CN111785200A

CN111785200A - 一种有源Micro-LED显示屏的Gamma校正方法

Info

Publication number: CN111785200A
Application number: CN202010487390.5A
Authority: CN
Inventors: 陈建军; 赵红伟; 单寅; 张小芸; 王璐; 杨洪宝; 张伟; 刘凯丽
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2020-06-02
Publication date: 2020-10-16

Abstract

一种有源Micro‑LED显示屏的Gamma校正方法，其特征是在时序控制电路的控制下，使用一组DDR3存储器，实现外部视频信号的帧速变换，使视频信号与“子场权值按位扫描”的显示驱动帧频同步；同步后的视频通过查找表的变换，实现Gamma校正；通过改变Gamma值，编程数据查找表，实时改变电光传递函数，使Micro‑LED显示屏具有更强的适应观看环境要求；对Gamma变换后的视频数据施加“FRC+DP”算法，产生感应灰阶，实现灰阶扩展，减小因Gamma校正损失的灰阶；灰阶扩展后的数据通过位平面视频数据的存储和读出送到显示驱动电路，实现图像显示功能。本发明弥补了因Gamma校正而损失的灰阶，提高了显示图像质量，可以真实地再现原始场景。

Description

一种有源Micro-LED显示屏的Gamma校正方法

技术领域

本发明涉及一种显示驱动技术，尤其是一种有源Micro-LED显示屏数字驱动控制方法，具体地说是一种有源Micro-LED显示屏的Gamma校正方法。

背景技术

Micro-LED显示屏是近几年新兴的显示技术，被业内认为是继LCD和OLED后的下世代的终极显示技术。

Micro-LED数字驱动控制技术采用“子场权值按位扫描”的PWM技术来实现视频数据到显示发光的映射，它是“线性光设备”，其电光传递函数（Electro Optical ConversionFunction，EOCF）是直线的，即视频数据和图像显示亮度呈线性关系。这一特点与传统的CRT显示器以及诸如LCD和OLED等现代显示器有所不同。

CRT信号到照度的传递函数与人眼视觉由照度到明度的转换关系的逆变换十分接近，所以图像交换的视频编码通常要校正CRT显示的非线性，同时满足了感知均匀编码要求。传递函数与CRT显示器不同的显示设备必须进行本地校正，来适应它本身的传递函数到图像交换的标准传递函数的差异。由于CRT显示器的驱动电压到照度的函数关系类似幂函数，其指数固定，称为Gamma值，故这种校正也叫Gamma校正。

对LCD、OLED等采用模拟驱动的显示设备，用信号处理模拟CRT的特性来完成Gamma校正，其校正是基于遍历视频数据、调校驱动模拟量（电压／电流）、目标显示灰阶亮度来完成的，可以是逐点映射，也可以分段内插，这种Gamma校正不降低显示器灰阶表现能力。

Micro-LED显示屏则不同，它用数字映射实现Gamma校正功能，通过把非线性的传递函数转换为视频数据查找表（LUT）来实现。为了实现高质量的显示，需要在更宽的编码范围内进行校正。因此要求驱动控制系统能够实现更多的灰阶，而由于驱动电路的限制，系统能够实现的灰阶是受限的，因此在控制系统中进行灰阶扩展的研究具有重要意义。

由于Micro-LED显示屏“线性光设备”的特点，它可通过改变Gamma值，编程数据查找表，适应各种图像交换的标准传递函数，具有更强的适应性。

发明内容

本发明的目的是针对现有的Micro-LED显示屏驱动控制系统难以满足灰阶需要的问题，发明一种能使Micro-LED显示屏适应各种图像交换的标准传递函数的要求，用以校正输入视频数据和显示亮度之间的非线性关系，实现高还原度的图像显示的有源Micro-LED显示屏的Gamma校正方法，它通过信号处理产生感应灰阶进行Gamma校正。

