计算招牌板的像素中的多个发光二极管的驱动电流以在期望发光强度实现期望色彩的方法

摘要

一种方法，计算招牌板的像素中的LED的驱动电流，以在期望的发光强度实现期望的颜色。此方法特别适用于具有由四个或更多基色组成的像素的招牌板。该方法在色域内选择大量颜色，并且对于每个选择的颜色，该方法计算每个基本色的LED的驱动电流，使得所得到的所选择颜色的发光强度最大。使用所计算的驱动电流，该方法随后依比例调整驱动电流以在所期望的颜色中实现所期望的发光强度。例如，可以使用诸如线性编程的约束最大化技术来计算驱动电流。在一个实施例中，服从于全部驱动电流均不为负、并且它们总合小于预定值的约束，计算每个选择的颜色的驱动电流。在一个实施例中，以线性色彩空间为单位表示所选择的颜色。

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请涉及2007年8月8日提交、标题为“Apparatus for DynamicallyCircumventing Faults in Light Emitting Diodes(LEDS)of a Pixel in a GraphicalDisplay”的美国非临时专利申请No.11/836,125(承担的代理人立案号M-16380-7D US)，并且要求其优先权。对于美国指定(designation)，本申请是上述美国专利申请No.11/836,125的继续申请。

通过全文引用，将上面所列的专利申请的公开内容合并于此。

技术领域

本发明涉及基于发光二极管(LED)的招牌板。具体地，本发明涉及提高这种基于LED的招牌板的功能性和可靠性。

背景技术

发光二极管(LED)产生现代广告结构(structure)上显示的大部分活动(active)图像。在典型的招牌板上使用大量LED(例如，数十万到百万)来产生多彩的图像。因此，从LED组形成的像素以及它们关联的电子器件两者的可靠性是重要的设计考虑因素。因此，能够检测和处理LED故障而仅导致最小的中断时间是重要的。

在典型的招牌板中，以小的组来布置LED，每组提供正在显示的图像中的像元(像素)。每个像素能够显示宽范围的颜色(“色域(gamut)”)。典型地，每个像素¹(在本说明书中，像素可以包括在招牌板的区域(locality)内提供的一个或多个LED，以对远距离的观看者显示为显示器上的发光点。可以将形成像素的LED寻址和编程为单个单元、或分开的各个单元)由三种LED组成。每“种”LED可以由单个LED、或串联的LED串构成，提供特定颜色的光(“基色”)。普遍的LED提供红、绿和蓝光。通过正确地控制从每种LED发射的光强度，可以从每个像素产生具有多种多样颜色和强度的光。通过流经LED的电流来控制从每个LED种类发射的光强度。另外，人类心理视觉系统对比大约100Hz更快的光强度变化不敏感。由于这些原因，用于LED、或用于串联的LED串的典型驱动器由脉冲调制的电流源组成，以产生两个状态，即，不具有电流的状态、或具有为参考值的电流的状态。选择调制速率，使得波形基本上不具有存在于100Hz以下的能量。可以选择占空比，使得电流波形在时间上的平均值提供所需的来自LED的光强度。将所期望的占空比存储在计数器中，该计数器被数字电路预置为对应于从像素内的特定种类的LED(例如，发射红光的)期望的相对强度。电流的参考值I_ref例如提供由多个像素组成的整个图像显示的期望亮度。

为了构造、安装和维护的方便，典型的招牌板将其像素组织在组中，将每一组放置在公共结构或模块中。一组典型地由数百至数千像素组成。有时，进一步将每一组细分为多个部分，每部分由几个或几十个像素组成。然而，因为每个像素中的每个颜色必须与所有其它像素独立地被控制，所以无论何时在广告结构上显示的图像中产生变化，大量的数据都必须流至每个像素组。在这样的结构上显示运动画面将需要处理极大的数据流速率的能力。当代的招牌板使用许多并行电线(wire)来传输数据、以及附加电线用于控制和监控功能。因此，需要大量的连接器用以互联组件。连接器的成本和可靠性、制造成本和维护成本都暗示着用于实现互联的可选方法是令人期待的。

因为招牌板是大的户外结构，所以它们的暴露表面变脏，并且必须清洁以保持所显示的图像的质量和外观。另外，特别对于暴露于强日光的结构，表面还可能暴露于极大的热负荷。因此，清洁表面并控制热环境可以延长寿命并减少维修和维护成本。

发光显示器能够显示的整个颜色集称作其色域，其是发光元件能够产生的所有基色的函数(function)。典型地，LED集可以提供产生图像的色域，这些图像超过了生成或处理这些图像的显示系统的该色域容量。结果，可能没有完全利用招牌板上可用的色域。因此，显示的图像可能不具有引起注意或美感的效果，如果更加有效地利用该色域，引起注意或美感的效果将是可能的。

此外，在人类中，色彩感知随环境照明条件而变化。当背景亮度变化时，在亮的背景中感知的颜色看起来不同，使得在特定照明条件下，一些招牌板可能难以阅读，或者，图像似乎是错误的或不自然的颜色。因此，期望用于补偿由于环境光而导致的感知的色移的方法。

发明内容

根据本发明的一个实施例，一种方法计算招牌板的像素中的LED的驱动电流，以在期望的发光强度实现期望的颜色。此方法特别适用于具有由四(4)个或更多基色组成的像素的招牌板。该方法在色域内选择多个颜色，对于每个选择的颜色，该方法计算每个基本色的LED的驱动电流，使得得到的所选择颜色的发光强度为最大。使用所计算的驱动电流，该方法随后依比例调整(scale)该驱动电流以在所期望的颜色中实现所期望的发光强度。例如，可以使用诸如线性编程的约束最大化技术来计算这些驱动电流。在一个实施例中，服从于如下限制而计算每个选择颜色的驱动电流：所有驱动电流均不为负，并且每个驱动电流小于预定值。在一个实施例中，以线性色彩空间为单位表示所选择的颜色。

