Moderna LED-videoskärmar: Egenskaper, tekniker, skäl att välja

Idag tenderar vi att ta LED-skärmar för givet. Faktum är att de blev gemensamma funktioner i våra städer och vi uppmärksammar framför allt deras utåtgående kvalitetsparametrar. Men eftersom vår tidskrift specialiserat sig på denna teknik, tror vi att det har kommit dags att stava ut stora tekniska principer för moderna LED-bildskärmar, de principer som i slutändan säkerställer vad miljontals människor ser på skärmar varje dag.

Modern LED-bildskärm är ett komplext system med ett stort antal komponenter. Bildkvaliteten och driftsparametrarna beror på kvaliteten på var och en av dessa komponenter samt på funktionaliteten för skärmkontrollsystemet.

                                          Typiskt blockschema över en LED-bildskärm

Följande LED-bildskärmsegenskaper är avgörande för bildkvaliteten:

• LED-bildskärmsupplösning (så kallad rumslig upplösning), i LED-bildskärmar är det nära relaterat till avståndet mellan pixlar eller tonstorlek.

• Maximal ljusstyrka (mätt i Nits);

• Dynamisk ljusstyrka som förstås som antalet ljusnivåer som skärmen kan stödja (ibland kallas det även radiometrisk eller energilösning );

• Ramhastighet mäter hur ofta en videokälla kan mata en hel ram med ny data till en bildskärm, frekvensen av ramar som ändras per sekund (fps) (ibland kallad tidsmässig upplösning);

• Uppdateringshastighet (mätt i Hz) är antalet gånger i en sekund som en displayhårdvara drar data, eller uppdaterar ramen (även kallad tidsmässig upplösning);

• Spektral upplösning: Färgbilder skiljer ljus från olika spektra. Multi-spektrala bilder löser ännu finare skillnader i spektrum eller våglängd än vad som behövs för att reproducera färg. Termen bestämmer hur många spektralkomponenter som skapar en bild;

• Färg enhetlighet över hela skärmen;

• Vitbalans och möjlighet att finjustera det;

• Linjär uppfattning om ljusstyrka - subjektiv kvalitet på bildkvalitet som bestämmer hur det mänskliga ögat skiljer mellan intilliggande ljusstyrka både på mörka och ljusa delar av skärmen.

• Bildkontrast;

• Bildkvalitet bestämd av visningsvinkeln.

Förutom bildkvaliteten är det viktigt att överväga några viktiga driftsparametrar för LED-bildskärmen:

• Feedback eller övervakningssystem för skärmtillstånd

• Äldre programvara och omfattande styrsystem som möjliggör skalning av systemet och konstruktion av LED- och LCD-videoskärmenätverk med fjärrkontroll via Internet via inbyggt informationssäkerhetsdelsystem.

• Nivå av elektromagnetisk strålning i form av elektromagnetisk störning (EMI) från skärmen.

Låt oss betrakta några av ovanstående parametrar mer ingående.

Skapande av bild på LED-bildskärmen och ljusstyrningskontroll

Pulse-Width Modulation (PWM) och uppdateringshastighet

Den ursprungliga bilden som ska visas är skapad som en PC-fil, vanligtvis ett * .avi eller * .mpg-klipp. Filen avkodas av kontrolldatorn (eller videostyraren) och omvandlas till den specialiserade videoströmmen som matas till mikrochips av konstantströmdrivrutiner. IC-drivrutinerna förmedlar konstant ström till LED, vilket får dem att glöda i ett visst spektrum.

PWM - (Pulse-breddsmodulation) är en vanlig teknik för att styra olika ljusstyrka. Beroende på vilken ljusstyrka som krävs, skickas strömmen till lampor intermittent genom att vrida växeln mellan matning och laddning av och på snabbt. För att uppnå 50% ljusstyrka bör strömmen vidarebefordras endast hälften av cykeltiden, för att nå 25% ljusstyrka, strömmen kommer att vara påslagen i endast fjärdedel av cykeltiden. Med andra ord, en LED kommer att fungera i ett "släckt" avstängt läge där längden på "tänd" -perioden kommer att motsvara den önskade ljusstyrkan.

PWM-tekniken säkerställer att en LED (och hela bildskärmen) ger en cyklisk bild. Mincykelens varaktighet (när en LED slås på och av i följd) kallas en uppdateringsperiod eller uppdateringsfrekvens.

