Moderne LED-videoskjermer: Egenskaper, teknologier, grunner til å velge

I dag pleier vi å ta LED-skjermbilder for gitt. Faktisk ble de vanlige trekkene i våre byer, og vi meste legger merke til deres utadvendte kvalitetsparametere. Men siden vårt magasin spesialiserer seg på denne teknologien, tror vi det er på tide å stave ut de store tekniske prinsippene for moderne LED-videoskjermer, de prinsippene som til slutt sikrer hva millioner av mennesker ser på skjermer hver dag.

Moderne LED-skjermen er et komplekst system med enorme antall komponenter. Bildekvaliteten og driftsparametrene er avhengig av kvaliteten på hver av komponentene, samt på funksjonen til skjermstyringssystemet.

                                          Typisk blokkskjema for en LED-skjerm

Følgende LED-videoskjermegenskaper er avgjørende med hensyn til bildekvalitet:

• LED-skjermoppløsning (såkalt romlig oppløsning), i LED-videoskjermer, er nært knyttet til avstanden mellom piksler eller tonehøyde;

• Maksimal lysstyrke (målt i Nits);

• Dynamisk lysstyrkeområde forstått som antall lysstyrkenivåer som skjermen kan støtte (noen ganger kalles det også radiometrisk eller energiløsning );

• Rammehastighet måler hvor ofte en videokilde kan mate en hel ramme med nye data til en skjerm, frekvensen av rammer som endres per sekund (fps) (noen ganger referert til som temporal oppløsning);

• Oppdateringsfrekvens (målt i Hz) er antall ganger om et sekund at en displayhardware trekker dataene, eller oppdaterer rammen (også referert til som midlertidig oppløsning);

• Spektral oppløsning: Fargebilder skiller lys av forskjellige spektra. Multispektrale bilder løser enda finere forskjeller i spektrum eller bølgelengde enn det som trengs for å reprodusere farge. Begrepet bestemmer hvor mange spektrale komponenter som oppretter et bilde;

• Fargeuniformitet gjennom hele skjermen;

• Hvitbalanse og mulighet for finjustering av det;

• Linjær oppfatning av lysstyrke - subjektiv kvalitet på bildekvalitet som bestemmer hvordan menneskets øye skiller mellom tilstøtende lysstyrkenivåer både på mørke og lyse deler av skjermen;

• Bildekontrast;

• Bildekvalitet bestemt av visningsvinkelen.

Bortsett fra bildekvaliteten er det viktig å vurdere noen viktige driftsparametere for LED-skjermen:

• Tilbakemelding eller overvåking av skjermtilstand;

• Eldre programvare og omfattende kontrollsystem som gjør det mulig å skalere systemet og bygge LED- og LCD-videoskjermnettverk med fjernkontroll via Internett via innebygget informasjonssikkerhetssubsystem;

• Nivå av elektromagnetisk stråling i form av elektromagnetisk interferens (EMI) fra skjermen.

La oss se nærmere på noen av de ovennevnte parametrene.

Opprettelse av bilde på LED-skjermen og lysstyrkekontroll

Pulse-Width Modulation (PWM) og oppdateringshastighet

Det opprinnelige bildet som skal vises, er opprettet som en PC-fil, vanligvis et * .avi eller * .mpg-klipp. Filen dekodes av kontroll-PCen (eller video-kontrolleren) og forvandles til den spesialiserte videostrømmen som er matet til mikrochips av konstant strømdrivere. IC-driverne sender konstant strøm til lysdioder som får dem til å lyse i et bestemt spekter.

PWM - (Pulsbreddemodulasjon) er en vanlig teknikk for styring av ulike lysstyrkenivåer. Avhengig av ønsket lysstyrke, sendes strømmen til lysdioder intermittent ved å dreie bryteren mellom tilførsel og lasting av og på raskt. For eksempel, for å oppnå 50% lysstyrke, skal strømmen videresendes bare halvparten av syklusvarigheten, for å nå 25% lysstyrke, strømmen vil bli slått på for bare fjerdedel av syklusvarigheten. Med andre ord, en LED vil operere i en "slått på - slått" modus der varigheten av "påkoblet" perioden vil tilsvare lysstyrkenivået som kreves.

PWM-teknikk sikrer at en LED (og hele skjermbildet) gir et syklisk bilde. Varigheten av minimumssyklusen (når en lysdiode er slått på og av etter hverandre) kalles en oppdateringsperiode eller oppdateringsfrekvens.

