CN117496887A - 一种led医用显示高精细灰度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于LED医用显示技术领域，涉及一种LED医用显示高精细灰度控制系统，该系统中，发送卡将输入图像数据发送给接收卡，接收卡中的FPGA截取对应区域图像数据，在Gamma曲线上查找与区域图像数据中各像素灰阶亮度对应的显示亮度值，针对任一像素，在映射表F中查找与显示亮度值相等或最接近的调控亮度值并对应找到相应的调控灰度等级，然后在IC线序表中找到该调控灰度等级对应的PWM波占空比和电流增益，最后将找到的PWM波占空比和电流增益值配置到IC寄存器中并通过IC驱动器驱动医用显示器进行图像显示。本发明大大提升了LED医用显示灰度的控制精度。
Description
技术领域
本发明属于LED医用显示技术领域，涉及一种LED医用显示高精细灰度控制系统。
背景技术
LED是超大型高清晰显示屏的首选技术，具有色域广、发光效率高、响应速度快、工作温度范围宽等优点，被广泛地应用在高端显示、平板显示背光源和照明领域，具有重要的应用前景。目前随着超高密度LED新型平板显示技术的发展，将成为未来高画质电视用显示屏的候选技术，尤其在影院和医学教学等领域得到更广泛的应用。
由于人类的灰度等级感知同物理亮度不一致，因此建立完整的人类亮度感知模型，是现代高清显示不得不做的任务。1992年，Barten发表了反差阈限灰度感知模型，并给出了拟合实验数据的参数。最早应用Barten模型的是2001年的DICOM（医学数字成像和通信）标准，建立了0.05-4000cd/m2的编码方案，应用于医学显示器、胶片印制和灯箱观看等，防止医生忽视图像中重要而微小的反差信息，这里DICOM简单选择了CSF中4cycles/deg的截面。
按照上述医用标准，LED显示屏的最大亮度是完全满足DICOM的亮度范围的，因为普通型的LED亮度范围在5000-10000cd/m2，超过DICOM采用Barten电光传递函数最高实景亮度的4000cd/m2的标准。此外LED医学通用化应用基础是白光LED；由单色LED合成白光LED的方法主要有：①蓝光LED（B-LED）与黄色荧光粉（YAG：Ce）的组合；②紫外LED（UV-LED）与多色荧光粉的组合；③RGB三种LED芯片的组合。此外还可以使用：④多量子阱白光技术、⑤光子再循环白光技术、⑥量子点白光技术等等。
从LED的发光机理可以知道，LED是电流型器件，为了控制其发光强度，需要解决正向电流的调节问题。具体的驱动方法可以分为电流驱动、脉冲宽度调制等。脉冲宽度调制即为PWM方法，由于数字化控制的便利情况，应用更为广泛；PWM方法基本上为组合驱动方式(静态驱动方式是其一个特例)，包括两个方面：1、行(列)方向的扫描驱动；2、列(行)方向的占空比控制。扫描驱动的主要目的是节约驱动器件，降低电路的代价；占空比控制的目的是调节有效脉冲的宽度，用于图像中显示灰度级的控制。
根据DICOM标准，规定了严格的非线性显示灰度等级规范；这种灰度等级（灰阶）指亮度的明暗程度。显示器的灰阶控制能力越高，显示的图像画面越细腻，能够表现更丰富的反差信息，有利于提供更细致的感知层次情况。如前所述，这种显示图像感知层次的分辨细腻程度由显示灰度级控制能力和水平决定，当灰度级显示控制系统产生线性灰度级数量足够多而且灰度级间的级差控制精度足够高，使得显示器可以如实复原图像相邻灰度级的亮度水平时，显示产品的图像层次清晰度就达到要求。
例如以医院显示器的最高亮度为1000cd/m2，按现行灰度分划，最大对比为20,000：1，但是在低灰度过渡区域，灰阶之间的控制精细度高达200,000：1，换算为灰阶所表示的展示空间高达1～18EV，等价于18BIT线性灰度控制量；以目前的LED动态PWM控制水平，除非采用成本昂贵的静态驱动方式甚至像素级静态方式，灰度控制数量无法达到DICOM图像灰度反差要求的灰度控制目标。如果沿用传统动态控制框架方式，则需要采用全新的控制方案。
发明内容