当考虑下面结合附图的详细描述时，本发明更好理解。

附图说明

图1示出根据本发明的一个实施例的、由人类心理视觉系统的色域的边界定义的区域100、以及表示可以由五(5)个LED种类构成的色域的说明性的假设的色域120。

图2-6分别示出当蓝色LED、蓝绿色LED、绿色LED、棕黄色LED和红色LED故障时所得的色域121-125。

图7是示出根据本发明的一个实施例的说明性像素700的框图。

图8图示了适合于在故障的检测器703中实施的一个检测方法。

图9示出根据本发明的一个实施例的、使用路由器或交换机901将一组交换机902-1至902-m分组的说明性互联，其中的每个连接至包含多个像素组的一组模块903-1至903-n。

图10示出根据本发明的模块的一个实现。

图11示出根据本发明的一个实施例的、具有液体流动性能的模块的外壳(enclosure)1100。

图12是示出区域100内的所感知的恒定色调线的CIE色度图，其表示实质上由人类感知的所有色彩。

图13示出表示增加色度的方向的小箭头，其中每个箭头的长度指示沿着产生色度变化的单位所需的恒定色调线的“距离”。

图14示出了减少通常与表面色彩关联的色彩附近的α的值的这样的函数的图。

图15示出了连接至大量LED串的包括若干个电流源的集成电路1500。

图16图示了使用并联冗余LED驱动器(其中并行电流源之一每次激活)以避免服务中断。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例，可以防止像素中的LED或布线中的故障。当检测到和定位LED中或布线中的故障时，可以动态地改变像素中的其它LED的强度，使得不管故障且直到进行维修为止，该像素可以基于该像素中的其它起作用的LED而继续运行(function)。在此布置下，该像素可以以很少或没有与该像素的输入(原始)三色激励值的显著差异而运行。在此实施例中，每个像素可以具有3个或更多不同种类的LED，每个LED提供光，该光有助于提供由像素坐标(x_i，y_i)的输入(原始)三色激励值指定的颜色。(当前的详细说明遵循G.Wyszechi和W.Stiles的Color Science：Concepts and Methods，Ouantitative Data and Formulae(第二版，John Wiley & Sons，Inc.纽约(1982))的色彩坐标协定(convention)，见第130-248页，尤其第137-142页，其用于对CIE比色系统的讨论。)

图1示出根据本发明的、由人类心理视觉系统(还已知为“CIE色度图”)的色域的边界定义的区域100、以及表示可以由五(5)种LED构成的色域的说明性的假设的色域120。在色域100的边界处，椭圆形曲线称为“光谱轨迹”，并且连接光谱轨迹的末端的直线是“紫色线”。光谱轨迹上的点每个均对应于单色(即，单波长)光的颜色，其中蓝色在左下方，绿色接近于顶点，黄色然后橘色在向下倾斜的上部，以及最后红色在最右端。紫色线上的点对应于单色蓝光和单色红光的加性混合。由人类心理视觉系统感知的所有颜色的几乎100％由光谱轨迹和紫色线限定的闭合曲面中的点来表示。

如图1中所示，色域120覆盖所有可以使用LED创建的颜色，具有在坐标101(“蓝绿色LED”)、102(“绿色LED”)、103(“棕黄色LED”)、104(“红色LED”)和105(“蓝色LED”)的颜色。由五边形的内部和边界表示的所有颜色可用于显示。图2-6示出了当5种LED中的确切的一个故障时所得到的色域121-125。即，图2-6分别示出了当蓝色LED、蓝绿色LED、绿色LED、棕黄色LED和红色LED故障时所得到的色域121-125。

根据本发明的一个实施例，可以对像素提供与像素中的每种LED(即，单个LED或串联的该种LED串)相关联的传感器，使得故障检测器可以指示像素中的一种LED的故障(例如，检测LED或LED串中的短路或断路)。当在具有N种LED的像素中，一种LED故障时，N-1种LED保持可运行，使得可用于该像素的颜色的所得到的色域少了2个维度、或具有N-2个维度。当N＝3时，该色域仅仅是一维的(沿着连结剩余种类LED的颜色坐标的线)。如果所期望的像素颜色(x_d，y_d)不位于距连接两个剩余颜色的颜色坐标的线的刚好显著的差异的距离内，则不能防止故障。当N＞3时，该色域可以是二维的。如果所期望的像素颜色(x_d，y_d)位于通过连接N-2个剩余LED的颜色坐标而形成的凸包内，那么无论何时所需的亮度在这些剩余LED的性能内，都可以通过适当地施加对剩余LED种类的驱动以创建所期望的像素颜色(x_d，y_d)而防止故障。依据线性代数的标准技术可以用于找到将产生所期望的像素颜色和亮度的剩余可运行的LED的亮度集。下面更加详细地描述用于使用约束最大化方法来计算期望的像素颜色的LED驱动的一个方法。

图7是示出根据本发明的一个实施例的说明性像素700的框图。如图7中所示，像素700包括控制模块701，其接收指定具有所期望颜色的颜色坐标的控制信号721。控制模块701还从故障检测器703接收故障检测信号724。当所有LED种类可工作时，控制信号721被映射到N个电流信号722，其驱动N个LED种类的LED 702。如果故障检测信号724指示这些LED种类中的一个或多个被检测为故障，则控制信号721被映射到驱动剩余LED种类的适当电流信号722。感测每个LED种类的电流，并且将表示LED种类的状态的信号723提供给故障检测器703。在分级控制系统中，可以沿着控制层级将由检测器703检测到的LED种类的状态和故障信息提供给较高控制级的控制单元(例如，CPU)。可以在这个较高级控制单元计算剩余LED的合适驱动电流，并且可以将其提供给控制模块701以防止故障情形。

注意，如果故障发生在蓝色LED或红色LED中，则严格限制色域。因此，在本发明的一个实施例中，提供冗余的红色和蓝色LED串，以使由于单个LED串故障导致的像素故障的风险最小。

根据本发明的一个实施例，将源图像的色域映射至使用具有更大色域的LED的系统性能。这种系统的示例包括利用多于三个基色的那些显示器。如上面说明的，从不同的LED种类发射的光强度每个由通过LED的电流的短期平均所控制。通过调节通过像素中的每个LED种类的平均电流，使得可以通过颜色和亮度的整个范围进行精确调节。使用此技术，可以在具有较大色域的图像显示器上显示由具有减小的色域的装置产生的图像。可以使用软件、定制的硬件或硬件和软件两者的组合来进行此色域扩展。当在色域扩展程序中考虑人类心理视觉系统时，可以实现印象深刻的结果(例如，在具有不同寻常的颜色丰富度的图像中)。然而，在现有技术中，仅利用减少的色域的颜色显示这样的图像。

