專利名稱：戶外全彩led大屏幕顯示屏的自動亮度控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED大屏幕顯示屏亮度控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
戶外全彩LED大屏幕顯示屏在多媒體、廣告業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。它可以播放 音、視頻節(jié)目，廣告沖擊力更大；它可以提升城市科技水平，豐富城市居民文化生活。 它在所有的環(huán)境光下都是可見的，所以要在環(huán)境光暗的時候把大屏幕的灰度調(diào)低點不至 于太亮了晃眼；在環(huán)境光比較亮的時候把大屏幕的灰度調(diào)高點以免太暗了看不清楚。當(dāng) 然，在較低的環(huán)境光照下，保持較低的顯示亮度，這樣可以大大降低電能的消耗和延長 顯示屏LED發(fā)光器件的壽命。亮度是指圖像的黑白層次灰度。由于人的視覺系統(tǒng)對亮度強弱的感受不僅與亮度本 身的強弱相關(guān)，還與發(fā)光時間和點亮面積有關(guān)，因而利用人眼"視覺暫留"效應(yīng)，變換 發(fā)光體的點亮?xí)r間和面積來區(qū)分亮度，就會形成一種不同灰度畫面的錯覺，以實現(xiàn)全彩 LED大屏幕顯示屏灰度級。 一般灰度級越高，所顯示圖像的層次越分明，圖像越柔和。 目前在全彩LED大屏幕顯示屏上常用到的灰度控制手段是脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制方法是 利用人眼的視覺對瞬態(tài)光強的積分特性，讓器件開關(guān)態(tài)的高速轉(zhuǎn)換來顯示不同的灰度， 在每一場內(nèi)單像素開關(guān)態(tài)的占空比決定了其灰度值的大小。二進制分時脈寬調(diào)制是在顯示領(lǐng)域中最常用到的一種脈寬調(diào)制方法，其原理是將視頻圖像的每場時間等分成若干二 進制時間間隔或稱為二進制位時間，不同的灰度級對應(yīng)不同的二進制位時間。由于其控 制精度高，能實現(xiàn)高灰度級與上億色的顯示效果，該灰度調(diào)制方式被廣泛應(yīng)用于LCD、 PDP、 OLED等數(shù)字高清顯示器中。亮度等級是對全屏亮度的整體性描述，通過改變信號脈沖的占空比實現(xiàn)，100%的 占空比對應(yīng)最大的亮度等級，每個亮度等級下都有相同的灰度等級數(shù)。這樣我們可以改 變顯示屏的亮度而不影響它的灰度，從而，在改變顯示屏亮度的同時保持顯示屏所顯示 圖象的層次分明，圖象清晰、柔和。CCD (電荷耦合器件)傳感器是一種新型光電轉(zhuǎn)換器件，它能存儲由光產(chǎn)生的信號 電荷。當(dāng)對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便可在CCD內(nèi)作定向傳輸而 實現(xiàn)自掃描。它主要由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等組成。它具有光電轉(zhuǎn)換、信息
存貯和延時等功能，而且集成度高、功耗小，在攝像、信號處理和存貯這三大領(lǐng)域中得 到廣泛的應(yīng)用。尤其是在圖像傳感器應(yīng)用方面取得令人矚目的發(fā)展。CCD有面陣和線 陣之分，面陣是把CCD像素排成1個平面的器件；而線陣是把CCD像素排成一直線的 器件。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種通過測量環(huán)境光照度來自動控制戶外全彩LED大屏幕顯示屏的亮 度的裝置及方法，使戶外全彩LED大屏幕顯示屏的顯示亮度可以隨環(huán)境光照度來變化。本發(fā)明提出的自動亮度控制裝置包括用于測量環(huán)境光的光學(xué)系統(tǒng)、環(huán)境光傳感器、 數(shù)據(jù)采集卡以及將環(huán)境光照度轉(zhuǎn)換成LED大屏幕的顯示亮度的亮度自動控制器。所述光學(xué)系統(tǒng)與環(huán)境光傳感器進行光學(xué)匹配，接收并向環(huán)境光傳感器傳送全彩LED 大屏幕顯示屏的環(huán)境光。