本发明提供一种LED医用显示高精细灰度控制系统，该系统能够解决目前医用显示器动态驱动灰度级精度控制难的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的LED医用显示高精细灰度控制系统包括发送卡，至少一个接收卡，SPI寄存器，IC寄存器；SPI寄存器内存储Gamma曲线；其特征在于SPI寄存器内还存储映射表F和IC线序表；映射表F中调控灰度等级与调控亮度值一一对应，IC线序表中调控灰度等级对应相应的PWM波占空比和电流增益值；发送卡将输入图像数据发送给接收卡，接收卡中的FPGA截取对应区域图像数据，在Gamma曲线上查找与区域图像数据中各像素灰阶亮度对应的显示亮度值，针对任一像素，在映射表F中查找与显示亮度值相等或最接近的调控亮度值并对应找到相应的调控灰度等级，然后在IC线序表中找到该调控灰度等级对应的PWM波占空比和电流增益，最后将找到的PWM波占空比和电流增益值配置到IC寄存器中并通过IC驱动器驱动医用显示器进行图像显示。
进一步，本发明包括一个接收卡，接收卡中的FPGA截取的对应区域图像数据为整个输入图像数据。
进一步，所述的映射表F和IC线序表获得方法如下：测量得到PWM控制下LED医用显示器每个PWM调控灰度等级对应的调控亮度值；根据DICOM 3.14标准最大图像数据N max 确定LED医用显示器的最高显示灰度等级Q n ；根据最大PWM调控灰度等级M max 和最高显示灰度等级Q n 确定最高电流调控灰度等级V max ；M max ×V max ≥Q n ；根据最高电流调控灰度等级V max 设定不同电流调控灰度等级对应的电流增益值；设任一PWM调控灰度等级M i 对应的占空比为P i ，任一电流调控灰度等级V j 对应的电流增益值为I j ，测量PWM波占空比为P i 、电流增益值为I j 调控条件下像素的调控亮度值，i=1，2，3，…，M max ，j=1，2，3，…，V max ；对不同调控条件下测得的调控亮度值进行排序，得到调控灰度等级与调控亮度值对应的映射表F，同时得到调控灰度等级与PWM波占空比、电流增益值对应的IC线序表。
进一步，所述对应区域图像数据分为多个IC带载分区，每个IC带载分区包含一个像素。
进一步，针对任一IC带载分区的像素，在映射表F中找到对应的调控灰度等级后，在IC线序表中找到该调控灰度等级对应的PWM波占空比和电流增益值，随机选取任一PWM波占空比与电流增益值的组合配置到IC寄存器中。
进一步，所述对应区域图像数据分为多个IC带载分区，每个IC带载分区包含多个像素。
进一步，针对IC带载分区中的各像素，在映射表中找到对应的调控灰度等级后；在IC线序表中找到所有像素对应调控灰度等级中最大调控灰度等级对应的最大PWM波占空比，对应的电流增益值即为该IC带载分区的电流调控值；对于该IC带载分区的各像素，在映射表中找到对应的调控灰度等级后，在IC线序表中查找该调控灰度等级和电流调控值对应的PWM波占空比，将相应的PWM波占空比和电流调控值配置到IC寄存器中。
有益效果：1）本发明在LED动态显示控制系统上实现了医用显示的灰阶反差，生成精度高，为降低LED医用显示器成本奠定了基础；2）由于采用IC带载分区电流调控和PWM波调控的双重控制，按照排列组合会产生同一调控灰度等级的多种重复组合，有利于在不同的分区电流控制下，实现像素的同一灰度显示；实质上有利于显示控制系统可以在相近的分区在不同的电流控制下，对于分区内部的像素亮度显示有更灵动的控制方式。3）大大提升了灰度的控制精度，设每个分区电流调控能力有n bit，像素的PWM波调控能力为m bit，灰度控制精度可达到（m+n）bit。
附图说明
图1为现有的LED医用显示灰度控制系统结构示意图。
图2为采用本发明对LED医用显示屏进行调控的流程图。
图3为需要进行显示的局部医学影像像素灰阶亮度示意图。
图4为采用传统LED显示屏的PWM调控模式显示的图3所示局部医学影像像素调控灰度等级示意图。
图5为采用本发明实施例1显示的图3所示局部医学影像像素调控灰度等级示意图。
图6为需要进行显示的局部医学影像像素灰阶亮度示意图。
图7为采用传统LED显示屏的PWM调控模式显示的图6所示局部医学影像像素调控灰度等级示意图。
