Contents
Mô hình màu RGB
Định nghĩa mô hình màu RGB
Mô hình RGB quan trọng cho màn hình LED
Mô hình màu RGB sử dụng mô hình bổ sung trong đó ánh sáng đỏ, xanh lục và xanh lam được tổ hợp với nhau theo nhiều phương thức khác nhau để tạo thành các màu khác. Từ viết tắt RGB trong tiếng Anh có nghĩa là đỏ (red), xanh lục (green) và xanh lam (blue), là ba màu gốc trong các mô hình ánh sáng bổ sung. Cũng lưu ý rằng mô hình màu RGB tự bản thân nó không định nghĩa thế nào là “đỏ”, “xanh lục” và “xanh lam” một cách chính xác, vì thế với cùng các giá trị như nhau của RGB có thể mô tả các màu tương đối khác nhau trên các thiết bị khác nhau có cùng một mô hình màu. Trong khi chúng cùng chia sẻ một mô hình màu chung, không gian màu thực sự của chúng là dao động một cách đáng kể.
Áp dụng RGB với màn hình LED Full Color
Kết xuất màu chính xác là một vấn đề thiết yếu và thường bị hiểu lầm trong thiết kế bảng hiệu điện tử, bảng quảng cáo và màn hình LED. Bảng hiệu trạng thái rắn mang lại hiệu quả năng lượng, tuổi thọ cao và khả năng hiển thị chính xác màu sắc rực rỡ trên một loạt các mức độ sáng. Những khả năng này có thể được sử dụng để tạo ra các dấu hiệu bắt mắt, màn hình và thậm chí các bức tường phương tiện, có khả năng cung cấp một hỗn hợp động của văn bản, hình ảnh, hoạt hình và nội dung video của màn hình LED Full Color (Hình 1). Tuy nhiên, để cung cấp khả năng hiển thị màu sắc chính xác, sống động mà các ứng dụng này yêu cầu, thiết bị điện tử của dấu hiệu phải có khả năng kiểm soát chính xác đối với sự tăng màu và cường độ của từng pixel trong mảng.
Cho dù màn hình LED Full color sử dụng đèn LED xuyên lỗ hoặc bề mặt, một trong những thách thức lớn nhất liên quan đến thiết kế của nó là đảm bảo nó có thể cung cấp ánh sáng trắng chất lượng cao, nhất quán. Mặc dù hầu như tất cả các TV (và nhiều màn hình CRT khác) sử dụng tỷ lệ pha trộn RGB 3: 6: 1 tiêu chuẩn (cường độ tương đối của ba thành phần màu chính) để tạo ra giá trị màu trắng tiêu chuẩn, có một số yếu tố không đảm bảo nó sẽ hoạt động cho các ứng dụng dựa trên LED.
Hình 2
Nửa đầu của bài viết này sẽ giới thiệu ngắn gọn về các nguyên tắc cơ bản của lý thuyết pha màu và sử dụng chúng để minh họa tại sao tỷ lệ pha trộn 3: 6: 1 thường được sử dụng trong các hệ thống TV phát sóng tạo ra kết quả kém hiệu quả hơn khi áp dụng vào biển LED quảng cáo và một số ứng dụng khác. Một phương pháp đơn giản để tính toán các giá trị cần thiết để thực hiện trộn RGB chính xác trong các hệ thống LED được trình bày trong nửa sau của bài viết.
Trộn màu và nguồn gốc của 3: 6: 1
Sự pha trộn màu sắc phát triển từ một nghệ thuật thành một môn khoa học vào đầu thế kỷ 20 với sự xuất hiện của các công nghệ in tốc độ cao đòi hỏi sự tái tạo màu chính xác, có thể lặp lại từ một số lượng mực hoặc thuốc nhuộm hạn chế. Vài thập kỷ sau, nó đã phát triển một lần nữa để đáp ứng nhu cầu thiết kế ánh sáng hiện đại và một lần nữa tạo ra hình ảnh chính xác màu bằng cách sử dụng các chấm màu đỏ, xanh lục và xanh lam (RGB) được tìm thấy trong CRT được sử dụng trong TV và màn hình. Một trong những ảnh hưởng chính trong nỗ lực này là Ủy ban Tiêu chuẩn Truyền hình Quốc gia (NTSC), được thành lập bởi Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ để hỗ trợ phát triển hệ thống truyền hình analog vào năm 1940 và phổ biến dần ở Việt Nam những năm 80 của thế kỷ trước.