Tenk på et eksempel: La oss si at oppdateringshastigheten til en LED-videoskjermer er 100 Hz. For å sikre maksimal lysstyrke på 100% må vi videresende strøm i hele oppdateringsperioden som i dette tilfellet er lik 1/100 s = 10 ms. For å redusere lysstyrken med halvparten, skal strømmen videresendes i 5 ms og deretter slås av i 5 ms. Da gjentas syklusen på samme måte. For å oppnå bare 1% lysstyrkenivå, vil strømmen bli videresendt til lysdioder i løpet av 0,1 ms og den avslåtte perioden vil vare 9,9 ms.

Den grunnleggende PWM-metoden kan endres og oppgraderes. Ulike produsenter bruker forskjellig terminologi: Scrambled PWM (Macroblock), sekvensiell Split Modulation (Silicon Touch) og Adaptive Pulse Density Modulation (MY's-Semi). Alle disse funksjonene pleier å "spre" LED-bryteren på periode over hele oppdateringsperioden. Dermed vil skjermoperasjonen ved 50% lysstyrke med 100 Hz oppdateringshastighet se ut som en gjentatt "1 ms LED på - 1 ms LED av" syklus. Det betyr at for en 50% lysstyrke øker oppfriskningsperioden fem ganger og er lik 2 ms. Følgelig økte oppdateringshastigheten til 500 Hz. Denne beregningen gjelder bare for lysstyrken på 50%. For hvert lysstyrke mønster eksisterer det en minste lysstyrke på en impuls (litt minimumsvarighet) når lysdioden er slått på, resten av tiden er den slått av.

Dermed er strenge "tradisjonelle" PWM-sykluser forvrengt av moderne modifiserte metoder. Avhengig av ønsket lysstyrke kan vi identifisere kortere perioder med høyere oppdateringshastighet. På en bestemt LED-videoskjerm kan oppdateringshastigheten variere mellom, for eksempel, si 100 Hz og 1 kHz. Det betyr at under maksimal lysstyrke er oppfriskningshastigheten rundt 100 Hz. Men på andre lysnivåer møter vi perioder med høyere oppdateringshastighet.

For modifiserte PWM-metoder blir konseptet for oppdateringshastighet derfor ganske misvisende. Men hvis vi definerer oppdateringsfrekvens som en minimumsperiode som er nødvendig for å fornye bildet for alle lysstyrkenivåer , vil vi unngå alle misforståelser, siden oppdateringshastigheten i denne definisjonen ikke er avhengig av PWM-prosessen.

Interlaced skannebaserte bilder og tidsdeling på LED-videoskjermer

Enkelte LED-skjermbilder er strukturert på en slik måte at man forhindrer strømtilførselen til alle lysdiodene samtidig. Alle lysdioder på en videoskjermer er delt inn i grupper (vanligvis to, fire eller åtte) som er slått på igjen. Det betyr at metoder for å skape bilde beskrevet ovenfor, brukes i sin tur til forskjellige grupper av lysdioder på en videoskjermer. Hvis skjermen har to slike grupper, svarer bildedannelsen til interlaced skanning i analog TV.

Denne metoden brukes for det meste til å lage LED-skjermskjermer billigere, siden denne metoden for bildedannelse trenger mindre mengder IC-drivere (med to, fire eller åtte ganger tilsvarende). Siden IC-drivere bidrar med omtrent 15-20% til å skjerme kostnadene, kan økonomien være betydelig. Videre er tidsdelingsmetoden praktisk talt uunngåelig på LED-skjermbilder med høy oppløsning fordi små skjermskjermer gir alvorlige problemer med å plassere stort antall drivere på PCB og ordne riktig varmeoverføring fra IC-drivere.

Naturligvis fører denne økonomien til lavere lysstyrke på skjermen og lavere oppdateringshastighet (proporsjonalt med antall LED-grupper som er ansatt).

La oss si at vi har en skjerm med to LED-grupper ved hjelp av tidsdelingsmetode. Strømmen leveres til en gruppe for å sikre ønsket lysstyrke. Den andre gruppen er slått av. Etter en oppfriskningsperiode veksler gruppene: Nå blir den andre gruppen drevet mens den første blir mørk. Derfor blir perioden som er nødvendig for å forny all informasjon på skjermen, to ganger lenger.

Begrepet oppdateringsfrekvens i dette tilfellet blir enda mer subtilt. Strengt sett fordobles oppdateringsperioden eller en minimumstid for å forny bildet på hele skjermen. For hver gruppe forblir imidlertid lengden på bildeformasjonsperioden uendret, og vi kan hevde at oppdateringshastigheten forblir den samme som før.