图8为采用本发明实施例2显示的图6所示局部医学影像像素调控灰度等级示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、 “连接”、 “固定”应做广义的理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况具体理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，现有的LED医用显示灰度控制系统包括发送卡，接收卡，IC寄存器，RAM，SPI寄存器（SPI FLASH），扩展IO，晶振，供电模块，驱动接口；SPI寄存器内存储Gamma曲线；发送卡将包括输入图像数据、显示命令等的输入数据发送给接收卡，其中输入图像数据包括各像素灰阶亮度；FPGA在Gamma曲线上查找到各像素灰阶亮度对应的显示亮度值并将各像素显示亮度值缓存到RAM中；FPGA提取RAM中各像素显示亮度值并存储到IC寄存器，IC寄存器配置相应占空比的PWM波并通过驱动接口发送到IC驱动器，从而驱动显示屏进行图像显示。扩展IO为预留单元模块；晶振为接收卡提供基准时钟，供电模块为接收卡供电。当显示器较大时，需要将输入图像数据分为多个区域图像数据，每个区域图像数据对应一个接收卡。受目前LED动态PWM控制水平的限制，很难达到医用显示器在低灰度过渡区域的精细度。
本发明的LED医用显示高精细灰度控制系统，SPI寄存器中除存储Gamma曲线外，还存储映射表F和IC线序表；映射表F中调控灰度等级与调控亮度值一一对应， IC线序表中调控灰度等级对应相应的PWM波占空比和电流增益值；如图2所示，每个接收卡的FPGA截取对应区域图像数据，同时在Gamma曲线上找到对应区域图像数据中各像素灰阶亮度对应的显示亮度值；当仅需要采用一个接收卡时，对应区域图像数据为整个输入图像数据。针对任一像素，在映射表F中找到与显示亮度值相等或最接近的调控亮度值并对应找到调控灰度等级；然后在IC线序表中查找该调控灰度等级对应的PWM波占空比和电流增益值，将找到的PWM波占空比和电流增益值配置到IC寄存器中并通过IC驱动器驱动医用显示器进行图像显示。
所述的IC的线序表和映射表获得方法如下：
一、根据LED医用显示器的扫描行数、数据移存长度、换行时间、刷新率、消隐时间等常规控制参数，在最大驱动电流I max 下，根据常规方法可以得到PWM控制下LED医用显示器能达到的最大PWM调控灰度等级M max ，不同PWM调控灰度等级对应不同占空比的PWM波；测量得到每个PWM调控灰度等级对应的调控亮度值；
二、根据DICOM 3.14标准最大图像数据N max 确定LED医用显示器的最高显示灰度等级Q n ，再根据最大PWM调控灰度等级M max 和最高显示灰度等级Q n 确定最高电流调控灰度等级V max ；M max ×V max ≥Q n ；根据最高电流调控灰度等级V max 设定不同电流调控灰度等级对应的电流增益值；设任一PWM调控灰度等级M i 对应的占空比为P i ，任一电流调控灰度等级V j 对应的电流增益值为I j ，测量PWM波占空比为P i 、驱动IC的电流增益值为I j 调控条件下像素的调控亮度值，i=1，2，3，…，M max ，j=1，2，3，…，V max ；对不同占空比PWM波、不同电流增益值下测得的调控亮度值进行排序，得到调控灰度等级Q与调控亮度值L对应的映射表F，同时得到PWM波占空比P、电流增益值I与调控灰度等级Q对应的IC线序表。无论是PWM波分级调控或者是电流分级调控，对应的LED光度均表示为线性效应。
实施例1：本实施例中所述对应区域图像数据分为多个IC带载分区，每个IC带载分区仅包含一个像素，即每个像素采用一个单独的IC驱动器驱动。
