CN103093722A - 四色led显示屏子像素重组方法 - Google Patents
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Abstract
四色LED显示屏子像素重组方法，涉及LED显示屏。针对垂直条带RGBW、棋盘状、栅格瓦三种不同的LED显示屏像素结构，通过像素采样算法，将单帧高分辨率的原始图像采样为多帧适合低分辨率LED显示屏的图像，然后在LED显示屏上进行显示；通过把分离后的低分辨率图像的RGB颜色分量转换至RGBW LED的亮度分量，将RGB共有的亮度值用白色LED代替；使用LED显示屏子像素重组技术将LED显示屏的传统像素分割为单个LED，再将原本属于不同像素的相邻LED进行重新组合形成新的视觉像素；将每一幅低分辨率的图像与进行子像素重组后的LED上的像素进行一一映射，通过时分复用的方法依次交替显示多帧低分辨率图像。
Description
技术领域
本发明涉及LED显示屏，尤其是涉及四色LED显示屏子像素重组方法。
背景技术
LED显示屏作为一种高光效、低成本的视觉信息载体，其应用领域在不断扩大，同时，市场对LED显示屏的分辨率、色彩还原度、功耗、稳定性等要求也日益提高。使用RGBW四色像素可以降低LED显示屏11%～33%的功耗，同时也可以增强显示图像的色彩准确度。但是相比RGB像素结构，RGBW像素结构的LED数目增加了1/3，提高了LED显示屏的硬件成本。目前，通常使用子像素重组（也称为虚拟像素、像素复用、复合像素、像素共享、像素分解等……）技术，在不增加LED显示屏上LED数目的情况下提高LED显示屏的分辨率。
文献[1]“A Novel RGBW Pixel for LED Displays”（作者：Neveen Shlayan,Dr.RamaVenkat,Paolo Ginobbi,Glenn Mercier；出处：IEEE Computer Society,2008，43：407-411）提出了RGBW LED像素结构，并将其的光谱图与RGB显示结构作为对比，得出二者的显示效果基本相同。最后通过实验测量的方式，得出RGBW像素结构比RGB像素结构节约了32%的电能。
文献[2]“A Modified Stripe-RGBW TFT-LCD with Image-Processing Engine for MobilePhone Displays”（作者：Chih-Chang Lai，Ching-Chih Tsai；出处：IEEE Transactions onConsumer Electronics，2007，53（4）：1628-1633）简单列举了现有的RGBW像素结构，并在此基础上提出了MS-RGBW像素结构，其核心思想是将3个子像素看作一个像素，缺少的颜色分量使用相邻像素的颜色分量作为补充。之后又提出了一种提高图像锐利度和对比度的颜色采样算法，经过实际测试，可以明显提高图像的锐利度和对比度。
文献[3]“LED显示屏虚拟像素原理及应用”（作者：王桥立，郝宗潮；出处：现代显示，2004，2：33-35）提出了基于2R1G1B子像素结构的子像素重组方案。通过在以2×2矩阵方式排列的RGB像素基础上使用子像素重组技术，在物理分辨率为M×N的显示屏上实现了（2M-1）×（2N-1）的显示分辨率。
文献[4]“Multicolor Virtual Matrix LED Display Controlled by D-Type Flip-FlopDrivers”（作者：Alfonso Gago-Calderón,JoséFernández-Ramos,and AlfonsoGago-Bohórquez；出处：JOURNAL OF DISPLAY TECHNOLOGY，2011，7（4）：174-180）将传统的RGB像素以六边形方式排列，使得一个像素可以被6个相邻像素复用，可以在使用同样数目的LED的情况下，将LED显示屏的分辨率提高至原来的8倍。
文献[1]中只提出了棋盘状RGBW像素结构，并没有对现有的其它两种RGBW像素结构——垂直条带RGBW和栅格瓦（Pentile）RGBW进行分析和验证；文献[2]的子像素重组方法只能将RGBW像素结构显示屏的分辨率提高33%，而且实际应用表明，这种像素结构只适合颜色变化多，重复性低，不讲究线条的图像显示，对于规则的图形、渐变效果明显的图片显示效果比较差。文献[3]中对2R1G1B像素结构的子像素重组技术虽然可行，但是需要2个红色子像素，造成了LED的浪费；文献[4]的子像素重组技术虽然使用1R1G1B像素结构，在相同数目LED的情况下实现了比文献[3]更高的分辨率，但是其使用的六边形像素结构和需要重新更改LED显示屏的结构，无法直接应用于现有的LED显示屏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四色LED显示屏子像素重组方法。