Các tiêu chuẩn ban đầu này phụ thuộc rất nhiều vào không gian màu RGB của Ủy ban Quốc tế về Chiếu sáng (CIE) 1931 mô tả màu sắc trên hầu hết phạm vi nhận thức màu của con người theo ba nguyên tắc đơn sắc ở bước sóng chuẩn hóa là 435,8nm (tím), 546,1nm (xanh lục) và 700nm (màu đỏ). Công việc đó là cơ sở để tạo ra không gian màu CIE xyz, mô tả màu sắc là một hàm của độ chói (y) và hai giá trị (x & z) đại diện cho phản ứng tổng hợp của mắt người, dài và trung bình – bước sóng hình nón đến các tần số ánh sáng khác nhau. Vì các giá trị x và z tương ứng gần đúng với màu đỏ và màu xanh lam, thật hấp dẫn (nhưng gây hiểu lầm) khi nghĩ về chúng như các giá trị màu. Trong thực tế, các giá trị này thực sự là các tham số xuất phát từ các đặc tính đáp ứng tần số của mắt.
Bảng 1
Biểu đồ sắc độ không gian màu CIE 1931 xy (CIE 1931 2 °) trong Hình 2 là hình hai chiều xuất phát từ không gian màu CIE xyz ba chiều. Mô hình đơn giản hóa này là một công cụ hữu ích để khớp màu cũng như hiểu các mối quan hệ khác giữa hai hoặc nhiều màu . Đường cong ranh giới ngoài của không gian sắc độ 2D được hình thành bởi các điểm quang phổ (đơn sắc) với các bước sóng tương ứng được ghi nhận bằng nanomet. Đường thẳng ở dưới cùng của không gian được gọi là đường kẻ tinh khiết vì nó mô tả phản ứng của mắt đối với sự liên tục của tỷ lệ giữa màu đỏ và màu xanh.
D65 mục tiêu trắng
Tỷ lệ pha trộn RGB 3: 6: 1 thường được sử dụng bắt nguồn từ nghiên cứu ban đầu này, được tạo ra như một công cụ để tạo ra một điểm trắng cụ thể bằng cách sử dụng các tham số so màu được xác định trước của phốt pho CRT. Lưu ý rằng hỗn hợp 3: 6: 1 thực tế là kết quả của hành động CIE vào năm 1964 khi cơ quan tiêu chuẩn khuyến nghị D65 làm tiêu chuẩn chính cho đèn chiếu sáng ban ngày. Hành động này đã báo trước nguồn gốc của tỷ lệ pha trộn 3: 6: 1 RGB, xảy ra khi đèn chiếu sáng D65 sau đó được NTSC áp dụng.
Hình 3 cho thấy tọa độ của các photpho hoặc chất phát xạ màu đỏ, xanh lục và xanh lam tương ứng và đèn chiếu sáng mục tiêu trắng D65 được vẽ trong sơ đồ CIE 1931. Tỷ lệ pha trộn cần thiết để tạo ra màu mục tiêu từ các nguồn chính đạt được bằng cách tính khoảng cách tương đối trong không gian màu giữa các tọa độ của photpho hoặc bộ phát trong trường hợp đèn LED và màu đích. Theo quy ước, các giá trị kết quả sau đó được chuẩn hóa theo nguồn màu xanh để đơn giản hóa các tính toán tiếp theo.
Một kỹ thuật đại số đơn giản có thể được áp dụng cho tọa độ của các điểm màu chính để giải quyết tỷ lệ pha trộn cần thiết để tạo ra chất chiếu sáng mục tiêu (xem phía dưới: Đá Tính toán các giá trị trộn màu RGB bằng cách sử dụng trung tâm của phương pháp trọng lực). Ví dụ được mô tả trong thanh bên sử dụng tọa độ màu của các photpho R, G và B và đèn chiếu sáng mục tiêu trắng D65 để tạo ra tỷ lệ pha trộn là 2,77: 5,79: 1, thường được xấp xỉ là 3: 6: 1.
