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實戰經驗:LED顯示屏的室內場所應用設計方案(上)
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日期:2015-11-12 10:25 信息來源:深德彩

维戈塞尔塔国王杯亚军發展至今已歷20 余年。從起步時顯示文字內容為主,到之后的圖文并茂及動態視頻,被廣泛應用在戶外大型廣告、舞臺表演、展覽展示、賽事運動等各種場合。

與其他顯示設備一樣,LED電子顯示屏從誕生開始,就伴隨著技術進步和升級換代,相比其他顯示設備的大尺寸、超輕薄、高分辨率,LED 顯示屏在近距離觀看的畫面顆粒感、長時間觀看的舒適度等方面技術上也有很大改進;并且隨著小間距高密度、低亮度顯示屏等技術的快速突破,促使LED 顯示屏進入室內,與DLP 拼接、LCD 拼接、PDP 拼接、工程投影機等一起成為室內大型顯示主流方式,越來越廣泛地應用到室內多功能禮堂、會議中心和調度指揮中心。

本文結合工程建設較全面地分析了某禮堂LED顯示屏的設計、安裝、測試及維護等注意事項。

  項目基本情況  
1.1 項目的建設需求
多功能禮堂的顯示系統分為主顯示屏(以下簡稱“主屏”)、輔顯示屏(以下簡稱“輔屏”)和會標屏3 個部分。主屏建設需求是建設大幅面、高清晰度的大屏幕,顯示多個計算機數字信號、本會場攝像、遠程監視或異地會商的視頻信號等,實現攝像、講解資料、視頻會議等畫面的顯示,同時還要兼顧舞臺演出背景;輔屏建設需求是顯示一個標清信號,實現會議輔助內容的顯示,也可用作演出時的報幕、字幕等;會標屏則需要顯示多種顏色的文字。

禮堂舞臺部分寬20m、深17m、高18m, 臺口處寬15m、高7.8m ;舞臺上方安裝燈光、幕布等舞臺機械裝置;臺口兩側耳墻距地面3m,寬8m,高6m。設計主屏顯示面積至少72m2(12m×6m),屏前是主席臺會議和演出的場所,屏后則是演員通過和維護空間,第一排觀眾距屏至少17m ;輔屏在耳墻上,顯示面積至少12m2(4m×3m)。

1.2 顯示技術的確定
對于DLP 拼接顯示墻、LCD 拼接顯示墻和LED 電子屏,不管采用何種方式,都要滿足禮堂視頻會議和現場演出的顯示需求,結合現場情況,對3 種顯示方式進行分析比較。

1)DLP 拼接顯示墻
DLP 拼接系統的優點是對比度高、色彩細膩、分辨率高,拼縫小于0.25mm ;缺點是顯示效果受舞臺燈光影響較大,亮度和色彩會因投影設備的衰耗不同而難以均勻,燈泡壽命短,維護耗材費用高。

2)LCD 拼接顯示墻
LCD 拼接單元尺寸一般為為1397mm、1524mm,單元亮度小于1000cd/m2,拼縫最小為2.4mm,壽命6 萬小時,優點是體輕薄、噪音低、散熱少、易維護,適合近距離觀看;缺點是因單元尺寸小,拼接大屏后拼縫多且明顯。

3)LED 顯示屏
室內LED顯示屏亮度大于1500cd/m2,可以以任意面積拼接為無縫的顯示墻,色彩一致性好,壽命10 萬小時,對應用環境要求低;缺點是近距離觀看顆粒明顯,如果顯示面積不夠大,圖像需要壓縮,影響畫面顯示的清晰度。

相比較3 種顯示技術,對于DLP 方式,為了在17m 的距離清晰地觀看屏幕顯示內容,要求采用高亮度、高對比度的激光光源DLP 投影進行多屏的拼接,工程造價較高,并且演出應用可能會產生灰塵和道具觸碰,因此DLP 拼接顯示墻不是理想選擇;

對于LCD 方式,顯示視頻會議圖像會出現人的面部分割的不良顯示效果,同時,對于禮堂環境在距17m處觀看屏幕亮度不夠高;

對于LED 顯示方式,由于觀看距離最小是17m, 顯示面積在72 m2 左右,所以LED 拼接墻的缺點完全可忽略,并且隨著電子產品成本下降,整體造價也不高,系統有超長壽命、低應用環境,維護容易,適合會議電視和舞臺演出。