当在色域之间映射颜色时，应当考虑心理视觉系统，因为人类尤其不能容忍特定颜色组的错误表现(例如，广告中使用的皮肤颜色和标识颜色)。因此，在这些颜色附近的色域扩展需要特别注意。本发明在色域之间的映射中提供此特别注意、以及对连续性和梯度控制的注意。色域扩展改变要以增加图像的感知品质的方式显示的图像中的大部分像素的颜色和(可能地)亮度。这些改变最好是平滑的(例如，在CIE三色激励空间中)，并且应当最好是保持像素的色调。根据一个实施例，参数α控制色域扩展的“量”。可以通过将输入三色激励矢量t映射到另一三色激励值(输出三色激励矢量)的函数f(t，α)来表示色域扩展，其中α是控制变化量的标量(例如，其中期望输入和输出三色激励矢量是相同的，α＝0)。

当扩展色域时，期望保持相同色调(“总体色彩”)，但增加色度(“饱和度”)。例如，在这样的过程下，“漂白的”颜色将被映射至更“纯”的颜色。另外，可以利用取决于α和(可能地)考虑中的像素的三色激励值的量来改变色度。三色激励值依赖性保护(即，仅允许小的变化)特定色调，诸如人类皮肤或脸部颜色。根据本发明的一种方法使用提供任何可行的三色激励值的单位色度变化的方向和大小的图谱(map)。随后可以通过在该图谱上积分(即，沿着给定方向对大小积分)来计算在任何色度的总变化，该积分在像素的输入(即，原始)三色激励值开始，直到对于该像素达到所期望的色域扩展量为止。可以在大量已知的将感知的颜色与标准比色法(colorimetry)相联系的模型中的任何一个下改进这些方法。

图12是示出如上面已经描述的表示实质上由人类感知的全部颜色的区域100内的所感知的恒定色调线的CIE色度图。颜色坐标(0.310，0.316)是对应于白色的“白点”的示例(尤其在CIE光源C)。因为恒定色调线从色度图的中心附近的白色向外发散，所以色度增加，直到恒定色调线在光谱轨迹(表示单色光)或连接蓝色和红色的紫色线上终止为止。

图13示出表示增加色度的方向的小箭头，其中每个箭头的长度指示沿着产生色度变化单位所需的恒定色调线的“距离”。使用Wyszecki和Stiles文本(上面提到的)中的Stiles模型(例如，在第670-672页²(注意，在第671页上提出的对Christoffel符号的定义是不正确的，正确定义是和)基于关于两色阈值的扩展试验而讨论的)获得图12和图13。如从下面的讨论可见的，本发明的方法独立于对模型的选择。因此，可以使用对模型的其它选择来获得类似结果。随着生理学家和其它人提供对模型的改进，本发明的方法可以追踪并利用这些新模型。

例如，如从图12可见的，在三色激励空间中，恒定色调线(或者，如果亮度依赖性存在则为片(sheet))成曲线，并且从而，恒定色度线(片)并非是均匀间隔的。输入像素三色激励矢量t的每个选择在恒定色调线上。为了找到输出三色激励值f(t，α)，跟随图13中的t处的箭头，直到达到由α值需要的色度变化量为止。所得到的位置对应于输出三色激励值f(t，α)。其中，亮度保持恒定，可以由单个参数(例如，从聚点发散的线的初始角度)而唯一地指定每条恒定色调线。因此，通过在覆盖三色激励空间的恒定色调线上进行搜索，并且选择围绕点t的两条线，可以在诸如图12的图谱中找到包含给定三色激励矢量t的恒定色调线。随后可以使用二等分或任何其它合适的方法来找到包含t的特定线。或者，如果亮度沿着恒定色调片上的线改变，则需要两个参数来选择一条线(恒定色调片上的)。在该情况下，随后在所述两个参数的集合上进行搜索，并且还可以使用标准技术用以进行该搜索。

在数字计算机上，为了实现对f(t，α)的良好估计，在执行速度和存储需求之间存在折衷。因此，多种实现是可能的。扩展色域所需的多个操作是重复的，并且独立于实时数据。这些操作需要被执行一次(“预处理”)，并且将它们的结果存储于在实时操作期间提供存取的数据结构中。利用这种预处理，实时所需的操作量的显著减少导致减少计算成本和时间。在这些方法中的每一个中，在逐个像素的基础上进行色域扩展。对扩展算法的输入是原始颜色和强度的三色激励表示。扩展算法的输出是所扩展的颜色和强度的三色激励表示。

根据一个实施例，可以为α的(离散值的集合的)每个选择构建查找表，其利用输入三色激励值来编索引。由输出三色激励值来填充(populate)查找表中的每个条目，或者更直接地，由驱动包含在像素中的LED串以再现输出三色激励值的颜色所需的电流来填充查找表中的每个条目。例如，如果输入是来自典型的TIFF图像格式的CIE L*a*b值，那么使用24个位来描述三色激励值，从而查找表将具有2²⁴(即，16,777,216)个条目。如果使用五种颜色作为像素中的基色，并且每个颜色需要16个位(即，两个8位字节)用于其亮度描述，那么对于α的每个选择，需要5×2×2²⁴＝167,772,160个字节的存储器。因此，将对于像素中使用的每个基色提供从输入像素值到驱动值的直接映射的扩展的查找表，可能需要几千兆字节的存储器。使用查找表提供了进行映射的最快方式，因为这样的方法仅需要每个像素少许存储器找取操作，使得对于运动画面的实时显示可行。