本发明针对现有的垂直条带、棋盘状、栅格瓦（Pentile）三种RGBW像素结构存在的不足，在现有的垂直条带、棋盘状、栅格瓦（Pentile）三种RGBW像素结构进行分析的基础上，将子像素重组技术与之结合的子像素重组显示方案，以达到在不增加LED数量的情况下，将显示屏的显示分辨率提高至原来的4～8倍。
本发明包括以下步骤：
1）针对垂直条带RGBW、棋盘状、栅格瓦三种不同的LED显示屏像素结构，通过像素采样算法，将单帧高分辨率的原始图像采样为多帧适合低分辨率LED显示屏的图像，然后在LED显示屏上进行显示；
2）通过把分离后的低分辨率图像的RGB颜色分量转换至RGBW LED的亮度分量，将RGB共有的亮度值用白色LED代替；
3）使用LED显示屏子像素重组技术，将LED显示屏的传统像素分割为单个LED，再将原本属于不同像素的相邻LED进行重新组合，形成新的视觉像素；
4）将每一幅低分辨率的图像与进行子像素重组后的LED上的像素进行一一映射，通过时分复用的方法依次交替显示多帧低分辨率图像，完成四色LED显示屏的子像素重组。
本发明是一种结合了四色（RGBW）LED像素和子像素重组技术的新型平面显示技术。该显示技术通过对显示输入的高分辨率图像按照特定的算法进行采样，生成多帧符合LED显示屏分辨率的低分辨率图像；之后分别按照现有的垂直条带、棋盘状、栅格瓦（Pentile）三种RGBW像素组织方式，根据每帧低分辨率图像像素的颜色分量，计算出红绿蓝白（RGBW）四个LED的亮度分量；最后通过对LED显示屏上的四色LED进行分时复用，将多帧低分辨率的图像依次快速交替地在LED显示屏上进行显示，达到在低分辨率LED显示屏上显示高分辨率图像的目的。本发明结合了RGBW像素结构和子像素重组显示技术，同时具有RGBW像素结构的色彩准确度高、能耗低，和子像素重组技术在不增加LED数量的情况下提高LED显示屏图像分辨率的优点。
本发明的优点是相对于传统的RGB LED显示屏，RGBW LED显示屏可以在具有相同物理像素数目的情况下将LED显示屏的功耗降低11%～33%，降低了LED显示屏的使用成本，白色LED的假日也提高LED显示屏的色彩准确度；而基于RGBW LED显示屏子像素重组方法将LED显示屏的视觉分辨率提高至原来的4～8倍，不仅弥补了RGBW四色LED显示屏在显示相同像素情况下比RGB LED显示屏多出1/3LED的缺点，还在不提高RGBW LED显示屏生产成本和结构的基础上提升了显示图像的精细度。
附图说明
图1为垂直条带像素分离方式。
图2为4种垂直条带子像素重组方式。
图3为垂直条带的视觉像素分布。
图4为棋盘状像素分离方式。
图5为4种棋盘状子像素重组方式。
图6为棋盘状的视觉像素分布。
图7为栅格瓦像素分离方式。
图8为8种栅格瓦（Pentile）子像素重组方式。
图9为栅格瓦（Pentile）的视觉像素分布。
具体实施方式
本发明分别针对垂直条带、棋盘状、栅格瓦（Pentile）提出了相应的像素重组方法。
一、针对垂直条带RGBW的实施方式：
1、将分辨率为4M×N的原始图像分割为4张M×N分辨率的图像。则采样公式如下所示：
frame_buf[j][i÷M][i%M]＝src_buf[i÷M][(i%M)×4+j] （1）
其中src_buf为原始图像的BMP格式像素矩阵，frame_buf为采样后的每一帧图像的BMP格式像素矩阵，j为帧编号，i为原始图像像素矩阵中第i个像素，M为LED显示屏的水平分辨率。
具体采样方式如图1所示：图中每一个方格代表4M×N分辨率原始图像的一个像素，方框中的编号为对应的M×N分辨率图像的编号，最终将所有编号为j的像素放入第j帧。
2、计算将4张M×N分辨率的图像在显示屏上的颜色分量。设i为像素水平坐标，j为像素垂直坐标，则R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)为原始M×N图像中像素(i,j)的三色分量数值。则显示屏上对应像素的四色LED的亮度R’(i,j)、G’(i,j)、B’(i,j)、W’(i,j)通过公式（2）～（5）计算得出：
W′(i,j)＝min{R(i,j),G(i,j),B(i,j)} （2）
R′(i,j)＝R(i,j)-W′(i,j) （3）
G′(i,j)＝G(i,j)-W′(i,j) （4）
B′(i,j)＝B(i,j)-W′(i,j) （5）
3、将每个像素对应的LED亮度分量映射至相应的LED。图2所示黑色方框框起来的为一个像素，黑色圆点位置为像素的视觉中心。将第1、2、3、4帧图像中每个像素映射至图2A、图2B、图2C、图2D的像素，每个LED的亮度分量为根据相应像素的RGB值计算得出的RGBW值。
4、将步骤3中的第1～4帧图像在LED上依次交替快速显示，当显示刷新速度足够快时，人眼感受到的显示屏显示的像素就如图3所示。
二、针对棋盘RGBW的实施方式：
1、将分辨率为2M×2N的原始图像分割为4张M×N分辨率的图像，采样公式如下所示：
frame_buf[0][i÷M][i%M]＝src_buf[(i÷M)×2][(i%M)×2] （6）
frame_buf[1][i÷M][i%M]＝src_buf[(i÷M)×2][(i%M)×2+1] （7）