  影響顯示屏體質量的關鍵技術  
LED 顯示屏在設計屏體時,要考慮顯示內容的需要、場地空間條件、顯示屏單元模組尺寸或像素大小三個重要因素,同時還要確保生產工藝、技術指標等適合室內實際應用需求,再結合整個項目的造價,進行合理設計。

2.1 顯示點距的選擇
視覺顆粒感主要來自人眼有一定的分辨力,在一定距離觀看兩點,當兩點緊密到一定程度時,人眼將無法分辨。近兩年隨著LED 顯示屏制造技術的提高,小間距LED 屏體分辨率不斷提升,室內顯示設計已從初始選擇最小的點距規格方案提升到選擇合適的點距規格方案。一般從最小視距、最佳視距、系統造價和屏幕顯示分辨率等方面綜合比較,確定系統采用的顯示屏規格。

表1 將比較典型的顯示屏規格進行對比,P5、P4、P3、P2.5、P2、P1.6 的規格為室內常用規格,“P4”表示像素點距為4mm,最小視距為人眼分辨不出像素點顆粒的距離,但這個距離長時間觀看會損傷視力,最佳視距為觀看屏幕舒適的距離,也是最清晰的距離。

通過表1 對比可以看出,P2.5、P2、P1.6 三種規格,最小視距和最佳視距非常接近大平板電視的觀看要求,整屏分辨率高達4800×2400,在同樣的屏體上可以顯示更清晰的畫面,但在12m寬的屏幕上顯示一個高清信號需要放大3~4倍,顯示兩個高清畫面需要放大2 倍;同時高分辨率顯示需要高性能的圖像處理設備,系統的整體造價會很高。

P5、P4 兩種規格在12m 寬的屏幕上無法同時顯示兩個高清畫面,不能滿足高清會議電視畫面顯示要求。P3.1 和P3 兩種規格即可滿足同時顯示兩個高清畫面的要求。根據顯示屏幕大小,最終選定性價比較高的P3.1 作為項目主屏和輔屏的顯示點距,選定P4 作為會標屏的顯示點距;LED 燈芯選擇國內一線品牌,如士蘭、晶元、乾照、三安等。

2.2 像素封裝技術
決定LED 品質的一個因素是主要材料,如芯片、支架、膠水(環氧樹脂)、金線等,另一個因素是封裝工藝。像素封裝技術關系到整個顯示屏的色彩飽和度、視角等顯示效果和生產成本、質量穩定性等,是選擇LED 顯示屏非常關鍵的指標之一。

  LED 室內主流封裝技術主要有表貼、直插模式  
表貼是指將封裝好的發光管粘貼在電路板上,然后進行集成電路焊接工藝加工成屏體。它散熱性好、色彩均勻,整個顯示屏可以正面維護,大大減小了維護成本和難度;同時,在封裝過程中進行填充金屬化合物,混色效果好,發光柔和,更適合室內應用。

直插??槭墻⒐夤芊庾俺沙し叫?,然后把紅綠蘭3 個管拼在一起做成一個像素點???,直接安插在PCB 板上焊接,工藝相對簡單、成本較低,壞點率高,主要應用于戶外顯示屏。

室內屏的像素結構有表貼三合一和表貼三拼一(分離表貼)兩種方式。

三合一表貼是指紅綠藍3 個發光點封裝合成在同一個發光管里面,近看是一點, 放大看就是3 個發光點分離的一條線,對生產環節的材料和工藝要求高,主要用于小間距、高密度高端LED 顯示屏的生產。

三并一表貼(分離表貼)是指紅綠藍3 個發光點是分開封裝的,封裝后排列成1 個像素點,再封裝1 個面罩?;?,能防塵、防劃,并能?;し⒐餼?。三并一是分離表貼,三點分開供電,功耗小,且可實現單燈維修,成本較低。

一般來說,為了提升室內屏的顯示效果,選用表貼三合一、黑燈技術、金線封裝


2.3 LED 控制電路的設計
LED 控制部分是決定顯示效果的核心部分,控制電路內置高性能單片微型控制芯片??刂破魍ü誆靠刂瞥絳螄騆ED 驅動芯片發送控制信號和數據,LED 驅動芯片接收到信號后,產生相應的動作,從而對每一路紅、綠、藍LED 發光芯片實現單獨控制。