或者，“均匀色彩空间”表示可以被用于输入和输出的三色激励值，使得可以使用线性变换进行对色域扩展的积分。均匀色彩空间的示例包括CIEL*a*b和CIE L*u*v表示。还存在可以使用的其它均匀色彩空间。在此方法下，由输入三色激励矢量t编索引的查找表提供对数据结构的指针。数据结构保存(hold)在均匀色彩空间中表示的两个矢量t和v的各个分量。矢量v是表示沿着恒定色调线或片的方向的单位矢量。取决于在色度扩展期间亮度是否被保持恒定，矢量t和v中的每一个可以具有两个或三个分量。因此，数据结构的每个单元可以具有格式(a，b，v_a，v_b)或(L，a，b，v_L，v_a，v_b)。因此，对于均匀色彩空间中的Δs色差单元的期望的色域扩展(即，对于两个颜色点1和2是(Δs)²＝(L₁-L₂)²+(a₁-a₂)²+(b₁-b₂)²)，一(1)的色差单元表示最小可感知色差。使用来自数据结构的值，由t+(Δs)v提供输出三色激励值，如需要，其随后被取整并微调(trim)。这样的查找表具有2²⁴个条目。因此，取决于在扩展中是否保持亮度恒定，并且假设每个分量被表示为8位值，需要约256或384兆字节来保存该表和数据结构。如果不存储值L、a和b而通过其它方法获得它们(例如，计算变换)，则可以将存储需求减半。在此方法下，每像素需要几十到几百个机器操作。

一个变换保持色调，同时改变所得到的颜色的饱和度。由下面给出映射：

a₂＝(1+γ)a₁

b₂＝(1+γ)b₁

L₂＝f(L₁，γ)

随着γ改变，此变换保持色度。除了γ是均匀色彩空间中的量之外，γ与上面讨论的变化参数α有关。通过选择f(L₁，0)＝L₁，当γ＝0时，该变换不提供改变。通常，函数f使得发光强度随γ而变化。f通常是在L和γ两者中的光滑函数。如果f对于给定γ是恒定的，独立于亮度L，则(Δs)²＝(a₁-a₂)²+(b₁-b₂)²，即，Δs仅依赖于a_i和b_i。

在此变换下，

${\left(\mathrm{\Delta s}\right)}^2=\{{\left(\frac{\partial [f(L_1,\gamma )-L_1]}{\partial \gamma }\right)}^2+{a_1}^2+{b_1}^2\}{\gamma }^2$

通过让γ逼近零而获得的导数，近似商，那么

其中，已经选择正的平方根，使得γ随Δs增加。可以由下面给出值v_a、v_b和v_L：

$v_a=\frac{a_1}{{[{\left(\frac{\partial f(L_1,0)}{\partial \gamma }\right)}^2+{a_1}^2+{b_1}^2]}^{\frac{1}{2}}}$

$v_b=\frac{b_1}{{[{\left(\frac{\partial f(L_1,0)}{\partial \gamma }\right)}^2+{a_1}^2+{b_1}^2]}^{\frac{1}{2}}}$或

$v_L=\frac{\frac{\partial f(L_1,0)}{\partial \gamma }}{{[{\left(\frac{\partial f(L_1,0)}{\partial \gamma }\right)}^2+{a_1}^2+{b_1}^2]}^{\frac{1}{2}}}$

因此，

a₂＝a₁+(Δs)v_a

b₂＝b₁+(Δs)v_b

L₂＝L₁+(Δs)v_L

注意，如上所述的对特定颜色的保护可以通过将值v_a、v_b和v_L每个乘以小于1的常量而实现。如果亮度不随γ改变，则v_L＝0并且L₂＝L₁。于是，对于数据结构中的每项，仅需要两个分量。

因此，通过存储对于三个一组(L₁，，a₁，b₁)的每个可能的选择的值v_a、v_b和v_L，避免重复计算，对输出的评估仅需要查找和少许算术操作。

然而，根据本发明的一个实施例的另一选择提供了一种预处理步骤，其从沿着一组恒定色调线中的每一个的矢量t的值的列表构造：(i)由t＝f₁(θ，s)给定的第一内插函数，其中，θ是初始角度(或者，如果亮度沿着恒定色调线改变，则为两个角度)，并且s是以恒定色度为单位测量的沿着恒定色调线或片的距离；以及(ii)由(θ，s)＝f₂(t)给定的第二内插函数，通过对t进行采样来产生θ和s的列表而构造所述第二内插函数，作为矢量t的分量的函数。

为了从输入值t_in找到输出三色激励值t_out，使用第二内插函数f₂(t_in)获得(θ，s)对。随后使用第一内插函数t_out＝f₁(θ，s+Δs)获得输出(扩展的)三色激励值t_out，其中，Δs对应于所期望的色度偏移(shift)，并且其与上述变化参数α线性相关。此方法将需要每像素数十到数十万机器操作，大部分用以评估两个内插函数f₁和f₂。

如上所述，期望限制特定颜色范围(诸如，皮肤颜色)的色域扩展。一个方法提供给出α值的函数，作为输入三色激励值的函数，使得在所保护的颜色中或在所保护的颜色附近的颜色被提供较小的α。图14示出减小在通常与表面颜色关联的颜色附近的α值的这样的函数的图谱。取决于该图谱的细节，可以相加地、相乘地、或者利用用于图像的色域扩展的α的名义(nominal)选择的一些其它代数运算(composition)，来组合在给定像素的图谱所产生的值。

通常由具有比使用LED可用的色域更小的色域的系统，提供要在使用LED的招牌板上显示的图像。通过上述色域扩展方法中的任何一个，本发明提供了更加有效地利用LED显示器中可用的色域的方式。从而实现了对在仅具有较小色域能力的系统中设计或处理的图像的所感知图像质量的显著改善。

本发明提供了一种用于补偿环境光的图像显示的方法。在本发明的基于LED的招牌板中，提供传感器以测量环境光、或由像素或一组像素提供的光。提供光测量作为光度方程的输入，该光度方程描述在所测量的环境或照明条件下像素的所期望的强度和颜色。随后，为像素中的每个LED种类所需的发光强度而对该方程求解。对于显示器中的每个像素而重复此计算。

假设如在三色激励比色系统中表示的对于给定像素的所期望的基色激励对于给定像素为(X_d，Y_d，Z_d)，并且，环境光的基色激励(primary stimuli)是(X_a，Y_a，Z_a)，下列基本比色方程应用于加色混合：

