TFT中Gamma的調(diào)試原理

1什么是Gamma？

Gamma的概念源自于CRT響應(yīng)曲線，最開始是用于反映顯像管的圖像亮度與輸入電子槍的信號(hào)電壓之間，非線性關(guān)系的一個(gè)參數(shù)。對(duì)于CRT顯示器而言，電子流大小影響顯示的圖像亮度大小，而電子流大小與輸入電壓間成指數(shù)關(guān)系，圖1所示：

圖1

因此，簡單地說，Gamma是用來表征顯示器亮度響應(yīng)特性的一個(gè)參數(shù)。通常CRT顯示器的顯示亮度與輸入電平的關(guān)系接近一條曲線，圖2所示；水平方向表示輸入的電平，縱向表示顯示的亮度。

對(duì)圖2進(jìn)行歸一化處理后，得到圖3所示的曲線，該曲線與函數(shù)y=x?（n=2.2）非常接近。這個(gè)就是顯示屏的亮度響應(yīng)曲線，指數(shù)2.2就是Gamma值。

CRT顯示屏的Gamma值為2.2是因?yàn)檫@樣的顯示特性比較符合人眼視覺特性：

①Gamma偏大：整體圖像偏暗，暗場景中的細(xì)節(jié)容易丟失；

②Gamma偏小：整體圖像偏亮，圖像變得朦朧，層次感變差。

圖4左邊是不同Gamma的響應(yīng)曲線，右邊是16灰階圖像的對(duì)比。

從圖中可以看到：

①γ=1.8時(shí)，整體偏亮，層次感較差

②γ=2.6時(shí)，整體偏暗，最左邊兩個(gè)暗階已經(jīng)無法分辨開

只有γ=2.2時(shí)，各灰階的整體層次感較好。

由于發(fā)光原理的不同，液晶顯示屏的亮度響應(yīng)曲線與CRT的不同，是一條“S”形曲線，Gamma值較大，如下圖所示：

2TFT-LCD 為什么要校正Gamma

對(duì)于 TFT 液晶顯示器來說，將調(diào)節(jié)輸入的電壓信號(hào)大小來在屏幕上產(chǎn)生相應(yīng)的亮度輸出，就是說通過改變輸入電壓的大小來達(dá)到控制顯示器的顯示亮度，但是屏幕上的顯示的亮度與輸入的電壓信號(hào)不成正比。液晶顯示器的輸入電壓值 (V)與透射率(T) 之間的關(guān)系稱為 V-T 關(guān)系曲線，也就是光電曲線。液晶顯示器的顯示單元是液晶盒，因此 V-T 關(guān)系曲線實(shí)際上反應(yīng)了液晶盒的電光響應(yīng)特性。人的眼睛觀察液晶顯示器時(shí)，亮度大小的變化會(huì)相應(yīng)地引起人眼明暗感覺變化，而當(dāng)亮度不提高時(shí)，人眼視覺的明暗變化會(huì)不斷趨于飽和。

液晶顯示器屏上所顯示的圖像由最高到最暗可分為許多的灰階，不同灰階的亮度通過不同灰階上的gamma指數(shù)函數(shù)來決定。就液晶顯示器來說，不同的輸入電壓信號(hào)會(huì)在屏幕上產(chǎn)生不同的亮度輸出，但當(dāng)液晶顯示的亮度與輸入的電壓信號(hào)不是正比時(shí)，就可能會(huì)存在顯示圖像的失真，這種失真是由于人的眼睛對(duì)光的感應(yīng)的原因。在人的眼睛對(duì)光的感應(yīng)上，因?yàn)橐话闳说难劬δ茏R(shí)別的最大分辨的差異是在 1/100，就是說如果在 100 根燭光的圖像中你最大可能識(shí)別出來的是 99 根燭光或者是 101 根燭光，但是如果你在一個(gè)比較暗的環(huán)境中觀察暗畫面，比如 1 根燭光時(shí)，這時(shí)你能分辨出 0.01 燭光的亮度差異，也是說在當(dāng) 1根燭光以下一般人也能分出 100 多個(gè)的灰階，但是因?yàn)橐壕э@示器在全暗的圖像時(shí)最低能表現(xiàn)的是只有才 0.4~0.8 根燭光。

