CN108231009B - 一种基于液晶像素补偿的led背光坏点修复方法 - Google Patents

Abstract

一种基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法：利用光学仿真软件以及AutoCAD软件所带的绘图工具分别搭建正常光源情况下背光模组模型和有坏点情况下背光模组模型；确定有坏点情况下背光模组模型中LED光源的坏点；确定正常光源情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值；确定坏点情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值；将两种背光亮度值分别归一化至0～255阶；进行液晶补偿。本发明能够最大化保证在背光存在缺陷情况下整个液晶显示系统的显示效果，有效降低背光板中LED的坏点对整个液晶显示系统的影响。通过光学仿真软件确定的液晶补偿因子，能够有效的避免因背光扩散模型复杂不定、计算困难等问题。

Description

一种基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法

技术领域

本发明涉及一种LED背光坏点修复方法。特别是涉及一种针对多区域高精细控制的LED 实现高动态范围背光源中少量坏点的基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法。

背景技术

1、动态LED背光技术简介

液晶显示器按照光学元件的搭配可以分为液晶显示屏组件和背光膜组两大部分，其中背光模组主要由背光源、导光板、增亮膜、扩散膜、反射膜等部分构成。背光模组为液晶显示器的重要部分，背光源集中了LCD80％的厚度、70％的功耗、40％的材料成本，同时背光源发出的面光源直接影响LCD的显示效果。常见的背光源产品有场致发光(Electroluminescent, EL)、冷阴极荧光灯(CCFL)、发光二级管(LED)等。高性能的背光模组需要光源有着色域广、功耗低、环保、可视角度大、高亮度均匀性和高色度均匀性等诸多优点，因而LED 逐渐成为主流LCD背光光源。单颗或多颗LED坏点，将影响整个背光模组的均匀性，进而影响到视频图像效果的显示。

分区域动态调光技术可根据显示视频图像的内容实时调节背光源亮度，然后再对液晶像素进行相应的补偿，同时达到降低能耗、提高动态范围、提升显示效果的目的，是实现高动态范围视频显示的可行途径。

2、液晶补偿原理

分区域动态调光是根据视频图像不同部分相应的调节背光亮度值。背光亮度值的调整会使原有图像的亮度产生失真，为了保证显示效果，需要对相应的液晶像素进行补偿。现有动态调光算法中大多数采用线性调节的方法对液晶像素进行补偿，如下公式所示。

式中，L_B和L'_B分别为调光前后的背光亮度值(在100％亮度均匀度的情况下，调光前背光常亮一般为255)。L_F和L'_F分别为调光前和调光后的经液晶像素补偿后前屏的亮度值， L'_B(i,j)表示第i行j列背光调整后的亮度值。L'_F和L'_B共同决定了液晶显示时的亮度效果。

LED背光光源到达显示器的亮度和均匀性通常与背光模组的结构及其性能息息相关，要精确得到L×K背光分区经过背光模组扩散后变为M×N精密像素的亮度值。目前常用的方法主要有卷积方法和Lin-Yao Liao等提出的Blur Mask Approach(BMA)方法。卷积方法需要较高的硬件载体来存储和计算，而(BMA)模糊-扩散方法是根据低通滤波器模板和背光信号矩阵运算，得到平滑效果较好的背光信号，再据此调整液晶像素值。BMA算法难点在于分区扩散模型的搭建，以及如何由模型得到相应光扩散模板参数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种简便、高效、成本低、易操作的基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法，包括如下步骤：

1)利用光学仿真软件以及AutoCAD软件所带的绘图工具分别搭建正常光源情况下背光模组模型和有坏点情况下背光模组模型，每个背光模组模型都包括有背光腔的三维模型和膜片层的三维模型；

2)确定有坏点情况下背光模组模型中LED光源的坏点，并设定第i行第j列的坏点为 N(i,j)；

3)确定正常光源情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值，是采用光学仿真软件进行仿真的方式得到液晶显示器在正常光源情况下的亮度值；

4)确定坏点情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值，是采用光学仿真软件进行仿真的方式得到液晶显示器在坏点下的亮度值；

5)将正常光源情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值和坏点情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值分别归一化至0～255阶；

6)进行液晶补偿，液晶补偿的公式如下所示。

式中，K_LCD(i,j)为液晶线性补偿因子，L_B-255(i,j)为正常光源情况下归一化后的背光亮度值，L'_B-255(i,j)为有坏点情况下归一化后的背光亮度值，R'(i,j)、G'(i,j)、B'(i,j)为液晶补偿后子像素的亮度值，R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)为正常光源情况下的原子像素的亮度值。