$X_a+\underset{p=1}{\overset{P}{\Sigma }}{b}_p{X}_p=X_d$

$Y_a+\underset{p=1}{\overset{P}{\Sigma }}{b}_p{Y}_p=Y_d$

$Z_a+\underset{p=1}{\overset{P}{\Sigma }}{b}_p{Z}_p=Z_d$

其中，显示器包括P个不同的LED种类，其中，第p个LED种类提供具有在最大亮度的基色激励(X_p，Y_p，Z_p)的光。变量b_p(0≤b_p≤1)提供对P个LED种类的每一个的线性亮度控制。可以以如下矢量矩阵符号重写这些方程：

Ab+v_a＝v_d，

其中，$A=\left(\begin{array}{ccccc}{X}_1& ...& X_p& ...& X_P\\ Y_1& ...& Y_p& ...& Y_P\\ Z_1& ...& Z_p& ...& Z_P\end{array}\right),$$b=\left(\begin{array}{c}{b}_1\\ ...\\ b_p\\ ...\\ b_P\end{array}\right),$$v_d=\left(\begin{array}{c}{X}_d\\ Y_d\\ Z_d\end{array}\right)$并且$v_a=\left(\begin{array}{c}{X}_a\\ Y_a\\ Z_a\end{array}\right)$

当为上述方程找到一组非负值b₁，b₂，...，b_P；(0≤b_p≤1)时，给定A，v_a和v_d，则得到精确的发光强度集，使得实现对环境光的补偿。当未找到非负值的组{b₁，b₂，...，b_P；0≤b_p≤1}时，需要近似的解决方案。

当可能时，本发明提供精确求解上述方程的算法，否则提供最接近于所期望的感知像素颜色的近似解决方案。

方便的是，将CIE XYZ系统映射到近似均匀的色彩空间-即，在该空间中，对于该色彩空间中的相等的位置差异，感知的色差近似相同。假设从CIEXYZ空间到近似均匀的空间的一对一映射是函数U，其中，域(domain)和范围每个由三维向量组成。如上面讨论的，L*a*b色彩空间是均匀色彩空间的示例。还可以选择其它近似均匀的色彩空间。定义函数f和g如下：

于是，由下面给出对于给定CIE XYZ(X，Y，Z)值的L*a*b色彩空间的表示：

$U\left(\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)\right)=\begin{array}{}\end{array}\left(\begin{array}{c}g(Y/Y_n)\\ 500[f(X/X_n)-f(Y/Y_n)]\\ 200[f(Y/Y_n)-f(Z/Z_n)]\end{array}\right)$

其中，由CIE XYZ色彩空间中的三个一组(X_n，Y_n，Z_n)给定在最大发光强度的白色，并且适当的范数||*||是其自变量的分量的平方和的平方根。例如，如果XYZ三个一组从t₁变化至t₂，则||U(t₁)-U(t₂)||是感知的光变化量。

根据本发明的一个实施例，最小化实际上在像素可用的光、以及期望的光中的所感知的差异。使得P为满足Ab+v_a＝v_d的一组值b_p，0≤b_p≤1存在的命题(proposition)，并且S为当P为真时要被最小化的给定条件。下列算法得到最佳像素颜色：

算法A：

如果P，则最小化S，其由Ab+v_a＝v_d和0≤b_j≤1限制；

否则，找到服从于0≤b_j≤1的argmin(||U(v_d)-U(Ab+v_a)||)。

在任一情况下，使用算法A中得到的值0≤b_j≤1提供了每个像素的LED种类的发光强度。

取决于对传感器的设计，能够在几个不同的环境中进行环境光补偿是有用的。在一个实施例中，可以直接测量环境背景光(例如，使用直接给出v_a的分光光度计(spectrophotometer)或比色计(colorimeter)测量的)。例如，可以利用暂时地(例如，小于30毫秒)关闭招牌板，偶尔测量环境光。或者，可以在该招牌(sign)附近或之内提供背景参考反射器来测量从其反射的环境光。随后可以将所测量的值用作为算法A的输入，以计算所需要的LED的发光强度，以便实现对由于环境光导致的色度偏移的补偿。

根据本发明的一个实施例，当该招牌正在显示彩色对象时，通过测量像素或像素组的颜色而实现对背景光的间接测量。随后，使用所测量的颜色与在感兴趣的测量区域中的已知期望颜色v_d相结合来计算环境背景v_a。随后使用值v_a作为算法A的输入。

通过如下，CIE xyz色度是与CIE三色激励XYZ值相关的值：

$x=\frac{X}{X+Y+Z}$

$y=\frac{Y}{X+Y+Z}$

$z=\frac{Z}{X+Y+Z}$

依据其可以得出下列关系：

$X=x\frac{Y}{y}$

$Z=z\frac{Y}{y}$

x+y+z＝1

考虑在多于一个像素或像素组所进行的测量，每个测量由矢量表示，其中索引k表示在第k个像素或像素组进行测量。因此，由v_m^k-(v_d^k+v_a)给出测量误差，或在CIE xyz表示中给出测量误差，其中，表示在第k个像素或像素组的测量的颜色，并且是标量乘数。假设环境三色激励值v_a在所有像素处均相同。注意，α_k是推断的值，因为在颜色测量中不测量亮度Y_k。因为c^k具有三个分量，所以存在对于K个不同的测量和K+3个未知数(unknown)的3K个方程。K+3个未知数是v_a的三个分量以及K个α_k的分量。可以使用加权的最小平方方法来估计该K+3个未知数以及它们的协方差。注意，误差e^k未考虑到人类感知误差在e^k的所有值上并非均匀。将e^k的值映射到均匀色彩空间(例如，CIE L*a*b)解决了这个困难。对k＝1，...，K，在α_k上最小化均色彩空间中的误差，并且例如，v_a的三个分量可以是：

$ϵ=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\left|\right|U({\alpha }_k{c}^k-v_a)-U\left({v_d}^k\right)\left|\right|}^2$