本发明的技术方案是：

一种有源Micro-LED显示屏的Gamma校正方法，其特征是在时序控制电路的控制下，使用一组DDR3存储器，实现外部视频信号的帧速变换，使视频信号与“子场权值按位扫描”的显示驱动帧频同步；同步后的视频通过查找表的变换，实现Gamma校正，使Micro-LED显示屏适应各种图像交换的标准传递函数；通过改变Gamma值，编程数据查找表，实时改变电光传递函数，使Micro-LED显示屏具有更强的适应观看环境要求；对Gamma变换后的视频数据施加“FRC+DP”算法，产生感应灰阶，实现灰阶扩展，减小因Gamma校正损失的灰阶；灰阶扩展后的数据通过位平面视频数据的存储和读出送到显示驱动电路，实现图像显示功能。

所述的外部视频信号的帧速变换使视频信号与“子场权值按位扫描”的场序扫描的100Hz频率同步；利用DDR3存储器，外视频的帧速变换采用“帧重复”的三帧存储器的结构，可以保证帧速率转换时帧间数据不混叠，避免帧速变换造成高速运动图像的“撕裂”现象。

所述的适应各种图像交换的标准传递函数，以数据为变量，遍历视频数据的范围，计算其对应的变换后的值，分别写入查找表中；利用查找表，对帧速变换后的视频数据进行查表索引，查找表地址是输入的视频数据，该地址对应的数据是变换后的视频数据；实现Micro-LED显示屏的本地Gamma校正，使Micro-LED显示屏适应各种图像交换的标准传递函数要求；为了减少输出灰阶的损失，表的数据比地址增加两位；当输入视频数据是Xbit时，查表输出的视频数据是(X+2)bit。

所述的“FRC+DP”算法将经过查表映射输出的（X+2）bit视频数据，又变成Xbit的视频数据，在不改变原驱动电路的情况下，通过产生感应灰阶，实现灰阶扩展。

所述的位平面视频数据的存储是将经过Gamma校正后的Xbit视频数据按照位平面被分别存储在DDR3的X个地址空间。

所述的位平面视频数据的读出是将存储在DDR3的X个地址空间的各位平面视频数据，按照“子场权值按位扫描”的场序扫描时序分别读出，送往Micro-LED显示屏有源数字驱动电路，实现图像显示。

所述的DDR3存储器的读写控制是多端口存储器的设计实现，帧速变换和子场权值按位扫描的视频数据的存储和读出共用一组DDR3存储器；DDR3的写入和读出通过桥接控制模块衔接帧速变换的1写1读接口，子场权值按位扫描的X写1读接口，实现帧速变换的三帧存储器结构，以及子场权值按位存储的X个帧存储器的双组、读和写的“乒乓”结构的读写访问。

所述的时序控制电路统一协调外部视频信号的同步、位平面视频数据的组织、视频存储器的控制、位平面视频数据的存储和读出、灰阶的扩展，从而保证Micro-LED显示屏的高质量图像显示。

本发明的校正方法能应用在采用“子场权值按位扫描”算法的 Micro-LED显示屏有源数字驱动的系统中。

本发明的有益效果：

1、提出了一种适用于Micro-LED显示屏数字驱动控制技术的产生感应灰阶的方法，弥补了因Gamma校正而损失的灰阶，提高了显示图像质量。

2、提出了一种通过在线改变Gamma值，编程数据查找表，改变显示屏电光传递函数的方法，使显示屏在各种图像交换的标准传递函数和不同观看条件下，可以真实地再现原始场景。

附图说明

图1是本发明的Gamma校正系统的结构框图。

图2是本发明的外部视频信号的同步处理模块框图。

图3是本发明的视频存储器的结构框图。

图4是本发明的位平面视频数据的存储和读出的结构框图。

图5是本发明的PD+FRC算法的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

如图1-5所示。

一种有源Micro-LED显示屏的Gamma校正方法，它能被广泛应用在采用“子场权值按位扫描”实现灰阶显示的Micro-LED显示屏的驱动控制系统中。本发明校正方法的关键是：根据Micro-LED显示屏电光传递函数是直线的“线性光设备”特点，采用DDR3作为帧存储器，在时序控制电路的统一协调下，实现外部视频信号的同步，对同步后的视频数据进行灰阶的扩展，进而通过查找表的数字映射来实现Gamma校正功能，校正后的数据通过位平面视频数据的组织、存储，读出送驱动电路，实现图像显示。具体步骤为：