步骤2)所述的确定LED光源的坏点，是在背光激励信号的作用下点亮全部背光板上的 LED光源，通过目测背光板，确定坏点的区域。

步骤2)所述的确定LED光源的坏点，是借用光学仿真软件进行模组的照度仿真，照度仿真图中出现照度非均匀的区域为坏点区域。

步骤3)包括：

将正常光源情况下的背光模组模型导入光学仿真软件中，并设置好基本的参数和膜片属性，包括有LED的功率、光线仿真数量、背光模组选用的材料和膜片的微结构，将接收表面添加到背光模组模型中，设置接收表面的空间亮度计，同时定义空间亮度计的距离、方位与收光角锥，并利用光学仿真软件中的选项进行调整，最后，空间亮度计显示的值即为正常光源情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值。

步骤4)包括：将有坏点情况下的背光模组模型导入光学仿真软件中，并设置好基本的参数和膜片属性，包括有LED的功率、光线仿真数量、背光模组选用的材料和膜片的微结构，将接收表面添加到背光模组模型中，设置接收表面的空间亮度计，同时定义空间亮度计的距离、方位与收光角锥，并利用光学仿真软件中的选项进行调整，在背光板的坏点N(i,j)处将 LED光源屏蔽，最后，空间亮度计显示的值即为坏点情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值。

步骤5)包括：

设正常光源情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值为L_B(i,j)，并将背光亮度值 L_B(i,j)的平均值作为液晶补偿亮度的归一化标准值，记为L_B-ave(i,j)，公式如下：

式中，i是LED光源的行，j是 LED光源的列，

将背光亮度值L_B(i,j)进行min-max离差标准化，使结果值映射到[0-1]之间后再通过下式拉伸到0～255，

式中，L_B-255(i,j)为归一化至0～255阶的背光亮度值，L_B-min、L_B-max分别为背光亮度最大值和最小值，

将坏点情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值按照下式归一化至0～255阶，获得归一化亮度矩阵L'_B-255(i,j)，

本发明的一种基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法，能够有效避免因单颗LED 或局部背光光源受限的情况下，不更换硬件背光板，不调换液晶控制系统，通过液晶补偿因子的作用，调整液晶控制信号，增大液晶开口率的方法提升光线通过率，能够最大化保证在背光存在缺陷情况下整个液晶显示系统的显示效果，有效降低背光板中LED的坏点对整个液晶显示系统的影响。另外，通过光学仿真软件确定的液晶补偿因子，能够有效的避免因背光扩散模型复杂不定、计算困难等问题。

附图说明

图1是本发明一种基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法的流程图；

图2a是背光模组的示意图；

图2b是背光模板LED布局示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法，包括如下步骤：

1)利用光学仿真软件以及AutoCAD软件所带的绘图工具分别搭建正常光源情况下背光模组模型和有坏点情况下背光模组模型，每个背光模组模型都包括有背光腔的三维模型和膜片层的三维模型；

所述的光学仿真软件是Optical Research Associates公司设计的LightTools光学软件。

2)确定有坏点情况下背光模组模型中LED光源的坏点，并设定第i行第j列的坏点为 N(i,j)；

所述的确定LED光源的坏点，是在背光激励信号的作用下点亮全部背光板上的LED光源，通过目测背光板，确定坏点的区域。或者是借用光学仿真软件进行模组的照度仿真，照度仿真图中出现照度非均匀的区域为坏点区域。

3)确定正常光源情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值，是采用光学仿真软件进行仿真的方式得到液晶显示器在正常光源情况下的亮度值；

传统的液晶像素补偿算法通常假设在正常背光光源情况下，液晶显示器的亮度为理想状态255，但实际情况下，显示器亮度受到背光模组、液晶开口率等因素多重影响并不能完全达到理想状态。

本发明的作法是，将正常光源情况下的背光模组模型导入光学仿真软件中，并设置好基本的参数和膜片属性，包括有LED的功率(流明)、光线仿真数量、背光模组选用的材料和膜片的微结构，将接收表面添加到背光模组模型中，设置接收表面的空间亮度计，同时定义空间亮度计的距离、方位与收光角锥，并利用光学仿真软件中的选项进行调整，最后，空间亮度计显示的值即为正常光源情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值。