LED-skjerm, oppdateringshastighet og menneskelig øye

For det første påvirker oppdateringshastigheten bildeoppfattelsen. Vi oppfatter vanligvis et bilde på en skjerm som glatt og legger ikke merke til en flimrende effekt, fordi frekvensen av flimring er ganske høy. Vår visuelle oppfatning er både psykologisk og fysisk. De enkelte lysflammene oppsummeres i et "glatt" bilde av vår hjerne. Ifølge Blochs lov varer denne oppsummeringen ca 10 ms og avhenger av lysstyrken på lyset. Hvis lysflimmer med tilstrekkelig frekvens (såkalt terskel CFF - Kritisk flimmerfrekvens), merker det menneskelige øye ikke pulsering i henhold til Talbot-Plateau Law. Terskelen CFF avhenger av mange faktorer som lyskildens spektrum, posisjonering av lyskilden i forhold til øyet, lysstyrkenivå. Under normale forhold overskrider denne frekvensen imidlertid aldri 100 Hz.

Dermed vil et menneskelig øye ikke skille noen forskjeller i LED-skjermbilder dannet med PWM eller modifiserte PWM-metoder med oppdateringshastigheter som varierer fra 100 Hz til 1 kHz.

LED-skjerm, oppdateringshastighet og et videokamera

Men et menneskelig øye er ikke det eneste instrumentet som kan oppleve bilder. Noen ganger bruker vi videokameraer til å ta opp LED-skjermbilder, og videoutstyr er basert på prinsipper som er vesentlig forskjellig fra den som er ansatt av den menneskelige hjerne. Dette er spesielt viktig for alle LED-skjerminstallasjoner i sportsstadioner, messer eller konsertsaler hvor hendelser registreres med kameraer. Eksponeringstid eller lukkerhastighet i moderne videokameraer kan variere fra sekunder til millisekund.

La oss si at vi ser på en LED-skjerm hvor bildet dannes ved hjelp av tradisjonell PWM-metode med 100 Hz oppdateringshastighet. Skjermbildet viser et statisk bilde. Hvis vi prøver å ta opp dette bildet med et videokamera med en 1/8 sekunders lukkerhastighet (dvs. eksponeringstid på 125 millisekunder), vil fotoreseneren ta opp lys fra skjermbildet produsert av 12,5 oppdateringsperioder. LED-skjermen og videokameraet er ikke synkronisert, og hver ramme som er tatt opp av kameraet, vil svare til forskjellig tid relatert til begynnelsen og slutten av oppdateringsprogrammet. Men med denne høye lukkerhastigheten kommer det ingen konflikt, og kameraet tar opp et jevnt bilde av LED-skjermen.

Hvis vi reduserer lukkerhastigheten til 1/250 sekunder når eksponeringstiden er 4 ms, vil en kameramodul være 2,5 ganger kortere enn oppfriskningsperioden på LED-videoskermen. Denne gangen vil uoverensstemmelsen mellom begynnelsen av kamerarammen og begynnelsen av PWM-syklusen være betydelig. Noen rammer vil svare til begynnelsen av PWM-syklusen, andre til midten og andre frem til slutten av syklusen. Hver ramme vil registrere forskjellig lysstrøm og gradvis akkumuleres feilen. Når vi ser på videoen, vil lysstyrken på rammene bli merkbart forskjellig. Vanligvis blir alle objekter som er tatt opp med kort eksponeringstid, mindre lyse. Kameraet tar opp "flimrende" effekt på LED-videoskermen. Hvis eksponeringstiden reduseres ytterligere, vil vi definitivt se noen svarte rammer (når begynnelsen av kamerarammen tilsvarer den korte PWM-perioden når lysdiodene er slått av) og den innspillte videoen vil flimre enda mer.

Således, hvis vi bruker et videokamera til å ta opp en LED-skjerm med tradisjonell PWM-funksjon, bør oppdateringsfrekvensen være kompatibel med eller overgå kameraeksponeringen.

På LED videoskjermer med modifisert PWM-funksjon gjelder samme logikk. Siden i høy lysstyrke-modus, blir "spredningen" på LED-tidene over PWM-syklusen, vil det innspillte bildet være stabile sammenlignet med tradisjonell PWM-funksjon. Men ved lav lysstyrke vil situasjonen forbli den samme: det opptakte bildet vil enten miste lysstyrke eller vil flimre.

Som du ser uten riktig synkronisering, vil noe videoopptak av en LED-skjerm resultere i forvrengninger i det opptakte bildet. Vi kan sammenligne dette med å registrere analog TV med et analogt kamera: forskjellene i skannemodusene til begge enhetene vil føre til en effekt av diagonale svarte linjer som skiller TV-rammer.