（1）外部视频信号的同步；

为了提高显示质量，“子场权值按位扫描”的帧频应提高到100Hz。因此，要对外部视

频信号的进行帧速变换，使视频信号与“子场权值按位扫描”的帧频同步。

利用DDR3存储器，外视频的帧速变换采用“帧重复”的三帧存储器的结构，实现帧速率转换，将外部各种不同频率的视频信号转换成100Hz帧频。

（2）数字Gamma校正的实现；

Micro-LED显示屏数字驱动控制技术本质上是用PWM技术来实现视频数据到显示发光的映射，它是“线性光设备”，其电光传递函数是直线的，即视频数据和图像显示亮度呈线性关系。这种传递函数与CRT显示器不同的显示设备必须进行本地Gamma校正, 以适应各种图像交换的标准传递函数的要求。

Micro-LED显示屏用数字映射来实现Gamma校正功能，通过把非线性的传递函数转换为视频数据查找表（LUT）来实现。以视频数据为变量，遍历视频数据的范围，根据传递函数计算其对应的变换后的值，写入查找表中。利用查找表，对帧速变换后的视频数据进行查表索引，查找表地址是输入的视频数据，该地址对应的数据是变换后的视频数据。

设用于描述灰度等级的视频数据位宽为X，按照“子场权值按位扫描”方式实现图像显示。一帧数字视频信号按照位平面完成X个子场的扫描驱动，实现2^x级灰阶显示。将Xbit的视频数据通过查找表（LUT）转换成（X+2)bit。而（X+2）bit的视频数据通过PD+FRC算法在只具有Xbit的灰阶体现能力的驱动电路上实现。

由于Micro-LED显示屏“线性光设备”的特点，它可在线改变Gamma值，编程数据查找表，适应各种图像交换的标准传递函数，具有更强的适应性。

（3）灰阶扩展；

Gamma校正采用非线性的幂函数实现，会产生灰阶级别损失，为了弥补级别损失，需要进行灰阶扩展。

采用PD(Pixel Dithering)与FRC(Frame Race Control)技术产生感应灰阶，实现灰阶扩展。

PD技术采用Bayer抖动模板，在空间上用交替的点图案去模拟在显示器驱动电路不能产生的灰阶的过程，用不同的真实灰阶实现亮度融合，产生感应灰阶。采用Bayer 2×2抖动模板，将Xbit转换成（X+2）bit灰阶，可以产生灰阶增强的效果。

这种固定抖动矩阵的处理算法称为静态抖动。经过静态抖动后，增加了图像的灰度，实现了图像的色彩增强。但抖动处理后的图像会出现眀显的条纹效应，这是静态Bayer抖动算法固有的缺陷，它将Bayer抖动矩阵样式眀显地显示了出来。

FRC技术是加入了帧间动态抖动的算法，可以消除静态抖动算法引起的条纹效应，更好地还原图像质量，使显示的图像平滑柔和。

动态抖动算法为消除2bit Bayer固定抖动模板引起的条纹效应，采用了隔帧变换的抖动模板方法。在时域上，由于抖动矩阵的循环变换而导致不同帧抖动后的图案中同一位置处的像素明暗轮换出现，但图像的灰度保持不变，所以条纹效应被平均。

将上述PD+FRC算法应用于Micro-LED显示屏，可以将2^X级灰阶的驱动电路扩展成具接近2^X+2级灰阶的显示效果。

（4）位平面视频数据的组织；

采用“子场权值按位扫描”算法来实现灰阶显示的技术，对位平面数据的读出速度要求较高。为了减小读出冗余数据，提高每一个子场从显示存储器读出的速度，按光栅阵列，从左到右，从上到下顺序，视频流按照不同的位平面分别独立存储在不同的连续存储块中。一帧数据深度为X的视频数据存储在X个存储块中。这种位平面视频数据的组织方式，使每一个子场都能顺序地从显示存储器快速读出该位平面的视频数据，通过数据驱动电路、扫描驱动电路对有源驱动的像素电路进行写入。在时序控制电路的统一协调下完成各个子场扫描驱动，实现灰阶图像的显示。