4)确定坏点情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值，是采用光学仿真软件进行仿真的方式得到液晶显示器在坏点下的亮度值；包括：

将有坏点情况下的背光模组模型导入光学仿真软件中，并设置好基本的参数和膜片属性，包括有LED的功率(流明)、光线仿真数量、背光模组选用的材料和膜片的微结构，将接收表面添加到背光模组模型中，设置接收表面的空间亮度计，同时定义空间亮度计的距离、方位与收光角锥，并利用光学仿真软件中的选项进行调整，在背光板的坏点N(i,j)处将LED光源屏蔽，最后，空间亮度计显示的值即为坏点情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值。

5)将正常光源情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值和坏点情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值分别归一化至0～255阶；包括：

设正常光源情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值为L_B(i,j)，并将背光亮度值 L_B(i,j)的平均值作为液晶补偿亮度的归一化标准值，记为L_B-ave(i,j)，公式如下：

式中，i是LED光源的行，j是 LED光源的列，

将背光亮度值L_B(i,j)进行min-max离差标准化，使结果值映射到[0-1]之间后再通过下式拉伸到0-255，

式中，L_B-255(i,j)为归一化至0～255阶的背光亮度值，L_B-min、L_B-max分别为背光亮度最大值和最小值。

将坏点情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值按照下式归一化至0～255阶，获得归一化亮度矩阵L'_B-255(i,j)，

6)进行液晶补偿

背光坏点的出现，将影响到背光亮度以及液晶像素驱动电路信号。适当的调节驱动电路的信号，调节液晶像素的开度，可以增加坏点区域光线穿射过液晶的光线，起到对液晶坏点修复的能力。液晶补偿的公式如下，

式中，K_LCD(i,j)为液晶线性补偿因子，L_B-255(i,j)为正常光源情况下归一化后的背光亮度值，L'_B-255(i,j)为有坏点情况下归一化后的背光亮度值，R'(i,j)、G'(i,j)、B'(i,j)为液晶补偿后子像素的亮度值，R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)为正常光源情况下的原子像素的亮度值。

下面给出实例：

本实例选用LG40英寸BL5610-CD系列为实验平台，屏幕比例为16:9，40寸屏幕的对角线长为40×2.54＝101.6cm，背光板面积参数为885.6*498.15mm。背光板光源由常见的白光LED 所提供，每个LED光通量为150流明。横向LED的间距为2.6cm，纵向间距为1.3cm，LED混光距离为3.6cm，膜层之间的间隙设置为0.1mm，背光系统使用的LED总数量为1292个。LED坏点修复过程如下：

1、选用的是Optical Research Associates公司设计的Light Tools光学软件搭建背光模组，利用AutoCAD(Autodesk Computer Aided Design)软件所带的绘图工具建立背光模组背光模型，包括绘制背光腔基本三维模型和膜片组基本三维模型。背光模组示意图如图2a所示，背光模板LED布局示意图如图2b所示。图中，第i行j列LED记为M(i,j)，该LED背光亮度记为L_B(i,j)，光线到达前屏的亮度记为L_F(i,j)。

2、假定第i行j列的坏点为N(i,j)；

3、LCD实际亮度的确定。

考虑到单颗LED坏点对整个背光亮度的影响有限，仿真时可适当减少背光板的区域，表1为实验仿真后得到的L_B(i,j)值。

表1正常光源情况下背光模组局部亮度值

本实例采用6％的光线投射率投射到LCD屏，并计算出液晶显示器的亮度L_F(i,j)。

4、仿真时可假定第5行94列的点为坏点，即N(5,94)，为方便对比修复前后背光亮度的变化，利用相似的方法可得到存在坏点情况下液晶屏前屏的亮度值。表2为存在坏点情况下液晶显示器前屏的局部亮度值。

表2液晶显示器的坏点区域亮度仿真结果

可以明显看出，N(5,94)坏点区域背光亮度值出现了明显的降低，截面照度波形图出现了明显的驼峰现象，背光亮度均匀性不高，这将影响视频图像的显示效果。

5、归一化至0～255阶

仿真时背光亮度时常按照8位灰度等级划分，即从低到高为0～255，共256个灰阶。因此，需要将数据归一化到0～255，以便将LightTools光学仿真软件所得到的数据同分区域动态背光数据统一起来。