关于点v_d^k的变换函数U的泰勒级数展开提供误差ε的近似值使3x3矩阵J_k表示在点v_d^k处求值的U关于的导数。随着误差变小，近似值精确逼近于CIE L*a*b色彩空间中的平方误差。对于具有在点v_d^k处的连续导数的任何其它均匀色彩空间，可以得到相同结果。还可以将该近似值写为格式：其中是(K+3)维矢量，是3K维矢量，以及是块对角3Kx3K变换矩阵，其将所有的三色激励误差传递至均匀色彩空间。3K x(K+3)矩阵B被定义为其中I为3x3单位矩阵。

可以多种方式找到使得误差近似值最小的值x。一种方法是对线性方程组求解。通常更加令人满意的方法是使用奇异值分解，其提供其中(·)⁺表示Moore-Penrose³(例如，见Adi Ben-Israel等人的Generalized Inverses-Theory and Applications，Wiley International Series onPure and Applied Mathematics，第7页)逆。然而，通常不明确地计算(JB)⁺。相反地，使用变换序列计算如果v_a与v_d^k相比并不小，则使用在全部v_a和α_k上最小化ε的直接最小化方法来最小化误差ε。在该情况下，对于的近似解可以作为叠代的起始点。

独立于如何完成最小化，可以通过对误差ε而将所得到的x替换到方程中，得到实际误差ε。ε的平方根是所选择的均匀色彩空间中的误差。同样，矢量x的前三个元素是矢量v_a的分量，可以在算法A中使用它们来得到与各个像素的LED相关联的驱动矢量b_k和三色激励矢量Ab。

因此，当从招牌板反射回的环境光变化时，特别在具有直射日光的日间期间，环境光补偿允许维持所观察到的图像的均匀质量。上面的说明适用于三个或更多基色在每个像素可用的系统。补偿的范围随基色的数量(最好是四个或更多基色)而增加。当图像延迟(latency)是几秒钟时，用于跟踪日光而需要适度的计算资源。运动画面会需要用于高质量补偿的相当数量的计算资源。

本发明还提供了快速检测和定位招牌板上的LED故障，这提高了总体招牌可靠性并且减少维修的时间和成本。图8中示出了适于在故障检测器703中实现的一种检测方法。如图8中所示，电流驱动器801在端子Iout_i处提供电流，以驱动提供至LED或LED串的第i条输出线。I_ret是公共电流返回端子。当端子Iout_i以断路或非常高的阻抗而终止时，端子Iout_i逼近限制电压V_lim。设置电压V_lim，使得当LED串中的LED工作在最大电流时，没有电流流过检测器二极管803。由具有幅度I_ref和指定的占空比的脉宽调制信号控制电流驱动器801。可以由寄存器中的外部控制模块来指定电流的控制参数。

根据本发明的一个实施例，将电压阈值检测器(例如，电压阈值检测器802)提供至每条Iout_i线。当在端子Iout_i处的电压低于被设置为刚好在V_lim之上的电压阈值V_thresh时，电压阈值检测器802断言(assert)信号D_i以指示检测到断路(或者高阻抗)。因此，所断言的信号D_i指示在端子Iout_i的感测点与返回端子I_ret之间的故障的存在(例如，断路)。可以将信号D_i馈入像素中的N个LED种类中的每一种的编码器接收信号D_i。编码器输出E_out的值指示像素中的那些LED串(或连接电线)故障(如果存在)。可以进一步由逻辑电路(例如，分级地)组织所有像素的编码器输出，以允许对招牌板中的所有像素的LED种类中的所有故障的唯一定位。

在需要持续高质量显示的应用中，期望测量由单独的像素或像素组产生的光的技术特性，而不中断正在显示的内容(例如，正在招牌板上显示的广告)。本发明的方法提供感测从显示器反射的环境光、以及检测和定位故障LED的附加益处(当存在时)。图15示出包括若干个电流源的连接至多个LED串的集成电路1500。将电压V_LED选择为足够高以提供对于开关脉宽调制的电流源的操作的电压偏移。如上面讨论的，选择调制速率使得波形基本上不具有出现在约100Hz之下的能量，并且选择占空比使得波形的平均值提供来自LED的所需的光强度。

根据本发明的一个实施例，可以在观察者未注意的情况下，在非常短的持续时间内在LED显示器上显示与所感知的图像不同的图像。例如，可以为了诊断的目的而使用这样的简图。可以以这样的方式显示的图像包括测试图像，用于：a)颜色和亮度校准；b)感测从显示器反射的环境光；或者c)检测并确定故障LED的位置。当合适的驱动器电路(例如，德州仪器集成电路TLC5911)典型地具有可用于每个LED串的断路检测器(OCD)，OCD不能检测到LED的短路和其它故障。对光输出或其不存在的直接检测最好是用于检测这些故障。

为了避免被观察者注意到，诊断输出的持续时间不超过约10毫秒，并且应当将诊断图像放置于暂时相邻于具有类似发光度的图像。如果不存在除了正常的双缓冲器(即，当正在显示一个缓冲器中的图像时，另一个图像正被接收到第二缓冲器中)之外的缓冲，该显示器必须具有用于每秒接收多于100个不同的完整帧的带宽。在不使用有损压缩(对于高质量显示器所不期望的)的情况下，所需要的带宽表现出对于甚至适度的显示尺寸的每秒许多吉(Gigabits)比特的数据速率。

根据本发明的一个实施例，可以通过将测试图像或多个测试图像存储在显示控制器或在LED驱动器内而避免高通信数据速率需求。例如，通过显示选择性地激活预定LED串的具有短暂持续时间的图像，可以在该短暂持续时间期间测试激活的LED串。如果检测到短路，则使用例如上面关于图8讨论的方法，在不中断正显示的广告程序的情况下检测到故障LED串的存在。另外，可以布置光传感器以检测被选择性激活的LED的亮度。当测试图像关闭招牌板的所有像素时，还可以使用光传感器来感测环境光。

另外，当检测到本地驱动器故障时，该方法打开冗余的驱动器以避免服务中断。因为典型的LED驱动器使用切换的(switched)电流源，所以优选的方法是提供并行电流源，并且每次该并行电流源之一有效(active)，如图16中所示。当发现LED驱动器之一有故障时，可以激活冗余的并行驱动器。除了状态指示和故障检测之外，所公开的方法还可以用于感测从显示器反射的环境光，以及检测并确定故障LED的确切位置。

