白王靜，李福山，羅福根，徐 勝，黃炳樂,3

(1.福州大學 物理與信息研究工程學院，福建 福州 350000；2.福建捷聯(lián)電子有限公司，福建 福清 350301；3.福建船政交通職業(yè)學院信息工程系，福建 福州350007)

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側入式LED背光源仿真中亮度均勻性的判定方法

白王靜1，李福山1，羅福根2，徐 勝1，黃炳樂1,3

(1.福州大學 物理與信息研究工程學院，福建 福州 350000；2.福建捷聯(lián)電子有限公司，福建 福清 350301；3.福建船政交通職業(yè)學院信息工程系，福建 福州350007)

在設計開發(fā)側入式LED背光源時，經常應用光學軟件Tracepro對其亮度均勻性進行模擬仿真，且總會出現(xiàn)仿真結果與實際人眼感知結果間存在一定差異的現(xiàn)象。針對這一現(xiàn)象，提出了以人眼“最佳視覺注意范圍”為依據(jù)，將屏幕進行合理分區(qū)，并利用Weber定律中關于感覺量與刺激量之間的量化公式對差異現(xiàn)象進行分析矯正的方法，有效改善了模擬仿真設計與實際人眼感知的差異。同時，建立了尺寸為6 cm×6 cm的單邊側入式LED背光源模型，對已提出方法進行了實際驗證。實驗結果表明，該方法有效提高了仿真結果的合理性及高效性，減小了產品開發(fā)設計與實際效果間的誤差。

Tracepro；側入式；Weber定律；最佳視覺注意范圍

隨著LED背光模組向輕薄化方向發(fā)展，側入式LED背光源逐漸成為市場發(fā)展的主流,其中，背光源的亮度、均勻性等光學指標對LCD的顯示質量起著重要影響[1]。與直下式背光源比較而言，側入式是把其位于側邊的點狀LED光源通過導光板進行均勻擴散，然后才形成面狀光源，而直下式背光源則是在擴散板后面放置足夠多的LED光源陣列，因而其本質上就具有面光源的特征，顯然側入式背光源在亮度均勻性上具有先天性的劣勢[2-3]。從而，對于側入式LED背光源而言，保證良好的亮度均勻性顯得尤為重要。

目前，業(yè)界判斷均勻性的客觀方法一般是通過儀器直接測試多點亮度，然后求得最低亮度與最高亮度的比值，最后將比值與產品規(guī)格相比較并判定出產品的均勻性情況?；蛘呤峭ㄟ^人眼主觀判斷的方式進行評價,這些都是事后的判斷方法。為此，本文通過合理利用Weber定律及“最佳視覺注意范圍”理論，有效綜合模擬仿真技術與實際人眼主觀感知的差異，提出了一種在設計階段就可以運用的新的背光源亮度均勻性判定方法,提高了設計產品的準確性，并節(jié)約了設計時間和成本。

1 判定方法的理論探究

1.1 最佳視覺注意范圍

通過大量的觀察實驗，發(fā)現(xiàn)人們在觀看顯示屏幕時傾向于將視覺注意力集中在屏幕的中央?yún)^(qū)域，而不是整個屏幕區(qū)域，且這一現(xiàn)象不會隨著時間的延長而減少。同時，引起這一現(xiàn)象的主要原因在于，絕大多數(shù)的圖片中最主要的信息都處于圖片的中央及其附近區(qū)域。另外，有研究表明，人們在短時間內觀察顯示屏幕時，其注意的圖片范圍僅為圖片的30%左右[4-5]，如圖1、2所示。

圖1 原始觀察圖片

圖2 人眼實際的視覺注意范圍

本文中將上面提到的這一范圍稱為“最佳視覺注意范圍”。在研究顯示屏幕的亮度均勻性時，由于人眼對于顯示屏幕擁有最佳視覺注意范圍，因此，在此范圍內的亮度均勻性相對其余地方就顯得更為重要。據(jù)此，課題中決定依據(jù)人眼的最佳視覺注意范圍理論將顯示屏幕分為兩個區(qū)域，即從屏幕中心向外占整個屏幕的30%的中央?yún)^(qū)域為主導區(qū)域，剩下的70%的區(qū)域為輔助區(qū)域。