Hình 3
3: 6: 1 có thể không áp dụng cho đèn LED
Không giống như các photpho tiêu chuẩn được sử dụng trong CRT TV trước đây, các bộ phát màu đỏ, xanh lam và xanh lục được sử dụng trong các hệ thống chiếu sáng hiện đại có các đặc điểm quang phổ (nghĩa là chúng chiếm các tọa độ màu khác nhau trong không gian màu), trong hầu hết các trường hợp, không khớp với nhau những chất tương ứng được sử dụng trong các ứng dụng TV. Các đặc tính phổ của đèn LED chủ yếu được xác định bởi cấu trúc tiếp giáp của chúng với lượng phát xạ được điều chỉnh theo bước sóng chính trong quá trình sản xuất. Chẳng hạn, đầu ra của đèn LED màu xanh lá cây có thể nằm trong khoảng từ 520nm đến 540nm, với bước sóng chiếm ưu thế của một thiết bị cụ thể tạo ra bộ tọa độ màu độc đáo của riêng nó. Điều này lần lượt ảnh hưởng đến tỷ lệ RGB cần thiết để tạo ra chính xác màu trắng hoặc bất kỳ màu nào khác thông qua quy trình phụ gia.
Bảng 1 minh họa tỷ lệ pha trộn RGB cần thiết để tái tạo điểm trắng mục tiêu thay đổi tùy theo tọa độ màu của các bộ phát màu chính được sử dụng. Trong ví dụ này, hai bộ đèn LED RGB có các đặc điểm phát màu đỏ và xanh lục giống hệt nhau, nhưng các bộ phát màu xanh lam của chúng có các bước sóng chiếm ưu thế khác nhau (lần lượt là 465 nm và 476nm). Rõ ràng là việc thay đổi ngay cả một bước sóng chiếm ưu thế của đèn LED sẽ dẫn đến những thay đổi đáng kể về giá trị của tỷ lệ pha trộn RGB cần thiết để phù hợp với điểm trắng mục tiêu D65. Bộ đèn LED với bộ phát màu xanh lam 476nm sẽ yêu cầu tỷ lệ pha trộn RGB 2.1: 4.3: 1.0 nhưng chỉ cần thay đổi thành bộ phát 465-nm sẽ chuyển nó thành 4.1: 10.6: 1.
Từ những kết quả này, rõ ràng là nếu tỷ lệ pha trộn 3: 6: 1 tiêu chuẩn được áp dụng cho hầu hết các nguồn LED, màu sắc chúng tạo ra sẽ khác biệt đáng kể so với điểm trắng tiêu chuẩn phát sóng D65 hoặc bất kỳ điểm trắng nào khác mà khách hàng có thể thích. Ngoài ra, bất kỳ màu nào khác mà màn hình cố gắng tạo ra có liên quan đến điểm trắng bị lỗi cũng sẽ bị biến dạng tương tự.
Tính toán cường độ sáng của đèn LED
Để tạo ra giá trị trắng thực và đạt được hiển thị màu chính xác trong màn hình trạng thái rắn, dòng điện cho đèn LED của chúng phải được lấy bằng tỷ lệ pha trộn RGB mới được tính lại từ tọa độ màu của đèn LED thực tế được sử dụng trong dấu hiệu và điểm trắng mong muốn của nó. Tỷ lệ pha trộn RGB vẫn có thể được suy ra theo cách tương tự như được thực hiện với màn hình dựa trên CRT. Trong nhiều trường hợp (bao gồm cả bài tập này), các giá trị có thể được lấy bằng các bảng kỹ thuật hoặc các ứng dụng phần mềm có sẵn. Nếu cả hai công cụ này đều không có sẵn, tỷ lệ pha trộn RGB thích hợp có thể được lấy từ chi tiết trong thanh bên.
Trong ví dụ này, chúng tôi sẽ thực hiện các tính toán hiện tại của ổ đĩa bằng cách sử dụng dữ liệu từ Bảng 2, chứa tọa độ để lấy mẫu các chất phát sáng tiêu chuẩn phổ biến nhất được sử dụng làm điểm trắng đích cho các tính toán trộn RGB. Nếu ứng dụng yêu cầu, tọa độ được liên kết với điểm trắng mục tiêu của khách hàng có thể được sử dụng thay cho tọa độ chuẩn.