環(huán)境光傳感器的輸出連接數(shù)據(jù)采集卡，將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，并傳遞給數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡先將接收到的模擬量進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，再與亮度自動控制器的輸入端口 連接。亮度自動控制器與LED大屏幕的顯示控制器相連，它先根據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡獲得的 數(shù)據(jù)通過事先已設(shè)定在控制器內(nèi)的査找表査找得到當(dāng)前顯示屏所需的顯示亮度等級Bn 并發(fā)出命令得到當(dāng)前顯示屏的亮度，然后判斷顯示屏當(dāng)前的實際亮度是否等于這個所需 的亮度等級，若是，則不需調(diào)節(jié)；若不是，則向LED大屏幕的顯示控制器發(fā)出調(diào)節(jié)信 號，使LED大屏幕調(diào)節(jié)到規(guī)定亮度等級。同時，亮度自動控制器通過驅(qū)動電路與環(huán)境 光傳感器連接，它可以發(fā)出控制命令控制CCD的暴光時間和延遲。本發(fā)明提出的自動亮度控制方法首先是采用光學(xué)系統(tǒng)將LED大屏幕顯示屏的環(huán)境 光傳遞給環(huán)境光傳感器。由環(huán)境光傳感器將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，并傳遞給數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡將接收到的電信號模擬量進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，傳輸給控制LED大屏幕的 顯示亮度的亮度自動控制器。亮度自動控制器與LED大屏幕的顯示控制器相連，它先根據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡獲得的 數(shù)據(jù)通過査找表查找得到當(dāng)前顯示屏所需的顯示亮度等級并發(fā)出命令得到當(dāng)前顯示屏 的亮度，然后判斷顯示屏當(dāng)前的實際亮度是否等于這個所需的亮度等級，若是，則不需
調(diào)節(jié)；若不是，則調(diào)節(jié)到對應(yīng)所需要的亮度等級。同時，亮度自動控制器通過驅(qū)動電路 與環(huán)境光傳感器連接，它可以發(fā)出控制命令控制CCD的暴光時間和延遲。以上過程在設(shè)定的間隔時間T后再重復(fù)循環(huán)進行。其中間隔時間T應(yīng)該設(shè)定得小一些，這樣可避免感光窗口受到短時間的干擾。比如，當(dāng)受到短暫的強光照射或遮擋時，自動控制裝置就能夠很快把大屏幕的亮度調(diào)節(jié)回來。本全彩LED大屏幕的顯示亮度在 一定的環(huán)境光照度范圍內(nèi)保持恒定。本裝置和方法可以通過CCD傳感器來測量環(huán)境光的照度，并根據(jù)測得的環(huán)境光的 照度來自動控制全彩LED大屏幕顯示屏的顯示亮度，使戶外全彩LED大屏幕顯示屏改 變顯示亮度的時候同時保持灰度等級不變，使顯示的內(nèi)容保持清晰，提高顯示的質(zhì)量， 不會因出現(xiàn)太亮了眩光或太暗了看不清楚的情況。這樣，不但提高了顯示的質(zhì)量，還可 大大降低電能的消耗和延長全彩LED大屏幕的LED管壽命。


圖1為基于CCD環(huán)境光傳感器的自動亮度控制裝置所組成的戶外LED全彩大屏幕結(jié)構(gòu)圖。 -圖2為基于CCD環(huán)境光傳感器的自動亮度控制裝置的原理框圖。圖3為基于CCD環(huán)境光傳感器的戶外LED全彩大屏幕自動亮度控制裝置的原理圖。圖4為適用于本發(fā)明中亮度自動控制器的查找表。圖5為査找表中的相同灰度等級下不同的亮度等級圖。圖6為亮度自動控制器的軟件程序流程圖。
具體實施方式