一般所說的對(duì)比度，是指顯示畫面中的最亮除以最暗的亮度。當(dāng)液晶顯示器如果要完整的表現(xiàn)出高度真實(shí)的圖像時(shí)，無論是高亮度的圖像或低亮度的畫面圖像都能表現(xiàn)時(shí)，就需要LCD的對(duì)比度要在 5000:1 以上，而我們的TFT LCD目前最大一般只能做出1200:1左右，我們就必須用gamma修正來作補(bǔ)償

Gamma曲線就是液晶顯示器的電光響應(yīng)的曲線，也是人的眼睛對(duì)光的一種感應(yīng)曲線。對(duì)一個(gè)常人來說，人眼對(duì)光線的感應(yīng)是一條非線性的光電曲線,并且對(duì)液晶顯示器上的顯示出的光線會(huì)感應(yīng)出不一樣的曲線，因此在設(shè)計(jì)LCD時(shí)，設(shè)計(jì)出專門的gamma曲線，以滿足對(duì)人的眼睛的感光細(xì)胞，達(dá)到心理上良好的視覺效果。實(shí)際的景色環(huán)境，只有正確設(shè)置gamma曲線才可以獲得最真實(shí)的視覺感受。

Gamma的大小對(duì)顯示的影響至關(guān)重要，大小不同的Gamma值參數(shù)設(shè)定對(duì)LCD的亮度有較大的差別，當(dāng)gamma比較小的時(shí)候，在高亮的地方的灰階差異比較大，更能清晰顯示高亮的灰階，當(dāng)gamma值比較小時(shí)，在低亮的灰階的差異比較大，更能清晰顯示低亮的灰階，所以gamma需選擇一個(gè)適合值，才能將顯示的亮度表現(xiàn)到最佳。對(duì)于全國電視系統(tǒng)委員會(huì)制式(National Television Systems Committee，NTSC)色域機(jī)制，gamma取 2.2為考慮人眼觀測舒適度時(shí)的最佳取值。

每一個(gè)模塊都有一個(gè)液晶的光電曲線，不同的曲線對(duì)應(yīng)不同的效果。每一個(gè)模組 (Liquid Crystal Module，LCM)的最后得到的光電曲線，由二部分決定。一部分是液晶上的光電曲線，另一部分是驅(qū)動(dòng) IC 上的驅(qū)動(dòng)電壓曲線，這二部分的最后綜合的結(jié)果，就是我們可以在液晶顯示器上看到的畫面。尋找一種合適的方法，校正 TFT LCM的 gamma 為 2.2，適合人眼的觀察需要。

3Gamma的校正原理

由于人眼視覺對(duì)光線亮度的感受程度并非是線性，這非線性的關(guān)系與液晶模型本身的轉(zhuǎn)換比例的曲線并不相符。人眼視覺感覺舒適的亮度與液晶顯示屏幕為一理想的線性系統(tǒng)是相違背的。

換言之，液晶顯示屏幕原本預(yù)期屏幕為一理想的線性系統(tǒng)，所以輸出線性的數(shù)字影像數(shù)據(jù)，即是液晶顯示屏幕期望多少亮度就必須由顯示驅(qū)動(dòng)送出對(duì)應(yīng)的數(shù)字影像數(shù)據(jù)，此時(shí)使用 gamma 值的參數(shù)值為 1來表示液晶顯示屏幕輸出線性的數(shù)字影像數(shù)據(jù)給屏幕，但由于液晶模型本身的特性所致，造成傳送轉(zhuǎn)換比例的曲線，呈現(xiàn)出來的亮度關(guān)系也并非是眼所感覺的亮度，因?yàn)槿搜鬯杏X光的亮度為 Gamma=2.2~2.5。所以我們須將液晶模型本身特性所致的傳送轉(zhuǎn)換比例的曲線校正為人眼所預(yù)期的亮度即設(shè)置Gamma=2.2~2.5。