Hình 4
Khi tỷ lệ pha trộn RGB được lấy từ một bộ đèn LED cụ thể và đèn chiếu sáng điểm trắng mục tiêu, chúng ta có thể xác định dòng điện phải được áp dụng cho các bộ phát màu đỏ, xanh lục và xanh lam để tạo ra màu trắng kết quả tương tự như mục tiêu điểm trắng. Đối với mục đích của bài tập này, chúng tôi sẽ giả sử màn hình LED RGB hiển thị độ chói mục tiêu mong muốn là 8000 cd / m2 với độ phân giải pixel là 12,5 mm. Quy trình lấy dòng ổ RGB từ các tỷ lệ trộn được trình bày chi tiết theo các bước sau.
Đầu tiên chúng ta tính toán các giá trị trộn RGB. Trong trường hợp này, chúng tôi thu được tỷ lệ trộn RGB từ bộ dữ liệu LED thứ hai được trình bày trong Bảng 1 (4.1: 10.6: 1.0). Chúng tôi tổng hợp tỷ lệ đó (4.1 + 10.6 + 1.0 = 15.7) để chuẩn bị cho các tính toán tiếp theo.
Thông số kỹ thuật đèn LED
Tiếp theo, bạn phải tham khảo bảng dữ liệu kỹ thuật cho mỗi đèn LED và lưu ý giá trị cường độ sáng điển hình cho màu đỏ, xanh lá cây và xanh dương. Trong ví dụ này, chúng tôi sẽ sử dụng các giá trị tiêu biểu tương ứng là 0,745 cd, 1,60 cd và 0,38 cd.
Bây giờ, chúng tôi tính toán cường độ mục tiêu trên mỗi pixel bằng cách sử dụng độ chói mục tiêu (TL) và cường độ pixel (PP) mong muốn theo milimet bằng công thức:
Cường độ mục tiêu (cd) = TL × (PP / 1000) 2 = 8000 × (12.5 / 1000) 2 = 1.25 cd.
Bảng 2
Khi đã xác định tổng cường độ yêu cầu trên mỗi pixel, chúng ta có thể tính toán cường độ sáng tương ứng cần thiết cho các bộ phát màu đỏ, lục và lam bằng công thức:
(Giá trị trộn R, G hoặc B / Tổng giá trị trộn RGB) × Cường độ mục tiêu:
Đỏ = (4.1 / 15.7) × 1.25 = 0.3264cd
Green = (10.6 / 15.7) × 1.25 = 0.84395 cd
Blue = (1.0 / 15.7) × 1,25 = 0,0796 cd
Tiếp theo, chúng ta phải quay trở lại bảng dữ liệu LED. Bạn có thể ước tính dòng điện cần thiết để tạo ra cường độ sáng mong muốn bằng cách sử dụng biểu đồ dòng điện so với ánh sáng đầu ra trong biểu dữ liệu LED (Hình 4). Sử dụng biểu đồ ví dụ, các dòng ổ cần thiết để tạo ra cường độ sáng mong muốn cho ba bộ phát là khoảng 8,8 mA cho màu đỏ, 10,5 mA cho màu xanh lá cây và 4,2 mA cho màu xanh lam. Các yêu cầu hiện tại này có thể được sử dụng để xác định các giá trị thành phần phần cứng được sử dụng để phân cực IC điều khiển và các giá trị biến được sử dụng để đặt phạm vi đầu ra của phần mềm trình điều khiển LED.
Mang lại màu sắc tối ưu
Bài tập này minh họa các thách thức liên quan đến việc đạt được đầu ra mục tiêu trắng chính xác từ màn hình LED là kết quả của các đặc tính quang phổ của đèn LED màu đỏ, xanh lục và xanh lam. Các đèn LED được sử dụng cho các dấu hiệu điện tử có các đặc tính quang phổ không giống với các loại phốt pho tương ứng được sử dụng trong màn hình CRT truyền thống.