以下參照附圖描述本發(fā)明的具體實施本發(fā)明應(yīng)用的典型結(jié)構(gòu)主要包括三個部分顯示屏、顯示控制器、環(huán)境光自適應(yīng)控 制裝置。如圖1所示，將測量環(huán)境光裝置的感光窗口 3安裝在與顯示屏1相同的平面上。 顯示屏1的主要部分是顯示點陣和行列驅(qū)動電路及其他一些電路，其中每一個像素點2 由紅、綠、藍三色LED組成；每塊顯示單元由M^N個像素點陣組成， 一個完整的戶外 LED全彩大屏幕顯示屏由X塊顯示單元拼接而成。 一般來說，LED安裝在PCB板的一 側(cè)，行、列驅(qū)動及其他IC芯片安裝在PCB版的另一側(cè)。圖2是基于CCD環(huán)境光傳感器的亮度自動控制裝置的原理框圖?；贑CD的環(huán)境光 傳感器可以采用線陣CCD 7或者面陣CCD的多通道檢測器，主要代表產(chǎn)品有電荷注入器 件(CID)、電荷耦合器件(CCD)、 MOS線陣圖象傳感器(M0S Image Sensor)等。由于 各傳感器的結(jié)構(gòu)、原理不盡相同，所以它們也都有各自的特點，但由于在靈敏度、隨機 噪聲方面CCD較好些，為降低成本，最好采用線陣CCD作為環(huán)境光傳感器。以天津耀輝 公司的IJPD3575為例，其像元數(shù)為1024個像素，光譜響應(yīng)范圍為400~1100nm，峰 值敏感度為550nm。相比較而言，人眼能感測的波長范圍很短，約400 700nm，峰值敏 感度為560nra左右。所以，如果在線陣CCD前不加光學(xué)系統(tǒng)容易給出誤讀數(shù)，尤其是光 源中帶有很高比例的紅外光時。因此，為了使環(huán)境光傳感器靈敏度與人眼視覺靈敏度大 致相同，在CCD環(huán)境光傳感器前加了一個衍射光柵6。衍射光柵選用天津拓普公司的 45+45mm的普通反射式平面衍射光柵，它的光譜范圍是400 720nm，閃耀波長是550nm， 滿足人眼的視覺靈敏度。測量環(huán)境光的光學(xué)系統(tǒng)包括感光窗口 3、光纖4、準(zhǔn)直鏡5和衍射光柵6。采用光 纖4來傳輸，可以避免光學(xué)中心擾動造成光參數(shù)測量的不確定性。環(huán)境光經(jīng)感光窗口 3、 傳輸光纖4、準(zhǔn)直鏡5變成平行光，再經(jīng)衍射光柵6分光后，光譜成平焦場成像在線陣 CCD7上，CCD將其轉(zhuǎn)化為電信號后，經(jīng)過驅(qū)動電路的積分處理后以視頻信號的形式輸 出到A/D采集卡8，經(jīng)串口接入亮度自動控制器9中進行處理。同時，控制器發(fā)出命令 控制線陣CCD的延遲以及曝光時間。其中感光窗口是一個余弦矯正器，安裝在與顯示屏 相同的平面上。余弦校正器是一種用于光譜輻射取樣的光學(xué)元件，用于收集1800立體 角內(nèi)的輻射(光線)。亮度自動控制器8可以是一單片機，它的輸出一方面與LED大屏幕的常規(guī)的顯示 控制器11或顯示控制電路相連，另一方面通過驅(qū)動電路10與環(huán)境光傳感器線陣CCD 7 連接。單片機中預(yù)先裝有査找表并寫入有控制程序。它先根據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡獲得的數(shù)據(jù) 通過査找表查找得到當(dāng)前顯示屏所需的顯示亮度等級Bn并發(fā)出命令得到當(dāng)前顯示屏的亮度，然后判斷顯示屏當(dāng)前的實際亮度是否等于這個所需的亮度等級，若是，則不需調(diào) 節(jié)；若不是，則向LED大屏幕的顯示控制器發(fā)出調(diào)節(jié)信號，使LED大屏幕調(diào)節(jié)到對應(yīng) 所需要的亮度等級。同時，通過驅(qū)動電路向CCD傳感器發(fā)出控制命令，控制CCD的曝 光時間和延遲。圖3是基于線陣CCD的環(huán)境光自動控制裝置實現(xiàn)自動控制LED全彩大屏亮度的原理 圖。通過測量環(huán)境光的感光窗口3獲得環(huán)境光，連接到環(huán)境光自適應(yīng)控制裝置12上' 當(dāng)顯示屏1啟動后，環(huán)境光自適應(yīng)控制裝置12的線陣CCD將測得的環(huán)境光亮度級An