需要进行显示的医学影像图像局部区域LED阵列各像素灰阶亮度如图3所示。根据实际情况，设定医用显示器最大灰阶亮度为200,000，最小灰阶亮度为10，灰度层次过渡的最小变化为1， PWM波的驱动灰度能力为4,000级；通过归一化处理，即最大灰阶亮度为200,000，灰度层次过渡的最小变化能力为50（200,000/4,000）；IC带载分区电流调控能力为50；如果采用传统的PWM调控模式，由于其灰度层次过渡的最小变化能力为50，所以医学影像细腻的图像暗区的亮度还原情况如图4所示。可以看到，由于灰度层次过渡能力不足，上述的医学图像细节全部成为片状的灰度过渡带，基本观看不到图像的细节，达不到应用要求。
采用本发明对LED医用显示器进行控制的方法如下：接收卡的FPGA截取对应区域图像数据，在Gamma曲线上找到各像素灰阶亮度对应的显示亮度值；对于任意两个像素，假设其显示亮度值分别为95和98，映射表中调控亮度值96与显示亮度值95最为接近，调控亮度值98与显示亮度值98相等，因此对应找到调控灰度等级96和100；在IC线序表查找调控灰度等级96和100对应的PWM波占空比和电流增益值；从IC线序表可以看到，对应调控灰度等级96的PWM波占空比和电流增益值有两种组合方式，分别为P24、I4和P4、I24；对应调控灰度等级100的PWM波占空比和电流增益值也有两种组合方式，分别为P25、I4和P4、I25；对于每个像素可以随机选取任意一种组合方式，并将相应的PWM波和电流增益值配置到IC寄存器中，通过IC驱动器驱动医用显示器进行图像显示。
从图5可以看到，由于最大PWM调控灰度等级M max =4000，最高电流调控灰度等级V max =50，灰度层次过渡的最小变化能力为1（50/50），这样可以完全真实复现医学图像细节。
实施例2：本实施例中对应区域图像数据分为多个IC带载分区，每个IC带载分区包含多个像素，即每个IC带载分区所有像素采用同一个IC驱动器驱动。
需要进行显示的医学影像图像局部区域LED阵列各像素灰阶亮度如图6所示。根据实际情况，同理设定医用显示器最大灰阶亮度为200,000，最小灰阶亮度为10，灰度层次过渡的最小变化为1；PWM波的驱动灰度能力为4,000级；通过归一化处理，即最大灰阶亮度为200,000，灰度层次过渡的最小变化能力为50（200,000/4,000）；IC带载分区电流调控能力均为50；如果采用传统的PWM调控模式，由于其灰度层次过渡的最小变化能力为50，所以上述医学影像细腻的图像暗区的亮度还原情况如图7所示。可以看到，由于灰度层次过渡能力不足，医学影像图像尽管显示的符合程度好于传统的PWM调控模式，但是在局部区域仍然存在亮度的跳变，造成图像的粗糙甚至有的灰度融合在一起不能区分细节；达不到应用要求。
采用本发明对LED医用显示器进行控制的方法如下：接收卡的FPGA截取对应区域图像数据，在Gamma曲线上找到各像素灰阶亮度对应的显示亮度值。
图6的左侧IC带载分区显示亮度值最大为4001，在映射表中找到最接近的调控亮度值4000，对应的调控灰度等级为4000，在IC线序表查找调控灰度等级4000对应的最大PWM波占空比（P4000），对应的电流增益值为I1；将该IC带载分区电流调控到满额的1/50，其他像素显示亮度值在映射表中找到相等或最接近的调控亮度值及对应的调控灰度等级，最后在IC线序表查找该调控灰度等级和电流增益值I1对应的PWM波占空比，将相应的PWM波和电流增益值配置到IC寄存器中并通过IC驱动器驱动医用显示器进行图像显示。这样该IC带载分区LED阵列PWM的驱动灰度能力通过归一化处理，即该电流线性调整区最大灰阶亮度为4000（200,000/50），灰度层次过渡的最小变化能力为1（50/50），从图8可以看出，能完全真实复现医学图像细节。
图6的右侧IC带载分区显示亮度值最大为6650，在映射表中调控亮度值6650对应的调控灰度等级为6650。从IC线序表中可以看出，对应的PWM波占空比与电流增益值组合并不唯一。本发明在IC线序表中查找调控灰度等级6650对应的最大PWM波占空比P3325，对应的电流增益值为I2；将该IC带载分区电流调控到满额的2/50，其他像素显示亮度值在映射表中找到相等或最接近的调控亮度值及对应的调控灰度等级，最后在IC线序表查找该调控灰度等级和电流增益值I2对应的PWM波占空比，将相应的PWM波和电流增益值配置到IC寄存器中并通过IC驱动器驱动医用显示器进行图像显示。这样该IC带载分区LED阵列PWM的驱动灰度能力通过归一化处理，即该电流线性调整区最大灰阶亮度为8000（200,000/50×2），灰度层次过渡的最小变化能力为2（50/50×2），从图8可以看出，能完全真实复现医学图像细节。