具體以18.5 in(1 in=2.54 cm)的顯示器為例，有效發(fā)光總面積為

STotal=409.8 mm×230.4 mm=94 417.92 mm2

(1)

所以30%的區(qū)域面積為

S30%=STotal×30%=28 325.376 mm2

(2)

為了最終確定主導區(qū)域范圍邊界位置，首先，同時取顯示屏幕的長(L)和寬(B)的0.55倍得(由于30%本身就是一個估計值，所以此處選擇0.55倍使所選取區(qū)域稍大于30%)

L0.55=409.8 mm×0.55=255.39 mm

(3)

B0.55=230.4 mm×0.55=126.72 mm

(4)

因此面積為

S0.55=255.39 mm×126.72 mm=32 363.020 8 mm2

(5)

若將屏幕的左上頂點設置為原點(0，0)，垂直向下設置為X軸正方向(表示寬度B)，水平向右設置為Y軸正方向(表示長度L)，則根據(jù)數(shù)學理論可計算得到“主導區(qū)域”的4個頂點分別為(B/2-B0.55/2，L/2-L0.55/2)、(B/2-B0.55/2，L/2+L0.55/2)、(B/2+B0.55/2，L/2-L0.55/2)、(B/2+B0.55/2，L/2+L0.55/2)，如圖3所示。

圖3 主導區(qū)域示意圖

1.2 人眼亮度感知的量化

Weber定律表明了心理感知量及物理量之間的特定關聯(lián)，即感知的差別閾限跟隨原始刺激量的改變而變化，同時具有一定的規(guī)律特征，故本文選用它作為理論研究基礎。其公式為

ΔΦ/Φ=C

(6)

式中：Φ為原始刺激量；ΔΦ為當前差別閾限；C為結果常數(shù)，又稱為韋伯率，實驗測定為C=0.017[6-7]。

在側入式LED背光源中，正是由于兩塊區(qū)域之間的亮度差與其自身亮度的比值超過了人眼的差別域限，才導致人眼感知到不均勻的現(xiàn)象。據(jù)此可以分析出，只要分別測得兩區(qū)域的亮度，然后帶入Weber定律計算公式，即可計算出當前的C值，如果其大于0.017，則說明人眼能夠感知這兩區(qū)域間的不均勻現(xiàn)象；反之，則說明人眼感知不到這兩區(qū)域間的不均勻現(xiàn)象，可認為此處區(qū)域間不存在亮度不均勻現(xiàn)象。

由于光線經過導光板后，每個像素區(qū)域仍然存在亮度不一致的問題，且這種不一致現(xiàn)象并沒有一定的界限，所以將運用多點平均近似的方法，其主要思想是在計算某一像素的Weber對比度都選取一定數(shù)量的鄰近像素作為刺激量進行計算，從而使結果更加符合實際[8]。

結合最佳視覺注意范圍理論分析可知，人們的視覺注意大多數(shù)都是集中于主導區(qū)域內，因而對該區(qū)域內的亮度均勻性要求會更高些。因此，分別對主導區(qū)域和輔助區(qū)域采取了不同的多點平均近似方法。

同時，在獲取C值的過程當中，理論上只有當設置的采樣密度接近甚至等同于人眼對亮度的實際分辨率時，才會取得準確的模擬效果。假如設置的采樣密度太大，會導致兩點之間的值太過接近，最后得出的C值將必然小于0.017，無法分辨出明暗不均的區(qū)域；反之，采樣密度太小，最后得出的C值將必然大于0.017，也無法反映人眼實際的感知效果。

(6)

(7)