首先将表1中的数据代入公式(2)求得背光亮度的归一化标准，并记为：L_B-ave(i,j)，将存在坏点情况下仿真数据公式(3)求得归一化的亮度矩阵L'_B-255(i,j)，另外还需要将正常情况下背光亮度值分别代入上述公式(4)得到L_B-255(i,j)。

6、液晶像素补偿

将归一化后L'_B-255(i,j)、L_B-255(i,j)代入公式(5)进行液晶像素补偿。表2为经液晶补偿后的LED坏点修复亮度仿真结果。

表3液晶补偿后的坏点区域亮度仿真结果

由表3可以明显看出，经过调整液晶开口，增大液晶光线投射率，可以有效的修复LED 坏点，N(5,94)中心区域的前屏亮度由原来的1068.38提升至2050.38nit，坏点的周围区域同样得到了明显的提升，坏点周围区域的亮度值也得到了不同程度的修善。

算法结束时经调整液晶开口，增加其透射率后的显示屏即为LED背光坏点修复后的显示屏。

Claims (6)

1.一种基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用光学仿真软件以及AutoCAD软件所带的绘图工具分别搭建正常光源情况下背光模组模型和有坏点情况下背光模组模型，每个背光模组模型都包括有背光腔的三维模型和膜片层的三维模型；

2)确定有坏点情况下背光模组模型中LED光源的坏点，并设定第i行第j列的坏点为N(i,j)；

3)确定正常光源情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值，是采用光学仿真软件进行仿真的方式得到液晶显示器在正常光源情况下的亮度值；

4)确定坏点情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值，是采用光学仿真软件进行仿真的方式得到液晶显示器在坏点下的亮度值；

5)将正常光源情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值和坏点情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值分别归一化至0～255阶；

6)进行液晶补偿，液晶补偿的公式如下所示，

式中，K_LCD(i,j)为液晶线性补偿因子，L_B-255(i,j)为正常光源情况下归一化后的背光亮度值，L'_B-255(i,j)为有坏点情况下归一化后的背光亮度值，R'(i,j)、G'(i,j)、B'(i,j)为液晶补偿后子像素的亮度值，R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)为正常光源情况下的原子像素的亮度值。

2.根据权利要求1所述的一种基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法，其特征在于，步骤2)所述的确定LED光源的坏点，是在背光激励信号的作用下点亮全部背光板上的LED光源，通过目测背光板，确定坏点的区域。

3.根据权利要求1所述的一种基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法，其特征在于，步骤2)所述的确定LED光源的坏点，是借用光学仿真软件进行模组的照度仿真，照度仿真图中出现照度非均匀的区域为坏点区域。

4.根据权利要求1所述的一种基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法，其特征在于，步骤3)包括：

将正常光源情况下的背光模组模型导入光学仿真软件中，并设置好基本的参数和膜片属性，包括有LED的功率、光线仿真数量、背光模组选用的材料和膜片的微结构，将接收表面添加到背光模组模型中，设置接收表面的空间亮度计，同时定义空间亮度计的距离、方位与收光角锥，并利用光学仿真软件中的选项进行调整，最后，空间亮度计显示的值即为正常光源情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值。

5.根据权利要求1所述的一种基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法，其特征在于，步骤4)包括：将有坏点情况下的背光模组模型导入光学仿真软件中，并设置好基本的参数和膜片属性，包括有LED的功率、光线仿真数量、背光模组选用的材料和膜片的微结构，将接收表面添加到背光模组模型中，设置接收表面的空间亮度计，同时定义空间亮度计的距离、方位与收光角锥，并利用光学仿真软件中的选项进行调整，在背光板的坏点N(i,j)处将LED光源屏蔽，最后，空间亮度计显示的值即为坏点情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值。

6.根据权利要求1所述的一种基于液晶像素补偿的LED背光坏点修复方法，其特征在于，步骤5)包括：

设正常光源情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值为L_B(i,j)，并将背光亮度值L_B(i,j)的平均值作为液晶补偿亮度的归一化标准值，记为L_B-ave(i,j)，公式如下：

式中，i是LED光源的行，j是LED光源的列，

将背光亮度值L_B(i,j)进行min-max离差标准化，使结果值映射到[0-1]之间后再通过下式拉伸到0～255，

式中，L_B-255(i,j)为归一化至0～255阶的背光亮度值，L_B-min、L_B-max分别为背光亮度最大值和最小值，

将坏点情况下背光模组模型接收表面的背光亮度值按照下式归一化至0～255阶，获得归一化亮度矩阵L'_B-255(i,j)，