Tänk på ett exempel: Låt oss säga att uppdateringshastigheten för en LED-bildskärm är lika med 100 Hz. För att säkerställa maximal ljusstyrka på 100% måste vi vidarebefordra ström under hela uppdateringsperioden, vilket i detta fall är lika med 1/100 s = 10 ms. För att minska ljusstyrkan med hälften bör strömmen vidarebefordras i 5 ms och släckas sedan i 5 ms. Då upprepar cykeln på samma sätt. För att uppnå endast 1% ljusnivå kommer strömmen att vidarebefordras till lysdioder under 0,1 ms och avstängningsperioden kommer att vara 9,9 ms.

Den grundläggande PWM-metoden kan modifieras och uppgraderas. Olika tillverkare använder olika terminologier: Scrambled PWM (Macroblock), Sekventiell Split Modulation (Silicon Touch) och Adaptive Pulse Density Modulation (MY's-Semi). Alla dessa funktioner tenderar att "sprida" LED-strömbrytaren på perioden under hela uppdateringsperioden. Sålunda kommer skärmdrift vid 50% ljusstyrka med 100 Hz uppdateringshastighet att se ut som en upprepad "1 ms LED på - 1 ms lysdiod" -cykel. Det betyder att för en 50% ljusstyrka ökade uppdateringsperioden fem gånger och motsvarar 2 ms. Följaktligen ökade uppdateringshastigheten till 500 Hz. Denna beräkning gäller bara för 50% ljusstyrka. För varje ljusstyrka finns det en minsta ljusstyrka på en impuls (viss minimiperiod) när lysdioden är påslagen, resten av tiden är den avstängd.

Således snedvrids stränga "traditionella" PWM-cykler med moderna modifierade metoder. Beroende på vilken ljusstyrka som krävs kan vi identifiera kortare perioder med högre uppdateringshastighet. På en viss LED-bildskärm kan uppdateringshastigheten variera mellan, låt oss säga 100 Hz och 1 kHz. Det betyder att under upplösningshastigheten eller maximal ljusstyrka är uppdateringshastigheten cirka 100 Hz. Men vid andra ljusnivåer möter vi perioder med högre uppdateringshastighet.

För modifierade PWM-metoder blir konceptet för uppdateringshastighet alltså ganska vilseledande. Om vi definierar uppdateringshastighet som en minimiperiod som är nödvändig för att förnya bilden för alla ljusstyrkanivåer , undviker vi alla missförstånd, eftersom uppdateringshastigheten i denna definition inte beror på PWM-processen.

Interlaced scan-baserade bilder och tidsdelning på LED-bildskärmar

Vissa LED-bildskärmsbilder är strukturerad på ett sådant sätt att det inte går att förhindra strömförsörjning till alla lysdioder samtidigt. Alla lysdioder på en bildskärm är separerade i grupper (vanligtvis två, fyra eller åtta) som slås på i sin tur. Det innebär att metoder för att skapa bild som beskrivs ovan appliceras i sin tur till olika grupper av lysdioder på en videoskärm. Om skärmen har två sådana grupper, motsvarar bildformationen interlaced scanning i analog TV.

Denna metod används mestadels för att göra LED-bildskärmar billigare, eftersom denna bildformationsmetod behöver mindre mängd IC-drivrutiner (med två, fyra eller åtta gånger motsvarande). Eftersom IC-drivrutiner bidrar med cirka 15-20% till skärmkostnaden kan ekonomin vara betydande. Dessutom är tidsdelningsmetoden praktiskt taget oundviklig på högupplösta LED-bildskärmar eftersom små skärmskärmar uppvisar allvarliga problem med att placera ett stort antal drivrutiner på PCB och ordna lämplig värmeöverföring från IC-drivrutiner.

Naturligtvis leder denna ekonomin till lägre skärmsljusstyrka och lägre uppdateringshastighet (proportionellt med antalet LED-grupper som används).

Låt oss säga att vi har en skärm med två LED-grupper med hjälp av tidsdelningsmetod. Strömmen levereras till en grupp för att säkerställa den önskade ljusstyrkan. Den andra gruppen är avstängd. Efter en uppdateringsperiod växlar grupperna: nu är den andra gruppen driven medan den första blir mörk. Därför blir den period som är nödvändig för att förnya all information på skärmen två gånger längre.

Begreppet refresh rate i detta fall blir ännu mer subtilt. Strikt sett fördubblas uppdateringsperioden eller den minsta tid som krävs för att förnya bilden på hela skärmen. För varje grupp förblir emellertid längden av bildbildningsperioden oförändrad, och vi kan hävda att uppdateringshastigheten förblir densamma som tidigare.