（5）位平面视频数据的存储和读出；

同步后的视频信号，经过“位平面视频数据的组织”模块，变成X路位平面视频流。分别通过各自的FIFO缓存送人读写仲裁模块，读写仲裁模块按照位平面的顺序，逐一遍历各位平面的FIFO缓存器的数据长度，当数据长度达到DDR3预设的写并发长度时，启动DDR3的写操作，将该位平面的FIFO缓存器中的数据写入到对应的存储区。

根据“子场权值按位扫描”驱动算法的要求，各位平面视频数据按特定的时序通过统一的FIFO读出，只不过每个位平面数据的存储地址不同。

为了使写入和读出的位平面数据保持帧同步，将DDR3分成位平面帧存储器A和平面帧存储器B两个互为备份的存储区。每个位平面帧存储器又按位平面的顺序分为X块存储区，分别存储对应的位平面数据。位平面的读和写以“乒乓”方式按帧切换。

读出的位平面视频数据送驱动电路，实现图像显示。

下面以一款分辨率为1280×1024、256级灰阶的单色Micro-LED显示屏的Gamma校正技术为例进行具体的说明。

采用一片FPGA作为控制电路，DDR3作为帧存储器。在FPGA内的时序控制电路的统一协调下，实现外部视频信号的同步、位平面视频数据的组织、视频存储器的控制、位平面视频数据的存储和读出、灰阶的扩展，从而通过查找表的数字映射来实现Gamma校正功能。其结构框图如图1所示。

（1）“子场权值按位扫描”的控制算法频率的设计；

在时序控制器和数据驱动电路、扫描驱动电路的控制下，采用子场权值按位扫描方式，一帧数字视频信号按照位平面分8个子场，实现256级稳定灰阶显示。为了提高显示效果，提高显示驱动速度，消除低灰阶的闪烁和运动伪像的现象，设计帧速不小于100Hz。

（2）外部视频信号的同步；

对外部视频信号进行帧速变换，使视频信号与“子场权值按位扫描”的场序扫描的频率同步。原因有二，其一，避免高速运动图像因帧频不同步造成的不规则“撕裂”。其二，灰阶扩展的需要。业界通常采用“FRC+DP”算法产生感应灰阶，FRC是基于帧速进行的，因此，输入的到算法的视频信号应与“子场权值按位扫描”的帧速严格同步，才能实现算法。

利用DDR3存储器，外视频的帧速变换采用“帧重复”的三帧存储器的结构，可以实现帧速率转换，将各种不同频率的外部视频信号转换成100Hz的视频信号。

对于三缓存模式，在DDR3中使用帧缓存器1，帧缓存器2，备用缓冲器三的帧缓冲器。其结构图如图2所示。

读模块和写模块分别锁定一个缓存器来存储输入像素和读取输出像素。另外一个缓存器（备用缓存器）用做输入端和输出端异步交换缓存器。如果这个缓存器中的数据是还没有输出的帧数据，则是“有效的”；如果其中包含的是已经被读模块发送出去的数据帧，则是“无效的”。当写模块完成在存储器中存储一帧时，如果备用缓存器是“无效的”，则交换写缓存器和备用缓存器。写模块锁定的缓存器变为新的备用缓存器且是“有效的”（包含还没有输出的帧数据）。如果在写模块完成写当前输出帧却允许删除帧时，备用缓存器是“无效的”，写模块删除接收的帧并用新到来的下一帧数据重写该缓存器。如果不允许输出帧，则写模块暂停，直到读模块完成它的视频帧并用一个“无效的”缓存器替换备用缓存器。类似地，当读模块完成读取一帧并输出后，如果备用缓存器是“有效的”，则读模块将它锁定的缓存器与备用缓存器交换。读模块锁定的缓存器变为新的备用缓存器而且是“无效的”且如果允许重复帧，则读模块立即重复发送已经发送过的帧。如果不允许重复帧，读模块暂停，指导写模块完成它的帧并用一个“有效的”缓存器替换备用缓存器。因此，三缓存机制可以实现简单的帧速率转换，将各种不同频率的视频信号转换成100Hz的视频信号。