frame_buf[2][i÷M][i%M]＝src_buf[(i÷M)×2+1][(i%M)×2] （8）
frame_buf[3][i÷M][i%M]＝src_buf[(i÷M)×2+1][(i%M)×2+1] （9）
其中src_buf为原始图像的BMP格式像素矩阵，frame_buf[X]为采样后的第X帧图像的BMP格式像素矩阵，j为帧编号，i为原始图像像素矩阵中第i个像素，M为LED显示屏的水平分辨率。
具体采样方式如图4所示：图中每一个方格代表2M×2N分辨率原始图像的一个像素，方框中的编号为对应的M×N分辨率图像的编号，最终将所有编号为j的像素放入第j帧。
2、计算将4张M×N分辨率的图像在显示屏上的颜色分量。设R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)为原始M×N图像中像素(i,j)的三色分量数值，则显示屏上对应像素的四色LED的亮度R’(i,j)、G’(i,j)、B’(i,j)、W’(i,j)通过公式（2）～（5）计算得出。
3、将每个像素对应的LED亮度分量映射至相应的LED。图5所示黑色方框框起来的为一个像素，黑色圆点位置为像素的视觉中心。将第1、2、3、4帧图像中每个像素映射至图5A、图5B、图5C、图5D的像素，每个LED的亮度分量为根据相应像素的RGB值计算得出的RGBW值。
4、将步骤3中的第1～4帧图像在LED上依次交替快速显示，当显示刷新速度足够快时，人眼感受到的显示屏显示的像素就如图6所示。
三、针对栅格瓦（Pentile）RGBW的实施方式：
1、将分辨率为4M×2N的原始图像分割为8张M×N分辨率的图像，采样公式如下所示：
frame_buf[0][i÷M][i%M]＝src_buf[(i÷M)×2][(i%M)×4] （10）
frame_buf[1][i÷M][i%M]＝src_buf[(i÷M)×2][(i%M)×4+1] （11）
frame_buf[2][i÷M][i%M]＝src_buf[(i÷M)×2][(i%M)×4+2] （12）
frame_buf[3][i÷M][i%M]＝src_buf[(i÷M)×2][(i%M)×4+3] （13）
frame_buf[4][i÷2M][i%2M]＝src_buf[(i÷2M)×4+3][(i%2M)×2] （14）
frame_buf[5][i÷2M][i%2M]＝src_buf[(i÷2M)×4+3][(i%2M)×2+1] （15）
frame_buf[6][i÷2M][i%2M]＝src_buf[(i÷2M)×4+1][(i%2M)×2] （16）
frame_buf[7][i÷2M][i%2M]＝src_buf[(i÷2M)×4+1][(i%2M)×2+1] （17）
其中src_buf为原始图像的BMP格式像素矩阵，frame_buf[X]为采样后的第X帧图像的BMP格式像素矩阵，j为帧编号，i为原始图像像素矩阵中第i个像素，M为LED显示屏的水平分辨率。
具体采样方式如图7所示：图中每一个方格代表8M×2N分辨率原始图像的一个像素，方框中的编号为对应的M×N分辨率图像的编号，最终将所有编号为j的像素放入第j帧。
2、计算将8张M×N分辨率的图像在显示屏上的颜色分量。设R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)为原始M×N图像中像素(i,j)的三色分量数值，则显示屏上对应像素的四色LED的亮度R’(i,j)、G’(i,j)、B’(i,j)、W’(i,j)通过公式（2）～（5）计算得出。
3、将每个像素对应的LED亮度分量映射至相应的LED。图8所示黑色方框框起来的为一个像素，黑色圆点位置为像素的视觉中心。将第1、2、3、4帧图像中每个像素映射至图8A、图8B、图8C、图8D的像素，每个LED的亮度分量为根据相应像素的RGB值计算得出的RGBW值。
4、将步骤3中的第1～8帧图像在LED上依次交替快速显示，当显示刷新速度足够快时，人眼感受到的显示屏显示的像素就如图9所示。
Claims (1)
1.四色LED显示屏子像素重组方法，其特征在于包括以下步骤：
1）针对垂直条带RGBW、棋盘状、栅格瓦三种不同的LED显示屏像素结构，通过像素采样算法，将单帧高分辨率的原始图像采样为多帧适合低分辨率LED显示屏的图像，然后在LED显示屏上进行显示；
2）通过把分离后的低分辨率图像的RGB颜色分量转换至RGBW LED的亮度分量，将RGB共有的亮度值用白色LED代替；
3）使用LED显示屏子像素重组技术，将LED显示屏的传统像素分割为单个LED，再将原本属于不同像素的相邻LED进行重新组合，形成新的视觉像素；
4）将每一幅低分辨率的图像与进行子像素重组后的LED上的像素进行一一映射，通过时分复用的方法依次交替显示多帧低分辨率图像，完成四色LED显示屏的子像素重组。
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