LED-bildskärm, uppdateringshastighet och mänskligt öga

För det första påverkar uppdateringshastigheten bilduppfattning. Vi uppfattar vanligtvis en bild på en skärm så smidig och märker inte en blinkande effekt eftersom flimmerfrekvensen är ganska hög. Vår visuella uppfattning är både psykologisk och fysisk. De enskilda blinkarna av ljus summeras i en "jämn" bild av vår hjärna. Enligt Blochs lag varar denna sammanfattning ca 10 ms och beror på ljusstyrkaens ljusstyrka. Om ljusflimmer med tillräcklig frekvens (så kallad tröskel CFF - kritisk flimmerfrekvens) märker det mänskliga ögat inte pulsation enligt Talbot-Plateau Law. Tröskeln CFF beror på många faktorer, såsom ljuskällans spektrum, ljuskällans positionering i förhållande till ögat, ljusstyrkanivån. Under normala förhållanden överskrider emellertid aldrig frekvensen 100 Hz.

Således kommer ett mänskligt öga inte att särskilja några skillnader i LED-bildskärmsbilder bildade med PWM eller modifierade PWM-metoder med uppdateringshastigheter som varierar från 100 Hz till 1 kHz.

LED-skärm, uppdateringshastighet och en videokamera

Men ett mänskligt öga är inte det enda instrument som kan uppleva bilder. Ibland använder vi videokameror för att spela in LED-bildskärmar och videoutrustning bygger på principer som är väsentligt olika från den som är anställd av den mänskliga hjärnan. Detta är särskilt viktigt för alla LED-skärminstallationer i sportstadioner, mässor eller konsertsalar där händelser spelas in med kameror. Exponeringstid eller slutartid i moderna videokameror kan variera från sekunder till millisekund.

Låt oss säga att vi tittar på en LED-skärm där bilden bildas med traditionell PWM-metod med 100 Hz uppdateringshastighet. Skärmen visar en statisk bild. Om vi försöker spela in den här bilden med en videokamera med en 1/8 sekunders slutartid (dvs. exponeringstid på 125 millisekunder) fotograferar fotografen ljus från skärmbilden som produceras av 12,5 uppdateringsperioder. LED-skärmen och vår videokamera synkroniseras inte och varje bild som spelas in av kameran kommer att motsvara olika tid relaterade till början och slutet på uppdateringscykeln. Men med den här höga slutartiden kommer det ingen konflikt och kameran spelar in en jämn bild av LED-bildskärmen.

Om vi reducerar slutartiden till 1/250 sekunder när exponeringstiden är lika med 4 ms, blir en kameraram 2,5 gånger kortare än uppdateringsperioden på LED-bildskärmen. Den här gången är skillnaden mellan början av kamerans ram och början av PWM-cykeln betydande. Vissa ramar motsvarar början av PWM-cykeln, andra till mitten och andra ända till slutet av cykeln. Varje ram registrerar olika ljusflöden och gradvis ackumuleras felet. När vi tittar på den inspelade videon kommer ljusstyrkan på ramarna vara märkbart olika. Vanligtvis visas alla objekt som är inspelade med kort exponeringstid mindre ljus. Kameran spelar in "flimrande" effekt på LED-bildskärmen. Om exponeringstiden sänks ytterligare, kommer vi definitivt att se några svarta ramar (när kamerans ram börjar motsvara den korta PWM-perioden när lysdioderna är avstängda) och den inspelade videon kommer att flimra ännu mer.

Om vi använder en videokamera för att spela in en LED-skärm med traditionell PWM-funktion, bör uppdateringshastigheten vara kompatibel med eller överstiga kamerans exponering.

På LED-bildskärmar med modifierad PWM-funktion gäller samma logik. Eftersom lysdiodens vridningstid i "high brightness" är "spridd" över PWM-cykeln, blir den inspelade bilden stabilare jämfört med traditionell PWM-funktion. Men vid låg ljusstyrka kommer situationen att förbli densamma: den inspelade bilden kommer antingen att förlora ljusstyrkan eller flimmer.

Som du ser utan ordentlig synkronisering kommer någon videoinspelning av en LED-skärm att resultera i snedvridningar i inspelad bild. Vi kan jämföra detta för att spela in analog TV med en analog kamera: Skillnaderna i skanningslägen för båda enheterna kommer att leda till en effekt av diagonala svarta linjer som skiljer TV-ramar.