外部视频信号通过“写DDR3缓存FIFO1”，写入到外部DDR3，以新的时序通过“读DDR3FIFO2”将DDR3中的视频数据读出，实现外部视频信号的同步功能。

（3）位平面视频数据的组织；

采用“子场权值按位扫描”来实现灰阶显示的技术，对位平面数据的读出速度要求较高。采用DDR3作为存储器时，顺序地址的并发读写效率最高。为了便于提高每一个子场从显示存储器读出的速度，按从左到右，从上到下顺序，视频流按照不同的位平面分别存储在不同的连续存储块中。一帧视频数据分8个子场扫描，8个位平面数据存储在8个存储块中。每一个子场都要顺序地从显示存储器读出该位平面对应的视频数据，通过数据驱动电路、扫描驱动电路对有源驱动的像素电路进行写入。写入的数据显示时间该位平面的顺序决定。各个子场扫描结束即完成一帧的扫描。

（4）视频存储器的控制；

采用一组DDR3来完成“外部视频信号的同步”、“位平面视频数据的存储和读出”。DDR3的数据宽带是32bit，其结构框图如图3所示。

位平面视频数据的存储和读出的结构框图如图4所示。

同步后的视频信号，经过“位平面视频数据的组织”模块，变成8路位平面视频流。分别通过各自的FIFO缓存，记为“写DDR3缓存FIFOx”，x为位平面的序号，分别为1、2、3、4、5、6、7、8。“DDR3的读写仲裁模块”按照位平面的顺序，逐一遍历FIFO缓存器的数据长度，当数据长度达到DDR3的写并发长度时，启动DDR3的写操作。

根据“子场权值按位扫描”驱动算法的要求，各位平面视频数据按特定的时序通过统一“读DDR3FIFO2”读出，只不过每个位平面数据的存储地址不同。

为了使写入和读出的位平面数据保持帧同步，将DDR3分成位平面帧存储器A和平面帧存储器B两个互为备份的存储区。每个位平面帧存储器又按位平面的顺序分为8块存储区，分别存储对应的位平面数据。位平面的读和写以“乒乓”方式按帧切换。

（5）DDR3带宽要求；

本方案的外部视频输入格式：1280×1024,单色8bit，帧频60Hz，点时钟频率108MHz。“子场权值按位扫描”的数据传输位宽为32bit，帧频100Hz，点时钟频率100MHz。

外部视频存储带宽：108MHz×8bit=27MHz×32bit

同步视频输出带宽：1280×1024×8bit×100Hz=33MHz×32bit

位平面视频数据的存储带宽（与同步视频输出带宽一致）：33MHz×32bit

位平面视频数据的读出带宽：100MHz×32bit

系统对DDR3存储器的带宽要求是193MHz×32bit。设计使用266MHz×16bit×2的DDR3存储器，可以满足应用要求。

（6）灰阶扩展；

本设计用于描述灰度等级的视频数据位数为8，按照“子场权值按位扫描”方式实现灰阶，一帧数字视频信号按照位平面分8个子场，完成2⁸级灰阶显示。其视频数据与灰阶亮度呈线性关系。非线性的Gamma校正，需要进行灰阶扩展，以减少灰度级别的损失。

PD技术采用Bayer抖动模板，在空间上用交替的点图案去模拟在显示器驱动电路不能产生的灰阶的过程，用不同的真实灰阶实现亮度融合，产生感应灰阶。以8bit转换成10bit为例，采用Bayer 2×2抖动模板，可以产生灰阶增强的效果。

这种固定抖动矩阵的处理算法称为静态抖动。经过静态抖动后，增加了图像的灰度，实现了图像的色彩增强。但抖动处理后的图像会出现眀显的条纹效应，这正是静态Bayer抖动算法固有的缺陷，它将Bayer抖动矩阵样式眀显地显示了出来。