圖4 “主導區(qū)域”和“輔助區(qū)域”的鄰域選取示意圖

2 判定方法的實際驗證

眾所周知，側入式LED背光源在亮度均勻性方面存在明顯的缺陷，由于LED光源為朗伯發(fā)光體，所以會在LED燈附近形成“螢火蟲”狀的亮度不均勻現(xiàn)象，如圖5所示。同時，對于單邊側入式LED背光源來說，在離光源較遠的邊側也會出現(xiàn)一些亮度均勻性不夠的問題[9]。所以，本文在Tracepro7.03中建立尺寸為6 cm×6 cm的側入式LED背光仿真模型，并以“螢火蟲”現(xiàn)象為主要模擬對象，對提出的新方法進行實際驗證[10-11]。

圖5 側入式LED背光源的螢火蟲現(xiàn)象

在基本設置之后，開始設置最關鍵的兩個參數(shù)：分辨率和追跡光線條數(shù)。經研究測量得知人眼的實際分辨角為1.5′，且在研究亮度均勻性時一般選定500 mm作為觀測距離，經過計算，人眼分辨距離為d=500 mm×tan(1.5/60)≈0.218 mm。所以將分辨率設置為0.218 mm，將追跡光線條數(shù)設置為5萬條。

參數(shù)設置完后，進行了光線追跡仿真，結果如圖6～7所示。

根據(jù)圖6可以發(fā)現(xiàn)背光源的亮度不均勻現(xiàn)象主要存在于LED燈條附近的螢火蟲區(qū)域及邊側區(qū)域。為了確定模擬出來的結果是否與實際人眼感知的結果相吻合，提取出仿真照度圖的亮度信息，在MATLAB中運用式(7)進行計算每個點的C值，然后將C值矩陣中的每一C值逐一跟0.017進行比較，將大于0.017的C值賦值為零，以表示該處不均勻，最后畫出該C值矩陣的二值圖像，如圖8a所示。

觀察圖8a可知，處理結果圖中LED附近的螢火蟲區(qū)域與照度圖中存在較大差異，且在其他區(qū)域存在許多不均勻現(xiàn)象，故判定相應的仿真照度圖并未與人眼的實際感知相吻合。從而，可以推斷出，當前仿真參數(shù)設置不夠恰當。

圖6 追跡光線為5萬條的照度圖

圖7 追跡光線為10萬條的照度圖

分析原因，對于分辨率，由于人眼的分辨率在實際中會受到各種各樣環(huán)境因素的影響，所以達不到理論上的0.218 mm，故需下調分辨率。而降低分辨率的同時，需要提高追跡光線條數(shù)才能得到較合理的亮度值。另外，對于由Weber定律分析試驗得出的C值閾值是在特定條件下得出的，同樣會受到不同環(huán)境因素的影響，并導致靈敏度下降，因而有必要適當調整C值閾值。

在多次調整分辨率及追跡光線條數(shù)并做仿真的過程中，發(fā)現(xiàn)當分辨率調整為0.5 mm，追跡光線條數(shù)調整為10萬條時，照度圖如圖7所示。同時，用相同的方法進行MATLAB計算，結果如圖8b所示，觀察可知相應的仿真照度圖與人眼實際感知相對較吻合。因此，圖7圖比左圖更能體現(xiàn)人眼的實際感知結果。而事實上兩圖差異并不大，均可看到明顯的“螢火蟲”現(xiàn)象。所以，僅僅依靠仿真軟件無法準確判定模擬結果與人眼實際感知的吻合度，需要借助本文中的方法進行判定。

另外，觀察圖8b，發(fā)現(xiàn)在主導區(qū)域及其附近仍然存在部分不均勻點，但在實際，中人眼難以分辨這些不均勻點，因此，仿真結果與人眼實際感知仍有較大差別。

圖8 二值圖像(截圖)