由于人的眼睛感受顯示器的亮度強(qiáng)度是呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，通常是以Gamma 參數(shù)值來表示，如圖2-4，然而TFTLCD 顯示的亮度不是人眼所預(yù)期的Gamma=2.2，所以我們必須要有 Gamma校正的機(jī)制，使得TFT LCD呈現(xiàn)出來的亮度是與人眼感覺相符。

基本的原理是，類似模仿陰極射線管CRT的響應(yīng)特性，TFT LCD顯示通過電光轉(zhuǎn)換的方法將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，液晶屏的透過率與電壓的關(guān)系是非線性的，需要在轉(zhuǎn)換系統(tǒng)過程中對(duì)于這一非線性關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償。同樣，人眼視覺對(duì)于光亮度的反應(yīng)亦具有非線性的感知關(guān)系，大致呈指數(shù)關(guān)系。

光亮度與人眼對(duì)灰度的識(shí)別是指數(shù)函數(shù)，人眼可以分辨出大于 1%的光強(qiáng)度差。實(shí)現(xiàn)顯示圖像的再生過程，需要對(duì)人眼的感知與輸入電信號(hào)之間的非線性關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償，所以gamma校正便是對(duì)這種非線性關(guān)系的補(bǔ)償，下圖為光電傳輸在信號(hào)輸入與人眼感知之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系圖。通常LCD Gamma值設(shè)定為 2.2，當(dāng)Gamma數(shù)值不符合人眼的感知，圖像將表現(xiàn)為暗處和亮處的灰階信號(hào)丟失這會(huì)直接影響到視頻處理和圖像質(zhì)量

一個(gè)顯示器的顯示，是由反映景物的初始數(shù)據(jù)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)顯示不同灰階而顯示出圖像，最后由人眼接收到這個(gè)景物，由圖 2-5 所示。為了顯示效果的更加好，保證圖像的層次感，LCD 顯示由最亮到最暗可分為 N 級(jí)灰度不同灰度級(jí)的亮度 L 由灰度級(jí)數(shù)、背光源亮度及選定的 gamma 值確定。TFT-LCD 圖像顯示滿足亮度公式，其中 Kbacklight 為背光源亮度，GL 為灰度級(jí)，γ為調(diào)解系數(shù)即 gamma 系數(shù)，T為液晶盒的透過率。

校正過程是通過對(duì)于模組驅(qū)動(dòng)電壓的調(diào)節(jié)，使灰度級(jí)與亮度數(shù)量關(guān)系的歸一化曲線滿足 gamma 值為 2.2 時(shí)，如見圖 2-6 所示，TFT LCD 的圖像能夠達(dá)到較好的還原效果

gamma電壓設(shè)定：

硬件方面：gamma電阻串分壓

軟件方面：寄存器寫入

4Gamma異常的影響因素分析

在排除模組異常的情況下，Panel的Gamma調(diào)整出現(xiàn)異常，從Panel層面來分析，就是分析影響灰階透過亮度的因子，分解如下：

①TFT側(cè)：各層線幅、膜厚——通過電壓影響液晶的偏轉(zhuǎn)

②液晶盒內(nèi)：

液晶的預(yù)傾角——影響液晶偏轉(zhuǎn)

盒厚——直接影響光的透過情況

③CF側(cè)：

各層膜厚——影響光的透過率，影響灰階灰度

RGB、BM的寬度——影響開口率，影響光的透過率

PS的高度——影響盒厚

5結(jié)束語

TFT LCD的 gamma 校正過程主要是根據(jù)以上所說的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行的。要想達(dá)到 gamma 2.2 的顯示效果，首先要做的是測試 LCD 的光電曲線，了解LCD 的光電曲線上才能進(jìn)一步進(jìn)行后續(xù)的調(diào)試。然后是根據(jù)光電曲線，再結(jié)合使用驅(qū)動(dòng) IC 的條件來計(jì)算各驅(qū)動(dòng)電壓，如 Vcom、Vsouce 等，同時(shí)需考慮并避免 LCD 的顯示出現(xiàn)閃爍問題，并根據(jù)實(shí)際的情況選擇合適的驅(qū)動(dòng)電壓，并根據(jù)驅(qū)動(dòng) IC 的軟件參數(shù)情況來設(shè)置各電壓值。最終使gamma值接近2.2的水平。

審核編輯：湯梓紅