Sử dụng tỷ lệ 3: 6: 1 truyền thống sẽ dẫn đến việc tái tạo không chính xác một vật phát sáng trắng mục tiêu. Một tỷ lệ mới nên được tính cho mỗi ứng dụng. Những tính toán này cũng được thực hiện bằng cách sử dụng mức độ điểm trắng và độ chói mục tiêu mà khách hàng muốn sử dụng cho thiết kế cụ thể của họ. Trong các ứng dụng dựa trên đèn LED này, tỷ lệ pha trộn phải được tính toán dựa trên các đặc tính phổ cụ thể của ánh sáng được tạo ra bởi các bộ phát màu đỏ, lục và lam trước khi xác định các yêu cầu hiện tại của từng thiết bị.
Thủ tục đơn giản chi tiết ở đây là một công cụ quan trọng để thiết kế các dấu hiệu đầy đủ màu sắc. Nó cho phép kỹ sư chọn các đèn LED và giá trị ổ đĩa đảm bảo màn hình đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất của khách hàng. Phương pháp này cũng cho phép nhà thiết kế ước tính nhanh tỷ lệ pha trộn RGB và đáp ứng các yêu cầu hiện tại cho ứng dụng nếu thay đổi xảy ra đối với đèn LED được sử dụng và do đó tọa độ màu, đến điểm trắng đích, tới điểm ảnh pixel hoặc cho điểm ảnh độ chói mục tiêu.
Bạn cũng có thể tham khảo khu vực màu đen và cách tối ưu để hiểu rõ hơn về màu sắc cho màn hình LED Full Color.
Tính toán các giá trị trộn màu RGB bằng phương pháp trọng tâm
Trong thực tế hàng ngày, nhà cung cấp màn hình LED hoặc các sản phẩm chiếu sáng màu khác thường bán ra vô vàn sản phẩm có thể có được tỷ lệ pha trộn cho màu mục tiêu từ các gói phần mềm có sẵn rộng rãi. Tuy nhiên, đối với một người không quen thuộc với lý thuyết pha trộn màu sắc, việc tạo ra các tỷ lệ bằng tay sử dụng kỹ thuật được trình bày ở đây sẽ giúp phát triển sự hiểu biết tốt hơn về quy trình.
Có ba phương pháp thường được sử dụng để lấy tỷ lệ pha trộn màu phụ gia trong màn hình và hệ thống chiếu sáng: phương pháp giá trị tristimulus, trọng tâm và sơ đồ vectơ.
Với mục đích của hướng dẫn này, chúng tôi sẽ sử dụng kỹ thuật trọng tâm để minh họa tỷ lệ pha trộn màu 3: 6: 1 được sử dụng bởi hầu hết các màn hình có báo giá vừa phải dựa trên CRT được lấy từ các đặc tính của màu đỏ, xanh lục và xanh lam tiêu chuẩn phốt pho và D65 nhắm mục tiêu chiếu sáng trắng, được xác định bởi ngành công nghiệp truyền hình đầu tiên và vẫn còn được sử dụng cho đến ngày nay.
Các đặc điểm phổ của bộ phát LED màu đỏ, xanh lục và xanh lam được cung cấp trong bảng dữ liệu của nhà sản xuất dưới dạng tọa độ. Một bộ tọa độ tương tự xác định đèn chiếu sáng mục tiêu trắng D65, thường được chọn để phù hợp với các yêu cầu của ứng dụng đích và rất có thể được xác định bởi các yêu cầu của khách hàng đối với sản phẩm cuối cùng được đề cập. Khi tất cả các tọa độ được vẽ trên sơ đồ CIE 1931 (xem Hình 3 từ bài viết chính), chúng có thể được sử dụng để lấy các giá trị trộn RGB cần thiết để tạo ra ánh sáng trắng mục tiêu. Bạn lấy tập hợp tọa độ (x, y) được vẽ trong hình. 3 và làm việc thông qua một quá trình tương đối đơn giản của phương trình đại số để xác định hỗn hợp tỷ lệ. Để thuận tiện, các tọa độ đó là:
Đỏ: 0,67, 0,33
Xanh lục: 0,21, 0,71
Xanh lam: 0,14, 0,08
D65 Điểm trắng: 0,3128, 0,3262
Bước 1: Sử dụng các giá trị ban đầu, đầu tiên giải phương trình tuyến tính(y = mx + C)
mô tả một đường được hình thành giữa tọa độ màu đỏ và màu xanh đi qua Điểm màu tím (P). Trước tiên, bạn xác định độ dốc của đường (m RB ):
m RB = (y R – y B ) / (x R – x B ) = (0,33-0,08) / (0,67-0,14) = 0,4717
Bây giờ bạn có thể tính hằng số C bằng tọa độ màu xanh:
C RB = y B Gianm RB × x B = 0,08 – 0,4717 × 0,14 = 0,01394
Giải phương trình tuyến tính cho y thu được phương trình biểu diễn đường thẳng giữa điểm xanh và đỏ:
y = 0,4717x +0,01394
Bước 2: Bây giờ rút ra phương trình tuyến tính thứ hai (y = mx + c) mô tả đường thẳng được hình thành giữa điểm xanh và điểm tím và đi qua điểm trắng đích D. Các tọa độ D cung cấp tập hợp tọa độ thứ hai cần thiết cho đạo hàm cùng với tọa độ màu xanh lá cây.