如圖9a所示，根據(jù)最佳視覺注意范圍的確定方法，對MATLAB結果圖進行了主導區(qū)域的標定。通過多次仿真分析，發(fā)現(xiàn)這些數(shù)量不多的不均勻點是由于計算方法的精確度不夠導致的，而與Tracepro中的參數(shù)設置沒有太大聯(lián)系。根據(jù)最佳視覺理論，由于“主導區(qū)域”內的顯示效果對人眼感知影響較大，所以，在其他條件不變的基礎上對主導區(qū)域采用更加精確的計算式(6)進行分析計算。同樣，經過再次仿真，得出結果如圖9b所示。觀察分析可知，在加入最佳視覺注意范圍理論之后，更加準確地判斷了實驗仿真結果與人眼的實際感知效果的吻合度。

3 結論與分析

本文在對利用Tracepro光學軟件仿真時出現(xiàn)的仿真結果與實際人眼感知結果存在一定差異的現(xiàn)象進行深入分析的基礎上，提出了在利用Weber定律進行合理量化的過程中加入基于最佳視覺注意范圍的分區(qū)計算判定方法。然后通過在Tracepro中建立背光模型對提出的方法進行了實際驗證。根據(jù)最終的模擬仿真結果可得出以下結論：

1)設計開發(fā)側入式LED背光源時，在仿真過程中應用了Weber定律將人眼實際感知效果進行合理量化，可以提高仿真的準確性，最終也有助于提高設計產品的準確性及實用性。

2)最佳視覺注意范圍的應用，進一步提高了模擬量化的效果，特別是在主導區(qū)域，能夠更加準確地判斷設計仿真結果與人眼的實際感知效果的吻合度。

圖9 分辨率為0.5 mm、光線為10萬條的仿真圖像(截圖)

總之，本文提出的將仿真技術與人眼感知特性相結合，進行背光源均勻性判斷的方法與客觀實際較為相符，將有利于背光源設計得更加合理、高效。

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白王靜(1989— )，碩士生，主研圖像處理及信息顯示技術；

李福山(19789— )，研究員，博士生導師，主研納米電子材料與器件;

徐 勝(19749— )，助理研究員，主研信息顯示、電路與系統(tǒng)。

責任編輯：許 盈

Brightness Uniformity Judgement Method of Side Entering Type LED Backlight’s Simulation

BAI Wangjing1, LI Fushan1, LUO Fugen2, XU Sheng1, HUANG Bingle1，3

(1.CollegeofPhysicsandInformationEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350000,China; 2.TPVElectronics(Fujian)Co.,Ltd.,FujianFuqing350301,China; 3.InformationEngineeringDepartment，F(xiàn)ujianChuanzhengCommunicationsCollege，F(xiàn)uzhou350007,China)

When the Side entering type LED backlight is being designed and developed , the optical software Tracepro is often used to simulate the brightness uniformity, and it is always have the phenomenon that there are some differences between the simulation results and the actual results of the human visual perception.Considering this phenomenon, in this paper, a method that human eyes′ best visual scope is regarded as the basis to divide the screen reasonable, then quantitative formulas about the feeling between perception and stimulus from Weber′s law are used to analyze and correct the difference, improving the differences effectively.At the same time, the proposed method are verified on the single side entering type LED backlight whose size is 6 cm×6 cm.The experimental results show that this method is effective to improve the rationality and efficiency of the simulation results and reduce the error between product’s development and the actual effect.

Tracepro; side entering type; Weber′s law; the best visual scope

國家“863”計劃項目(2012AA03A301；2013AA030601；2012AA030303)；國家自然科學基金項目(61101169；61106053；61377027)；福建省自然科學基金項目(2011J01347；2013J01233)；福建省教育廳A類項目(JA11013；JA13376)

TN27

A

10.16280/j.videoe.2015.07.015

2014-08-25

【本文獻信息】白王靜，李福山，羅福根，等.側入式LED背光源仿真中亮度均勻性的判定方法[J].電視技術,2015，39(7).