TFT中Gamma的调试原理

1什么是Gamma？

Gamma的概念源自于CRT响应曲线，最开始是用于反映显像管的图像亮度与输入电子枪的信号电压之间，非线性关系的一个参数。对于CRT显示器而言，电子流大小影响显示的图像亮度大小，而电子流大小与输入电压间成指数关系，图1所示：

图1

因此，简单地说，Gamma是用来表征显示器亮度响应特性的一个参数。通常CRT显示器的显示亮度与输入电平的关系接近一条曲线，图2所示；水平方向表示输入的电平，纵向表示显示的亮度。

对图2进行归一化处理后，得到图3所示的曲线，该曲线与函数y=xⁿ（n=2.2）非常接近。这个就是显示屏的亮度响应曲线，指数2.2就是Gamma值。

CRT显示屏的Gamma值为2.2是因为这样的显示特性比较符合人眼视觉特性：

①Gamma偏大：整体图像偏暗，暗场景中的细节容易丢失；

②Gamma偏小：整体图像偏亮，图像变得朦胧，层次感变差。

图4左边是不同Gamma的响应曲线，右边是16灰阶图像的对比。

从图中可以看到：

①γ=1.8时，整体偏亮，层次感较差

②γ=2.6时，整体偏暗，最左边两个暗阶已经无法分辨开

只有γ=2.2时，各灰阶的整体层次感较好。

由于发光原理的不同，液晶显示屏的亮度响应曲线与CRT的不同，是一条“S”形曲线，Gamma值较大，如下图所示：

2TFT-LCD 为什么要校正Gamma

对于 TFT 液晶显示器来说，将调节输入的电压信号大小来在屏幕上产生相应的亮度输出，就是说通过改变输入电压的大小来达到控制显示器的显示亮度，但是屏幕上的显示的亮度与输入的电压信号不成正比。液晶显示器的输入电压值 (V)与透射率(T) 之间的关系称为 V-T 关系曲线，也就是光电曲线。液晶显示器的显示单元是液晶盒，因此 V-T 关系曲线实际上反应了液晶盒的电光响应特性。人的眼睛观察液晶显示器时，亮度大小的变化会相应地引起人眼明暗感觉变化，而当亮度不提高时，人眼视觉的明暗变化会不断趋于饱和。

液晶显示器屏上所显示的图像由最高到最暗可分为许多的灰阶，不同灰阶的亮度通过不同灰阶上的gamma指数函数来决定。就液晶显示器来说，不同的输入电压信号会在屏幕上产生不同的亮度输出，但当液晶显示的亮度与输入的电压信号不是正比时，就可能会存在显示图像的失真，这种失真是由于人的眼睛对光的感应的原因。在人的眼睛对光的感应上，因为一般人的眼睛能识别的最大分辨的差异是在 1/100，就是说如果在 100 根烛光的图像中你最大可能识别出来的是 99 根烛光或者是 101 根烛光，但是如果你在一个比较暗的环境中观察暗画面，比如 1 根烛光时，这时你能分辨出 0.01 烛光的亮度差异，也是说在当 1根烛光以下一般人也能分出 100 多个的灰阶，但是因为液晶显示器在全暗的图像时最低能表现的是只有才 0.4~0.8 根烛光。

一般所说的对比度，是指显示画面中的最亮除以最暗的亮度。当液晶显示器如果要完整的表现出高度真实的图像时，无论是高亮度的图像或低亮度的画面图像都能表现时，就需要LCD的对比度要在 5000:1 以上，而我们的TFT LCD目前最大一般只能做出1200:1左右，我们就必须用gamma修正来作补偿

Gamma曲线就是液晶显示器的电光响应的曲线，也是人的眼睛对光的一种感应曲线。对一个常人来说，人眼对光线的感应是一条非线性的光电曲线,并且对液晶显示器上的显示出的光线会感应出不一样的曲线，因此在设计LCD时，设计出专门的gamma曲线，以满足对人的眼睛的感光细胞，达到心理上良好的视觉效果。实际的景色环境，只有正确设置gamma曲线才可以获得最真实的视觉感受。

Gamma的大小对显示的影响至关重要，大小不同的Gamma值参数设定对LCD的亮度有较大的差别，当gamma比较小的时候，在高亮的地方的灰阶差异比较大，更能清晰显示高亮的灰阶，当gamma值比较小时，在低亮的灰阶的差异比较大，更能清晰显示低亮的灰阶，所以gamma需选择一个适合值，才能将显示的亮度表现到最佳。对于全国电视系统委员会制式(National Television Systems Committee，NTSC)色域机制，gamma取 2.2为考虑人眼观测舒适度时的最佳取值。