PD+FRC算法的结构框图如图5所示。

将上述PD+FRC算法应用于显示器，可以实现显示器的灰阶的扩展。将256级灰阶的驱动电路扩展成具有1000级以上灰阶。

（7）数字Gamma校正的实现；

Micro-LED显示屏用数字映射实现Gamma校正功能，通过把非线性的传递函数转换为视频数据查找表（LUT）来实现。将8bit的视频数据通过查找表（LUT）转换成10bit。而10bit的视频数据通过PD+FRC算法在只具有8bit的灰阶体现能力的驱动电路上实现。

上述仅为本发明的部分具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

本发明未涉及部分与现有技术相关或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种有源Micro-LED显示屏的Gamma校正方法，其特征是在时序控制电路的控制下，使用一组DDR3存储器，实现外部视频信号的帧速变换，使视频信号与“子场权值按位扫描”的显示驱动帧频同步；同步后的视频通过查找表的变换，实现Gamma校正，使Micro-LED显示屏适应各种图像交换的标准传递函数；通过改变Gamma值，编程数据查找表，实时改变电光传递函数，使Micro-LED显示屏具有更强的适应观看环境要求；对Gamma变换后的视频数据施加“FRC+DP”算法，产生感应灰阶，实现灰阶扩展，减小因Gamma校正损失的灰阶；灰阶扩展后的数据通过位平面视频数据的存储和读出送到显示驱动电路，实现图像显示功能。

2.根据权利要求1所述的Gamma校正方法，其特征在于所述的外部视频信号的帧速变换使视频信号与“子场权值按位扫描”的场序扫描的100Hz频率同步；利用DDR3存储器，外视频的帧速变换采用“帧重复”的三帧存储器的结构，可以保证帧速率转换时帧间数据不混叠，避免帧速变换造成高速运动图像的“撕裂”现象。

3.根据权利要求1所述的Gamma校正方法，其特征在于所述的适应各种图像交换的标准传递函数，以数据为变量，遍历视频数据的范围，计算其对应的变换后的值，分别写入查找表中；利用查找表，对帧速变换后的视频数据进行查表索引，查找表地址是输入的视频数据，该地址对应的数据是变换后的视频数据；实现Micro-LED显示屏的本地Gamma校正，使Micro-LED显示屏适应各种图像交换的标准传递函数要求；为了减少输出灰阶的损失，表的数据比地址增加两位；当输入视频数据是Xbit时，查表输出的视频数据是(X+2)bit。

4.根据权利要求1所述的Gamma校正方法，其特征在于所述的“FRC+DP”算法将经过查表映射输出的（X+2）bit视频数据，又变成Xbit的视频数据，在不改变原驱动电路的情况下，通过产生感应灰阶，实现灰阶扩展。

5.根据权利要求1所述的Gamma校正方法，其特征在于所述的位平面视频数据的存储是将经过Gamma校正后的Xbit视频数据按照位平面被分别存储在DDR3的X个地址空间。

6.根据权利要求1所述的Gamma校正方法，其特征在于所述的位平面视频数据的读出是将存储在DDR3的X个地址空间的各位平面视频数据，按照“子场权值按位扫描”的场序扫描时序分别读出，送往Micro-LED显示屏有源数字驱动电路，实现图像显示。

7.根据权利要求1所述的Gamma校正方法，其特征在于所述的DDR3存储器的读写控制是多端口存储器的设计实现，帧速变换和子场权值按位扫描的视频数据的存储和读出共用一组DDR3存储器；DDR3的写入和读出通过桥接控制模块衔接帧速变换的1写1读接口，子场权值按位扫描的X写1读接口，实现帧速变换的三帧存储器结构，以及子场权值按位存储的X个帧存储器的双组、读和写的“乒乓”结构的读写访问。

8.根据权利要求1所述的Gamma校正方法，其特征在于所述的时序控制电路统一协调外部视频信号的同步、位平面视频数据的组织、视频存储器的控制、位平面视频数据的存储和读出、灰阶的扩展，从而保证Micro-LED显示屏的高质量图像显示。

9.一种有源Micro-LED显示屏的Gamma校正方法，其特征是它应用在Micro-LED显示屏有源数字驱动的系统中。