本发明在现有LED显示屏PWM控制方式下，不增加硬件成本，采用PWM与不同电流增益相结合的方式，实现LED医用显示高精细灰度控制，能够满足医用显示高灰度等级要求。从IC线序表中可以看到，调控灰度等级越低灰度层次过渡越细腻，调控灰度等级越高灰度层次过渡越粗糙，而医用显示器在低灰度过渡区域要求的控制精细度较高，本发明能够很好的满足低灰度过渡区域控制精细度的要求。
Claims (7)
1.一种LED医用显示高精细灰度控制系统，包括发送卡，至少一个接收卡，SPI寄存器，IC寄存器；SPI寄存器内存储Gamma曲线；其特征在于SPI寄存器内还存储映射表F和IC线序表；映射表F中调控灰度等级与调控亮度值一一对应，IC线序表中调控灰度等级对应相应的PWM波占空比和电流增益值；发送卡将输入图像数据发送给接收卡，接收卡中的FPGA截取对应区域图像数据，在Gamma曲线上查找与区域图像数据中各像素灰阶亮度对应的显示亮度值，针对任一像素，在映射表F中查找与显示亮度值相等或最接近的调控亮度值并对应找到相应的调控灰度等级，然后在IC线序表中找到该调控灰度等级对应的PWM波占空比和电流增益，最后将找到的PWM波占空比和电流增益值配置到IC寄存器中并通过IC驱动器驱动医用显示器进行图像显示。
2.根据权利要求1所述的LED医用显示高精细灰度控制系统，其特征在于该系统包括一个接收卡，接收卡中的FPGA截取的对应区域图像数据为整个输入图像数据。
3.根据权利要求1所述的LED医用显示高精细灰度控制系统，其特征在于所述的映射表F和IC线序表获得方法如下：测量得到PWM控制下LED医用显示器每个PWM调控灰度等级对应的调控亮度值；根据DICOM 3.14标准最大图像数据N max 确定LED医用显示器的最高显示灰度等级Q n ；根据最大PWM调控灰度等级M max 和最高显示灰度等级Q n 确定最高电流调控灰度等级V max ；M max ×V max ≥Q n ；根据最高电流调控灰度等级V max 设定不同电流调控灰度等级对应的电流增益值；设任一PWM调控灰度等级M i 对应的占空比为P i ，任一电流调控灰度等级V j 对应的电流增益值为I j ，测量PWM波占空比为P i 、电流增益值为I j 调控条件下像素的调控亮度值，i=1，2，3，…，M max ，j=1，2，3，…，V max ；对不同调控条件下测得的调控亮度值进行排序，得到调控灰度等级与调控亮度值对应的映射表F，同时得到调控灰度等级与PWM波占空比、电流增益值对应的IC线序表。
4.根据权利要求1所述的LED医用显示高精细灰度控制系统，其特征在于所述对应区域图像数据分为多个IC带载分区，每个IC带载分区包含一个像素。
5.根据权利要求4所述的LED医用显示高精细灰度控制系统，其特征在于针对任一IC带载分区的像素，在映射表F中找到对应的调控灰度等级后，在IC线序表中找到该调控灰度等级对应的PWM波占空比和电流增益值，随机选取任一PWM波占空比与电流增益值的组合配置到IC寄存器中。
6.根据权利要求1所述的LED医用显示高精细灰度控制系统，其特征在于所述对应区域图像数据分为多个IC带载分区，每个IC带载分区包含多个像素。
7.根据权利要求6所述的LED医用显示高精细灰度控制系统，其特征在于针对IC带载分区中的各像素，在映射表中找到对应的调控灰度等级后，在IC线序表中找到所有像素对应调控灰度等级中最大调控灰度等级对应的最大PWM波占空比，对应的电流增益值即为该IC带载分区的电流调控值；对于该IC带载分区的各像素，在映射表中找到对应的调控灰度等级后，在IC线序表中查找该调控灰度等级和电流调控值对应的PWM波占空比，将相应的PWM波占空比和电流调控值配置到IC寄存器中。
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