每一个模块都有一个液晶的光电曲线，不同的曲线对应不同的效果。每一个模组 (Liquid Crystal Module，LCM)的最后得到的光电曲线，由二部分决定。一部分是液晶上的光电曲线，另一部分是驱动 IC 上的驱动电压曲线，这二部分的最后综合的结果，就是我们可以在液晶显示器上看到的画面。寻找一种合适的方法，校正 TFT LCM的 gamma 为 2.2，适合人眼的观察需要。

3Gamma的校正原理

由于人眼视觉对光线亮度的感受程度并非是线性，这非线性的关系与液晶模型本身的转换比例的曲线并不相符。人眼视觉感觉舒适的亮度与液晶显示屏幕为一理想的线性系统是相违背的。

换言之，液晶显示屏幕原本预期屏幕为一理想的线性系统，所以输出线性的数字影像数据，即是液晶显示屏幕期望多少亮度就必须由显示驱动送出对应的数字影像数据，此时使用 gamma 值的参数值为 1来表示液晶显示屏幕输出线性的数字影像数据给屏幕，但由于液晶模型本身的特性所致，造成传送转换比例的曲线，呈现出来的亮度关系也并非是眼所感觉的亮度，因为人眼所感觉光的亮度为 Gamma=2.2~2.5。所以我们须将液晶模型本身特性所致的传送转换比例的曲线校正为人眼所预期的亮度即设置Gamma=2.2~2.5。

由于人的眼睛感受显示器的亮度强度是呈现指数函数关系，通常是以Gamma 参数值来表示，如图2-4，然而TFTLCD 显示的亮度不是人眼所预期的Gamma=2.2，所以我们必须要有 Gamma校正的机制，使得TFT LCD呈现出来的亮度是与人眼感觉相符。

基本的原理是，类似模仿阴极射线管CRT的响应特性，TFT LCD显示通过电光转换的方法将电信号转换为光信号，液晶屏的透过率与电压的关系是非线性的，需要在转换系统过程中对于这一非线性关系进行补偿。同样，人眼视觉对于光亮度的反应亦具有非线性的感知关系，大致呈指数关系。

光亮度与人眼对灰度的识别是指数函数，人眼可以分辨出大于 1%的光强度差。实现显示图像的再生过程，需要对人眼的感知与输入电信号之间的非线性关系进行补偿，所以gamma校正便是对这种非线性关系的补偿，下图为光电传输在信号输入与人眼感知之间的转换关系图。通常LCD Gamma值设定为 2.2，当Gamma数值不符合人眼的感知，图像将表现为暗处和亮处的灰阶信号丢失这会直接影响到视频处理和图像质量

一个显示器的显示，是由反映景物的初始数据，经驱动电路驱动显示不同灰阶而显示出图像，最后由人眼接收到这个景物，由图 2-5 所示。为了显示效果的更加好，保证图像的层次感，LCD 显示由最亮到最暗可分为 N 级灰度不同灰度级的亮度 L 由灰度级数、背光源亮度及选定的 gamma 值确定。TFT-LCD 图像显示满足亮度公式，其中 Kbacklight 为背光源亮度，GL 为灰度级，γ为调解系数即 gamma 系数，T为液晶盒的透过率。

校正过程是通过对于模组驱动电压的调节，使灰度级与亮度数量关系的归一化曲线满足 gamma 值为 2.2 时，如见图 2-6 所示，TFT LCD 的图像能够达到较好的还原效果

gamma电压设定：

硬件方面：gamma电阻串分压

软件方面：寄存器写入

4Gamma异常的影响因素分析

在排除模组异常的情况下，Panel的Gamma调整出现异常，从Panel层面来分析，就是分析影响灰阶透过亮度的因子，分解如下：

①TFT侧：各层线幅、膜厚——通过电压影响液晶的偏转

②液晶盒内：

液晶的预倾角——影响液晶偏转

盒厚——直接影响光的透过情况

③CF侧：

各层膜厚——影响光的透过率，影响灰阶灰度

RGB、BM的宽度——影响开口率，影响光的透过率

PS的高度——影响盒厚

5结束语

TFT LCD的 gamma 校正过程主要是根据以上所说的理论基础上进行的。要想达到 gamma 2.2 的显示效果，首先要做的是测试 LCD 的光电曲线，了解LCD 的光电曲线上才能进一步进行后续的调试。然后是根据光电曲线，再结合使用驱动 IC 的条件来计算各驱动电压，如 Vcom、Vsouce 等，同时需考虑并避免 LCD 的显示出现闪烁问题，并根据实际的情况选择合适的驱动电压，并根据驱动 IC 的软件参数情况来设置各电压值。最终使gamma值接近2.2的水平。

审核编辑：汤梓红