Et annet viktig problem er synkronisering av LED-skjermkontrollere. Store LED-skjermer er laget av blokker (LED-moduler og / eller skap) som viser bildebehandling generert av forskjellige kontroller. Hvis disse kontrollerne ikke synkroniserer begynnelsen av PWM-syklusen (dvs. begynnelsen av syklusen på forskjellige deler av skjermen), kan det hende at du opplever følgende problem: Oppdateringssyklusen på enkelte deler av LED-skjermen stemmer overens med kameraer og på andre Deler av skjermen vil det ikke. Hvis eksponeringen er kompatibel med oppdateringscyklus, vil en del av videoskjermen virke lysere, en annen mørkere. Hele bildet vil bestå av mørke og lyse rektangler og vil være ubehagelig å se på.

Kostnaden for LED-skjerm med høy oppfriskning

Uavhengig av PWM-generasjonsmetoden har de alle fellesfunksjoner. PWM-generasjon opererer på en bestemt klokkefrekvens F pwm . La oss anta at vi må generere et visst antall N av lysstyrkenivåer. I så fall kan oppdateringshastigheten F r ikke overstige F pwm / N.

Her er noen eksempler for å illustrere ovennevnte uttalelse:

Disse tallene viser at hver LED på skjermbildet følger noen uavhengig PWM-generasjonsprosess, dvs. PWM-generasjonsmetoden er programmert direkte til IC-drivere.

Med enkle og billige IC-drivere genereres PWM på en kontroller for LED-skjermen. Vi bør da vurdere hvor mange drivere som er koblet sammen og betjenes av en PWM-generasjonsprosess. Hvis en PWM-generasjonsordning krever M 16-utgangskanaldrivere, kan oppdateringshastigheten ikke overstige F pwm / (N * M * 16 , ellers fører det til betydelig lavere oppdateringshastighet eller behovet for å øke klokkefrekvensen.

Ved tidsdeling (interlace scanning) faller oppdateringshastigheten i forhold til divisjonskoeffisienten.

For å øke oppdateringshastigheten på LED-videoskjermer er følgende alternativer tilgjengelige:

• Bruk av "intelligente" (dyre) drivere;

• Økning i klokkefrekvensen i PWM-generasjonsprosessen;

• Reduserer antall lysstyrkenivåer (fargedybde).

Hver metode har fordeler og mangler. Intellektuelle drivere er mye dyrere enn enkle IC-drivere; Økningen i klokkefrekvensen fører til høyere strømforbruk (følgelig krever ytterligere tiltak for varmeoverføring for å unngå overoppheting); Lavt antall lysstyrkenivåer påvirker bildekvaliteten negativt.

Konklusjon: Oppdater på LED-skjermbilder

LED-videoskjermprodusenter bruker ofte oppdateringsfrekvens som et markedsføringsverktøy når de har en utmerket skjermkvalitet. Forutsetningen er at jo høyere oppdateringshastigheten jo bedre er bildekvaliteten. Imidlertid tjener tallene bare for å forvirre potensielle kunder. For eksempel betyr oppdateringshastighet på flere kHz at enten den modifiserte PWM-generasjonsmetoden er brukt (når oppdateringshastigheten faktisk er forskjellig for forskjellige lysstyrkenivåer) eller at fargedybden er uakseptabelt lav.

Vi bør huske at høy oppdateringshastighet og høy fargedybde kun kan forekomme ved høy lysstyrkenivå, som i seg selv er en misforståelse, siden en LED-skjerm ikke alltid skal fungere med 100% kapasitet.

For tilfelle av interlaced scanning vil oppdateringshastighetsverdien bare svare til en PWM-syklus for en LED-gruppe, mens den faktiske oppdateringshastigheten for skjermen (som påvirker vår oppfatning) vil være flere ganger lavere.

Det er mer informativt og ærlig å nevne fargedybde og klokkefrekvens for PWM og omtrentlig rekkevidde for oppdateringshastighet for skjermen (for eksempel 200-1000 Hz) ved endret PWM-skjermfunksjon. Hvis en LED-videoskjermer er basert på tidsdelingsprinsippet (for eksempel, tidsdeling = 1: 1 - fravær av tidsdeling, tidsdeling = 1: 2 - PWM virker bare på halvparten av skjermen etc.).

Ovennevnte parameter er ikke avgjørende for vår oppfatning. Menneskeøye registrerer ingen forskjell i bildekvalitet ved frekvenser over 100 Hz. Derfor bør man bestemme om høy oppdateringshastighet er virkelig nødvendig, og hvis det er verdt å betale ekstra for det.

Oppdateringshastighet og ensartethet av det innspilte skjermbildet er bare viktig i tilfeller hvor en LED-skjerm ofte blir en gjenstand for videoopptak (stadioner og konsertsaler). Derfor er det bedre å først foreta noen prøveopptak før du signerer kjøpekontrakten.