1、引言

　　全彩色发光二极管(LED)显示屏在亮度、色彩鲜艳度等方面的优势,使其在公众多媒体显示领域一枝独秀,已经广泛应用于金融证券、体育场、车站、公路交通、机场等诸多公众多媒体显示领域[1鄄4] 。近年来,随着人们对显示屏清晰度(单位面积像素分辨率)要求的不断提高和相关技术的进步,LED 显示屏呈现出明显的高密度发展趋势。高密度LED 显示屏通常是指像素间距小于3mm 的全彩LED 显示屏,其点密度大于111 111pixels/ m2。该类产品融合了LED 显示屏领域最先进的设计理念和制造工艺,是显示屏领域最前沿、最高端的发展方向。随着LED 显示屏清晰度的不断提高,莫尔条纹现象对像质的劣化比重愈加明显,已成为影响画质的主要因素。目前,绝大多数商用高密度LED 显示屏都没有对此采取适当的抑制措施,从而严重降低了视频转播和拍摄的画面质量。

　　本文在深入分析LED 显示屏莫尔条纹现象的成因的基础上,提出一种应用于高密度LED 显示屏的莫尔条纹抑制方法和装置。该装置实施方便灵活,对显示模块整体厚度的增加量小,且不受显示屏整体尺寸限制,可大幅度降低图像中莫尔条纹的对比度,不但可以应用于常规平面显示屏,而且也适用于非常规异形LED 显示屏。

　　2、理论分析

　　2. 1摇莫尔条纹成因分析

　　“莫尔冶(Moir佴)一词来自于法语,表示水波纹或波状花样。几百年前,法国人发现一种现象:当两层被称作莫尔丝绸(Moir佴silk)的绸子叠在一起时将产生复杂的水波状图案,如果薄绸之间相对移动,图案也会随着幌动。这种图案被称为莫尔或莫尔条纹。

　　数字拍摄中莫尔条纹的产生原因主要有两个:混叠与拍频。

　　2. 1. 1频率混叠

　　当使用数字相机对被拍摄景物进行图像采样时,由于感光元件像素本身的离散性和尺寸的有限性,致使高于采样频率fs(感光元件的像素空间频率)1/2 的图像信号频率成分fI 不满足Nyquist采样定理,即:

　　这部分空间频率会被重构成低于采样频率1/2 的干扰,从而在图像输出端产生低频噪声(莫尔条纹)。

　　频率混叠是由数字拍摄设备造成的,可以通过提高采样频率(减小像素尺寸)、引入空间低通滤波器[9] 或通过相关软件算法进行处理来避免或减弱。频率混叠产生的莫尔条纹现象发生在所有使用数字拍摄设备的采样过程中(尤其发生在对含有大量高频成分的景物进行拍摄时),不仅仅限于对LED 显示屏的采样,且并非LED显示屏莫尔条纹现象的主要成因。

　　2. 1. 2差频

　　差频或“拍频冶莫尔条纹现象发生在采样频率与信号频率相近时。全彩LED 显示屏是由许多个LED 小发光点,即像素,按照行列形式排布而成。通常用符号Px 来表示相邻像素间的距离,如:P2 表示像素间隔为2 mm 的LED 显示屏。

　　设LED 显示屏经光学镜头成像到相机感光元件后,屏幕像素间隔对应的空间频率为k1,相机感光元件像素对应的空间频率为k2。根据傅里叶光学原理[12] ,在采样积分时间内,二者在坐标系某一方向x 上的光强合成可以表示为:

　　其中,A 和B 分别为信号源的光强振幅和采样光学系统的增益;n 和m 分别为信号和采样频率的基频( n,m = 1 )和高次谐波n,m = 2,3,… 。当满足一定条件时,即:nk1 和mk2 较为接近,式(2)中的cos(nk1 - mk2)x 项会衍生出明显的低频调制噪声(莫尔条纹)。该项为LED 显示屏产生莫尔条纹的主要成因,本文也是主要针对该部分莫尔条纹噪声进行抑制。

　　2. 2莫尔条纹抑制装置

　　由式(2)可知,对莫尔条纹的抑制可通过降低LED 显示屏的像素光强振幅A 来实现。在光能量守恒的前提下,降低振幅A 意味着减小空间调制频率k1,即增大显示屏像素的填充因子[13] 。

　　根据以上分析,我们设计了适合高密度LED显示屏的莫尔条纹抑制装置。装置主要由若干彼此平行、距离间隔不等、不同表面粗糙度的光散射膜组成。光散射膜的作用是使光强空间分布匀化,提高显示屏的像素填充因子。其中,光散射膜的数量、彼此间的距离、表面粗糙度可根据显示屏的不同像素间隔P 进行调节。