所示。

表1 8级亮度调节时的占空比

亮度等级	1	2	3	4	5	6	7	8
									占空比	0.3％	0.8％	1.9％	3.8％	8.5％	17.9％	44.76％	100％

对上述48点阵全彩色LED显示屏进行亮度调节测量，在1-8级各级亮度调节，全屏白色发光时，测得的最大发光亮度值如表2所示。将最大亮度值按对数坐标绘制得到亮度调节曲线，如图7所示，从图中可以看出该曲线近似直线。

表2 8级亮度调节时白光最大发光亮度的测量值

亮度调节级数	最大发光亮度(cd/m2)
		1	32
2	76
		3	177
4	361
		5	803
6	1691
		7	4236
8	9464

通过上述对由根据本发明制得的LED显示屏的测试，可知用对数规律变化的占空比控制方法，对LED显示屏进行亮度调节，可在各种环境光的背景条件下，获得较满意的识读效果，更好地发挥LED显示屏在高速公路和城市交通中信息发布的作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.LED显示屏亮度调节方法，其特征在于，该方法通过调节LED的占空比实现对LED的亮度调节，从而实现LED显示屏整体亮度控制。

2.根据权利要求1所述的LED显示屏亮度调节方法，其特征在于，所述LED占空比的调节按主观亮度感觉与客观亮度的对数关系进行调节。

3.根据权利要求1或2所述的LED显示屏亮度调节方法，其特征在于，所述调节方法还通过对LED显示屏的灰度值扫描实现LED显示屏的灰度控制。

4.根据权利要求1所述的LED显示屏亮度调节方法，其特征在于，所述调节方法中LED显示屏采用恒流驱动LED。

Images