如上面讨论的，具有多于三种颜色(例如，五种)的LED允许由像素的LED中的若干个不同发光度(luminosity)组合中的任何一个实现相同的心理视觉颜色和发光强度。用于计算实现给定颜色和发光强度所需的LED驱动的一种方法得到色域内的每种颜色的最大发光强度对于在线使用，可以依据从色域选择的采样点内插每个颜色的最大发光强度对于此运算，仅需要用于产生基本色的每个LED串的数量和规格(specification)。可以离线进行对每个颜色的最大发光强度的运算，并且将其存储起来。在运行时间期间，为了显示期望的颜色(例如，比色坐标(x，y))，将所期望的颜色输入至内插函数，其返回先前计算的最大发光强度和相关联的LED驱动矢量可以在运行时间依比例调整(例如，线性地)对于所期望的颜色和发光强度的所需发光强度。可以通过如下提供比色方程的模型：

$\underset{p=1}{\overset{P}{\Sigma }}{b}_p{X}_p=X$

$\underset{p=1}{\overset{P}{\Sigma }}{b}_p{Y}_p=Y$

$\underset{p=1}{\overset{P}{\Sigma }}{b}_p{Z}_p=Z$

其中，(X，Y，Z)是三色激励CIE XYZ表示中所期望的颜色，并且由最大发光度的(X_p，Y_p，Z_p)指定LED的P个种类中的第p种。在矢量表示中，可以将这些方程写作Ab＝v，其中A是基本颜色规格矩阵b是驱动矢量而v是颜色矢量如上面讨论的，还可以在CIE xyz色度坐标系统中将这些方程表示为约束C₁(Y)：在一个实施例中，对于五个基本色域，A具有值(取整的)。

第二约束是驱动矢量仅包括非负的b_p值，0≤b_p≤1。换言之，C₂：0≤b≤1。可以通过求解约束方程来获得和可以使用线性编程来求解这些方程。使A_i表示矩阵A的第i行。首先，求解一行(例如，第二行)中的Y，将Y替代在其它行中：

A₂b＝Y

$(A_1-\left(\frac{x}{y}\right)A_2)b=0$

$(A_3-\left(\frac{1-x-y}{y}\right)A_2)b=0$

于是，最大化A₂b(即，找到)，其服从于和0≤b≤1。可以离线进行对线性编程问题的求解。可以在以此方式计算的点之间内插色域内的点。如果所期望的颜色(x，y)不是色域内的点，则其颜色可以由恒定色度线与在无色点和(x，y)之间的色域的边界的交叉点处的点来提供。

本发明还提供用于在最小化互联所需的电线和线缆的数量的同时处理高数据速率的方法。使用电气的和电子的组件的层级结构来组织传统的招牌板或广告结构。通常将用于LED串的驱动器布置在像素的子组或组的级别(level)，因为可以在集成电路中提供多个驱动器，并且每个集成电路容纳几十个LED串。这样的传统分级数据分布系统是昂贵且不可靠的。

根据本发明的一个实施例，并非从中央控制单元直接连接至像素组，而是应用组网技术以将控制和像素数据传递至像素组。在集成电路级对像素分组，这构成对于组网的最低级的机会，因为除了功率分配之外，在该级或更高级的接口大部分是数字的。可以在数字级中的任何一个应用网络技术。许多网络技术是可以的，使得可以实现可扩展性以及分布控制和数据处理。

图9示出根据本发明的一个实施例的、使用路由器或交换机901将一组交换机902-1至902-m集合在一起的说明性互联，其中，该组交换机902-1至902-m中的每一个连接至一组模块903-1至903-n，其每个包含多个像素组。使用网络地址(例如，IP地址)可分别寻址每个模块。使用传统网络协议(例如，IP协议)通过网络传送控制、数据、状态和故障全部。在一个实施例中，将招牌板分为32个模块组，每组具有直至32个模块，从而允许32x32＝1024个模块被寻址。图10示出根据本发明对模块(例如，模块903-1)的实现1000。如图10中所示，网络接口1001将模块实现1000连接至网络交换机(例如，网络交换机902-1至902-m中的任何一个)，微处理器或控制器1002通过互联矩阵1003驱动像素的子组的组中的像素(例如，可以通过图7中所示的像素700来实现这些像素中的每一个)。互联矩阵1003还允许微处理器1002发送和接收来自像素的扩展状态确定和故障检测信号。通过嵌入的计算机(诸如微处理器1002)，还很大程度地便于状态的远程指示和故障诊断。或者，还可以在微处理器1002中实现图像处理功能，从而允许依比例调整该招牌板以处理超大量的视频和图像数据(例如，全动态环绕影像和许多其它大规模图像显示)。

本发明的包括任何分布式计算结构的网络可以由现成的标准组件来实现。可以使用标准协议用于通过网络的通信，并且可以使用标准软件和固件来提供至物理网络的内部和外部接口，从而提供可靠性和成本的降低。例如，包括TCP、RTP、UDP、NTP和其它关联协议的IP“栈”提供在招牌板中所需的通信的广泛功能性(例如，用于控制LED)，同时可以使用以太网或SONET/SDH来提供链路级控制和数据传输。光纤、电线线缆和无线可以用于物理连接。

在制造期间和在操作中，必须将LED的位置控制到较小容限，以确定显示器上所得到的图像的均匀性。例如，每个模块的外壳(enclosure)典型地由具有用于LED的孔的聚合模塑(polymer molding)提供。这样的外壳经历大的热负荷，因为外壳具有低反射率，并且特别对于室外结构，会在延长的时间段内经受直接日照。在所述结构的正面上，表面区域的直至每平方米约1000瓦的太阳热负荷是可能的。聚合模塑典型地由具有低导热性和低热容量的聚合体组成。因此，外壳中的温度可相当快地变高，并且将随热负荷改变而波动。温度波动在外壳上产生机械膨胀和收缩应力，引起像素的未对准和相对运动，这导致伴随的图像均匀性的损失。温度均匀性和稳定性提高所显示的颜色的准确性和精度。由重复的应力引起的机械疲劳还可以产生断开的连接和其它电气连续性问题，这减低了显示系统的可靠性，并且潜在地减少了显示系统的使用寿命。另外，该招牌的外部正面积聚污垢和碎屑，它们可以减小光的输出、增加反射率、改变色平衡以及产生其它有害影响。