En annan viktig fråga är synkroniseringen av LED-skärmkontrollerna. Stora LED-skärmar är gjorda av block (LED-moduler och / eller skåp) som visar bildbehandling som genereras av olika styrenheter. Om dessa kontroller inte synkroniserar början av PWM-cykeln (dvs början på cykeln på olika delar av skärmen) kan vi stöta på följande problem: Uppdateringscykeln på vissa delar av LED-skärmen kommer att motsvara kamerabilder och på andra Delar av skärmen kommer det inte Om exponeringen är kompatibel med uppdateringscykel, kommer en del av videoskärmen att bli ljusare, en annan mörkare. Hela bilden kommer att bestå av mörka och ljusa rektanglar och blir obekväma att titta på.

Kostnaden för LED-skärm med hög upplösning

Oberoende av PWM-generationsmetoden har de alla gemensamma funktioner. PWM-generationen arbetar med en viss klockfrekvens F pwm . Låt oss anta att vi måste generera ett visst antal N av ljusstyrkanivåer. I detta fall kan uppdateringshastigheten F r inte överstiga F pwm / N.

Här är några exempel för att illustrera ovanstående uttalande:

Dessa siffror visar att varje LED på bildskärmen följer en viss oberoende PWM-generationsprocess, dvs PWM-generationsmetoden programmeras direkt i IC-drivrutiner.

Med enkla och billiga IC-drivrutiner genereras PWM på en kontroller för LED-bildskärmen. Vi bör då överväga hur många förare kopplas i följd och servas av en PWM-generationsprocess. Om ett PWM-generationsschema kräver M16 -utgående kanaldrivrutiner, får uppdateringshastigheten inte överstiga F pwm / (N * M * 16 , annars leder det till signifikant lägre uppdateringshastighet eller behovet av att öka klockfrekvensen.

Vid tidsdelning (interlace scanning) faller uppdateringshastigheten i proportion till delningskoefficienten.

För att öka uppdateringshastigheten på LED-bildskärmar är följande alternativ tillgängliga:

• Användning av "intelligenta" (dyra) förare;

• Ökning av klockfrekvens i PWM-generationsprocessen;

• Minskar antalet ljusnivåer (färgdjup).

Varje metod har fördelar och brister. De intellektuella drivrutinerna är mycket dyrare än enkla IC-drivrutiner. Ökningen av klockfrekvensen leder till högre strömförbrukning (följaktligen kräver ytterligare åtgärder för värmeöverföring för att undvika överhettning). Lågt antal ljusnivåer påverkar bildkvaliteten negativt.

Slutsats: Uppdatering på LED-bildskärmar

LED-bildskärmstillverkare använder ofta uppdateringsfrekvens som ett marknadsföringsverktyg när de har en utmärkt skärmkvalitet. Förutsättningen är att ju högre uppdateringshastigheten desto bättre är bildkvaliteten. Men numren tjänar ofta bara för att förvirra potentiella kunder. Till exempel innebär uppdateringshastigheten på flera kHz att antingen den modifierade PWM-generationsmetoden används (när uppdateringshastigheten faktiskt skiljer sig för olika ljusnivåer) eller att färgdjupet är oacceptabelt lågt.

Vi bör komma ihåg att hög uppdateringshastighet och höga färgdjupvärden endast kan ske vid hög ljusstyrka som i sig är en missuppfattning, eftersom en LED-bildskärm inte alltid ska fungera vid 100% kapacitet.

För interlaced scanning motsvarar uppdateringshastighetsvärdet endast en PWM-cykel för en LED-grupp, medan den faktiska uppdateringshastigheten för skärmen (vilket påverkar vår uppfattning) kommer att vara flera gånger lägre.

Det är mer informativt och ärligt att nämna färgdjup och klockfrekvens för PWM och ungefärligt uppdateringsfrekvens för skärmen (till exempel 200-1000 Hz) vid modifierad PWM-skärmfunktion. Om en LED-videoskärm är baserad på tidsdelningsprincipen (t.ex. tidsdelning = 1: 1 - frånvaro av tidsdelning, tidsdelning = 1: 2 - PWM fungerar endast på hälften av skärmen etc.).

Ovanstående parameter är inte nödvändig för vår uppfattning. Människans öga registrerar inte någon skillnad i bildkvalitet vid frekvenser över 100 Hz. Följaktligen bör man bestämma om hög uppdateringshastighet är verkligen nödvändig och om det är värt att betala extra för det.

Uppdateringshastighet och enhetlighet av inspelad skärmbild är endast viktig om en LED-skärm ofta blir ett objekt för videoinspelning (arenor och konsertsalar). Därför är det bättre att först göra en försöksinspelning innan du undertecknar köpavtalet.