傳給亮度自動控制器，并將獲得的數(shù)據(jù)通過事先己設(shè)定的査找表，查表得到當(dāng)前顯示屏 所需的顯示亮度等級Bn。圖4是適用于本發(fā)明亮度自動控制器的査找表。24小時環(huán)境光亮度變化范圍由 104cd/m, 104cd/m2。將環(huán)境光劃分成100個等級，通過實驗在每一級環(huán)境光下找到一個最佳的LED全彩 大屏幕亮度級與之對應(yīng)，LED全彩大屏幕亮度級用信號占空比表示。100%占空比代表最 高亮度級，這樣可把LED全彩大屏幕的亮度也劃分成了 IOO個等級。將環(huán)境光最暗時所 對應(yīng)的占空比20%作為LED全彩大屏幕最低的亮度等級；使LED全彩大屏幕的亮度等級 隨環(huán)境光的增強而遞增，環(huán)境光最亮?xí)r對應(yīng)100%的占空比。圖5是相同灰度等級下不同的亮度等級圖。我們以信號10100000為例，當(dāng)亮度等 級是100%的時候，來1高電平就點亮LED，來O低電平就熄滅，如最上一個圖所示，此 時的灰度等級為160;當(dāng)要把它的亮度等級調(diào)節(jié)到80%時只要把每個脈沖的寬度調(diào)節(jié)到 原來的80%，而灰度等級仍是160，如中間的圖所示；同理，把亮度等級調(diào)節(jié)到50%的 圖如最下面的一個圖所示，灰度等級同樣保持160不變。圖6是亮度自動控制器的軟件程序流程圖。當(dāng)顯示屏工作時，就可以測量到環(huán)境光 的亮度等級，再通過査找表獲得當(dāng)前顯示屏所需的亮度等級并發(fā)出命令，從而控制當(dāng)前 顯示屏的亮度。然后，判斷顯示屏當(dāng)前的實際亮度是否等于這個所需的亮度等級。若是， 則不需調(diào)節(jié)；若不是，則調(diào)節(jié)到規(guī)定亮度等級。在定時器設(shè)定的間隔時間T后，再測量 環(huán)境光的照度，重復(fù)循環(huán)以上過程。定時器的間隔時間T應(yīng)該設(shè)定得小一些，這樣可避 免感光窗口受到短時間的干擾。比如，當(dāng)受到短暫的強光照射或遮擋時，自動控制裝置 就能夠很快把大屏幕的亮度調(diào)節(jié)回來。同時，亮度自動控制器通過驅(qū)動電路與環(huán)境光傳 感器連接，它可以發(fā)出控制命令來控制CCD的曝光時間和延遲。
權(quán)利要求
1、戶外全彩LED大屏幕顯示屏的自動亮度控制裝置，其特征在于它包括用于測量環(huán)境光的光學(xué)系統(tǒng)、環(huán)境光傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及可以通過查找表將環(huán)境光照度轉(zhuǎn)換成LED大屏幕顯示亮度的亮度自動控制器；所述光學(xué)系統(tǒng)與環(huán)境光傳感器進行光學(xué)匹配，接收并向環(huán)境光傳感器傳送LED大屏幕顯示屏所處的環(huán)境光照度；環(huán)境光傳感器的輸出連接數(shù)據(jù)采集卡，將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，并將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡將接收到的模擬量進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換再與亮度自動控制器的輸入端口連接；亮度自動控制器與LED大屏幕的顯示控制器相連，它先根據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡獲得的數(shù)據(jù)通過事先已設(shè)定在控制器內(nèi)的查找表查找得到當(dāng)前顯示屏所需的顯示亮度等級并發(fā)出命令得到當(dāng)前顯示屏的亮度，然后，判斷顯示屏當(dāng)前的實際亮度是否等于這個所需的亮度等級，若是，則不需調(diào)節(jié)；若不是，則向LED大屏幕的顯示控制器發(fā)出調(diào)節(jié)信號，使LED大屏幕調(diào)節(jié)到規(guī)定亮度等級；同時，亮度自動控制器通過驅(qū)動電路與環(huán)境光傳感器連接，發(fā)出控制命令控制環(huán)境光傳感器的曝光時間和延遲。