因此，对招牌板的维护需要对招牌板的有效清洁和冷却两者。这些功能可以相互独立地进行。根据本发明的一个实施例，可以通过使液体在招牌正面流动，或者通过在招牌正面处提供液体喷射器，频繁地清洁招牌正面。典型地，该招牌正面并非简单的平坦表面。LED透镜、LED防护罩、天窗板(louver)在该招牌正面上提供阴影，并且可以预期或存在与平坦表面的其它偏差。覆盖整个招牌正面的薄的液体流动或许不可能、或者可能不足以确保适当的清洁。相反，包含一个或多个清洁液体的喷射器可以用于多种环境下的清洁。可以将该喷射器放置在具有轨道的脚手架上，其允许喷射器沿着水平或垂直方向、或该两个方向滑动。可以多种方式产生该喷射器。一种方法使用压缩空气以提供原动力来强迫液体通过定向喷嘴。可以收集、过滤和循环该液体以最小化液体损失。

作为来自在招牌上频繁的液体流动的附加益处，可以显著减小温度和温度波动。还可以在安装于该招牌中的导管(conduit)中循环液体，以提供完全的冷却功能。在不需要进行清洁功能的情况下，可以关闭液体导管(例如，在管道中)。

虽然覆盖整个招牌正面的薄的液体流动或许不可能，但是到招牌正面的部分的液体流动提供对温度波动的缓和。例如，如果对天窗板的导热性足够高，则在与像素的每行或每几行相关联的天窗板⁴(在此实施例中，提供天窗板用于遮蔽入射日光以减小该招牌板的反射率，不需要这些天窗板来完成对该招牌板的清洁或冷却)上的液体流动、或穿过与像素的每行或每几行相关联的天窗板的液体流动是足够的。使用热芯(wick)、热管道、或具有较高的导热性的材料的薄片，将热分散至液体流动可以消除热量的正面的表面附近，从而缓和温度波动。

图11示出根据本发明一个实施例的、用于具有液体流动性能的模块的外壳1100。如图11中所示，外壳1100包括第一正面1106，其中将一组LED布置在透明窗或透镜1104之后。(正面1106形成招牌板的图形显示的一部分)。图11示出包括4个像素的外壳1100，并且每个像素具有10个单元。在一个实施方式中，每个像素包括5个红色LED、3个蓝色LED和2个绿色LED。每个外壳被设计为招牌板的构建块，能够被垂直堆叠，并且相邻地以及相互水平地布置。在特定位置将像素放置在每个模块中，使得当垂直堆叠或水平布置外壳时，不管相邻像素是在同一外壳中还是在不同外壳中，所有相邻像素都彼此等距离地分开。可以将正面1106形成为由薄层(例如，几毫米)聚合体和薄金属网1101构成的薄片状结构。选择聚合层来提供可见波段(约380至720nm波长)中的低反射率、低吸水率、对天气和紫外线暴晒的抵抗力、以及良好的机械特性。将具有高热导性的薄金属网1106提供为在正面1106之后短距离的热芯，作为入射在第一正面1106上的热负荷的收集器。选择金属网1101具有与正面1106的聚合材料一致的差分温度系数，并且能够提供到该正面1106的热粘结。在金属网1101后面提供大量热芯或热管道(例如，热管道1105)，以将热量从金属片1101向着外壳1100的背面导走。典型地，在背面提供空调用于湿度和温度控制。在此实施例中，在顶面1102和底面1103中提供液体导管，用于循环清洁液体。顶面1102可以提供悬于正面1106之上的天窗板。

可以沿着天窗板提供对顶面1102的液体导管打开的孔(perforation)，使得清洁液体流可以实质上在正面1106上的薄的流动中流动。替换地或另外地，例如，可以通过规则间隔布置的喷嘴提供清洁液体，或者，其沿着沿招牌板的尺寸提供的垂直或水平延伸的导管运动，使得清洁液体的喷射可以对着招牌板中每个外壳的正面1106。清洁液体优选地是不在正面1106上留下膜的清洁液体。将清洁液体流被收集在底面1103中的槽(gutter)中，其倒空液体导管，液体导管将清洁液体导入蓄液器(reservoir)中，在蓄液器中，过滤并再生清洁液体。液体流动还提供了温度降低(moderation)，这减小热量导致的应力，从而促进LED和相关联的电子器件的更长寿命，并且得到减少的服务和维护成本。如果对于给定招牌板冷却功能不是必要的(例如，由于其位置导致)，则可以相对不频繁地进行清洁。

清洁所需的许多机械的液体控制和分布组件对于温度减低所需的组件是普遍的。因此，通过使用于提供对招牌板的清洁和温度降低两者的手段的设计和实现相结合，实现显著的成本节约。

假设每平方米1000瓦的太阳热负荷，可以估计出一些温度梯度和温差。因为大部分聚合体的热导率是约0.3wm^-1K^-1，所以约3℃的温差出现在正面1106中使用的薄层状材料的每毫米厚度中。使用由60-网状(每英寸60根电线)铜网(screen)组成的热芯作为薄金属片1101提供了从散热片连接到铜网的线性横向长度的每厘米约3℃的温度梯度。结果，如果散热片连接之间的距离不超过直至约10厘米，则使用薄的热芯(例如，铜网)将提供良好的温度稳定性。例如，通过使用多层网或具有高导热性的材料的固体片(solidsheet)，随导热性提高，可以增加散热片连接或冷却散热片连接之间的间隔。或者，使用有效的或重力输送热管道(例如，热管道1105)提供了使热量在更长距离上移动(然而，增加了复杂度)的机制。

将热芯、热管道或其两者嵌入在典型地包含几个至几百个像素的模块结构中的LED的外壳内，这缓和了由于暴露于日光直射或极冷而产生的温度变化。

提供上面的详细描述以说明本发明的特定实施例，而并非意在限制。在本发明的范畴内的许多修改的变化都是可以的。在下面的权利要求书中阐明本发明。