m GD = (y G – y D ) / (x G – x D ) = (0.71-0.3292) / (0.21-0.3128 ) = -3,7043
C GD = y G -m GDB × x D = 0,71 – (- 3,7043 ) × 0,21 = 1,4879
y = -3,7043x +1.4879
Bước 3: Bây giờ chúng ta có hai phương trình tuyến tính với hai ẩn số. Do đó, chúng tôi tính toán tọa độ của điểm màu tím nằm ở điểm đánh chặn của hai phương trình tuyến tính.
y = 0,4717x +0,01394
y = -3,7043x +1.4879
Chúng ta có thể giải x vì các phương trình tuyến tính đều bằng y:
0,4717x +0,01394 = -3,7043x +1.4879
4.176x = 1.47394
x = 0.35296
Bây giờ chúng ta có thể giải cho y:
y = 0,4717 (0,35296) +0,01394 = 0,18045
Các tọa độ x và y kết quả cho điểm P màu tím là (0,35296, 0,18045).
Bước 4: Bây giờ chúng ta có thể tính tỷ lệ pha màu RGB cần thiết để tạo ra chất phát sáng D65 bằng cách áp dụng tỷ lệ của công thức hỗn hợp R = – (y2 / y1) × (y1-y3) / (y2-y3). Cơ sở hình học cho giải pháp được minh họa trong hình S1.
Chúng tôi kết hợp công thức từ Hình 5, tọa độ từ Hình 3 và tọa độ P được tính toán để sau đó tính toán các tỷ lệ, bắt đầu với tỷ lệ đỏ-xanh:
Hình 5
R RB = – (0,33 / 0,08) × (0,08-0.18045) / (0,33-0.18045) = 2.7707
Điều đó tương đương với tỷ lệ xanh-đỏ từ 1,0 đến 2,77. Tiếp theo, chúng tôi tính toán tỷ lệ xanh-tím bằng cách sử dụng các tọa độ màu lục, trắng và tím tương ứng là y1, y2 và y3:
R GP = – (0,71 / 0,18045) × (0,18045-0.3292) / (0,71-0.3292) = 1.53696
Tiếp theo, chúng tôi tính tỷ lệ của tỷ lệ màu đỏ cần thiết để tạo ra màu tím:
2.7707 / (2.7707 + 1.0) = 0.7348
Sau đó, chúng tôi tính tỷ lệ của tỷ lệ màu xanh cần thiết để tạo ra màu tím:
1.0 / (2.7707 + 1.0) = 0.2652
Kết quả tỷ lệ R: G: B không chuẩn hóa là: 0,7348: 1,53696: 0,265. Sau khi điều chỉnh tất cả các giá trị thành giá trị màu xanh được chuẩn hóa là 1.0, các giá trị tỷ lệ R: G: B ước tính sẽ trở thành: 2,77: 5,79: 1 hoặc khoảng 3: 6: 1.
Qua bài viết này HoangHaLED – Số 1 về màn hình LED mong các bạn đã hiểu được phần nào về LED RGB và những thứ liên quan đã đề cập trong bào viết !!!