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的戶外全彩LED大屏幕顯示屏的自動亮度控制裝置，其特征在 于所述的環(huán)境光傳感器采用線陣CCD或者面陣CCD的多通道檢測器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的戶外全彩LED大屏幕顯示屏的自動亮度控制裝置，其特征在 于所述測量環(huán)境光的光學(xué)系統(tǒng)包括感光窗口、光纖、準(zhǔn)直鏡和光柵，感光窗口通過光 纖連接準(zhǔn)直鏡，準(zhǔn)直鏡把環(huán)境光變成平行光，傳遞給光柵，光柵對其分光后再傳遞給環(huán) 境光傳感器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的戶外全彩LED大屏幕顯示屏的自動亮度控制裝置，其特征在 于感光窗口是一個余弦矯正器，安裝在與顯示屏相同的平面上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的戶外全彩LED大屏幕顯示屏的自動亮度控制裝置，其特征在 于所述光柵的可測光譜的范圍與人眼視覺的光譜范圍大致相同。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的戶外全彩LED大屏幕顯示屏的自動亮度控制裝置，其特征在 于所述査找表將環(huán)境光照度分成若干等級，與LED大屏幕的顯示亮度分成的若干等 級一一對應(yīng)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的戶外全彩LED大屏幕顯示屏的自動亮度控制裝置，其特征在于所述的亮度自動控制器是一單片機。
8、 利用權(quán)利要求1所述的裝置實現(xiàn)的戶外全彩LED大屏幕顯示屏的自動亮度控制方 法，其特征在于它首先采用光學(xué)系統(tǒng)采集LED大屏幕顯示屏的環(huán)境光，將環(huán)境光傳 遞給環(huán)境光傳感器；由環(huán)境光傳感器將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，并將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)采集 卡；數(shù)據(jù)采集卡再將接收到的電信號模擬量進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，傳輸給控制LED大屏幕 的顯示屏亮度的亮度自動控制器；亮度自動控制器與LED大屏幕的顯示控制器相連，它先根據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡獲得的 數(shù)據(jù)通過査找表查找得到當(dāng)前顯示屏所需的顯示亮度等級并發(fā)出命令得到當(dāng)前顯示屏 的亮度，然后判斷顯示屏當(dāng)前的實際亮度是否等于這個所需的亮度等級，若是，則不需 調(diào)節(jié)；若不是，則向LED大屏幕的顯示控制器發(fā)出調(diào)節(jié)信號，將LED大屏幕調(diào)節(jié)到對 應(yīng)所需要的亮度等級；同時，亮度自動控制器通過驅(qū)動電路與環(huán)境光傳感器連接，發(fā)出 控制命令控制環(huán)境光傳感器的曝光時間和延遲；以上過程在設(shè)定的間隔時間T后再重復(fù)循環(huán)進行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適于戶外全彩LED大屏幕顯示屏的自動亮度控制裝置及方法，它包括用于測量環(huán)境光的光學(xué)系統(tǒng)、環(huán)境光傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及可以通過查找表將環(huán)境光照度轉(zhuǎn)換成LED大屏幕顯示亮度的亮度自動控制器。它根據(jù)環(huán)境光傳感器來測量環(huán)境光的照度，并由亮度自動控制器通過查找表得到當(dāng)前顯示屏所需的顯示亮度等級并判斷顯示屏當(dāng)前的實際亮度是否等于這個所需的亮度等級，自動地控制LED大屏幕的顯示亮度，使全彩LED大屏幕的亮度可隨環(huán)境光的變化而改變。這樣，不但提高了顯示的質(zhì)量，還可大大降低電能的消耗和延長全彩LED大屏幕的LED管壽命。
文檔編號G01J1/00GK101114440SQ20071009261
公開日2008年1月30日 申請日期2007年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月27日
發(fā)明者睿 萬, 熹 左, 朱小清, 李志敏, 王曉鋒 申請人:重慶大學(xué)