2.3.1 驅動系統
LED 驅動部分的功能是接收顏色數據并驅動LED顯示屏按該數據所表示的亮度值顯示,通常有恒流、穩壓、恒壓-恒流3 種方式。

恒流驅動電路輸出的電流是恒定的,輸出的直流電壓隨負載阻值變化而變化,整個電路不怕負載短路,但嚴禁負載完全開路。穩壓電路輸出固定電壓,輸出電流隨負載的增減而變化,整個電路不怕負載開路,但嚴禁負載完全短路。先恒壓再恒流方式是最理想的驅動電路,既要檢測LED 電流,又要控制LED 電壓,有利于提高LED 壽命,減小功耗,一般用于高檔LED 產品中。

2.3.2 控制系統
LED的顯示效果取決于通過它的電流與電壓的大小、時間等,所以控制系統主要是控制LED 的電源輸出。目前,PWM(脈沖調制)控制方式設計的LED 電源,轉換效率高達80%~90%,且輸出電壓或電流十分穩定,屬于高可靠性電源。

PWM可以控制LED 開和關的時間比例,通過將時間比例劃分為若干等級,使LED顯示出相應數量的灰度等級(灰階)。三基色的灰度等級的乘積,是顯示屏理論上可以再現的顏色數量,一般為256 級,顏色數達到16.7M,就可顯示24位真彩色的信息。

一般PWM 的頻率大于100Hz,否則在觀看時會有顯示的閃爍和掃描線。現在灰度等級為10 位的大屏,刷新頻率大多為800 ~ 1000 Hz, LED 行業最高刷新率為6800Hz。在攝像機正常取景及轉動下,LED 屏體畫面顯示穩定無閃爍,而且在最高刷新率下灰階過度順滑,沒有串色。

2.3.3 驅動系統與控制系統的組合
LED作為電路的負載,與驅動系統、控制系統的電路連接關系到整個顯示屏的穩定性,一般有串聯、并聯、混聯3種方式。

串聯方式是可靠性不高的連接方式,常用于低端產品中,在穩壓驅動電路中,當某一顆LED 發生短路時,分配在其他LED 的電壓將升高,容易造成更多損壞。

并聯方式適用于電源電壓較低的產品,恒流驅動電路中,當某一顆LED斷開時,分配在其他LED 的電流將增大,容易損壞電路上所有的LED。(整理來源:廣東LED)

目前為了提高產品的可靠性,一般采用混聯方式,串、并聯的LED 數量平均分配,分組并聯,再將每組串聯在一起,這樣分配在一串LED上的電壓相同,通過每一顆LED 的電流也基本相同,LED 亮度一致,同時最好在恒流輸出中增加LED 溫度負反饋,防止LED 溫度過高。

整個顯示屏由多個模組單元拼接而成,為了保證供電和數據的可靠性,也必須采用混聯方式,實現環路備份功能,當某一路電源出現異常故障時,其他電源會自動進行智能均流,從而不影響到系統的正常使用,更有效提升系統的無故障運行時間,減少故障維護時間。


2.4 會議攝像對屏體的特殊要求
雖然高刷新率能夠保證即使在高速攝影機的拍攝下,大屏幕仍能及時響應,畫面轉換、過渡更平滑流暢;但在使用過程中會發現,當攝像機鏡頭對準 LED 顯示屏時,偶爾會出現莫名其妙的水波一樣的條紋和奇怪的色彩,并且隨著拍攝角度的變化、攝像機鏡頭焦距的調節,水波紋還會發生一些變化,十分影響直播和錄制的顯示效果,這就是電視攝像數字化帶來的摩爾紋現象。

如果感光元件 CCD(或 CMOS)像素的空間頻率與影像中(LED)條紋的空間頻率接近,就會產生摩爾紋。既然摩爾紋現象是由LED顯示屏的固有結構產生的,如果使摩爾紋產生的條件——LED顯示屏的網格結構或攝像機 CCD(CMOS)的網格結構的其中之一消失,理論上就可以完全消除摩爾紋干擾。

國內公司在LED顯示屏表面疊加一層光學處理幕,該幕由特定比例的特殊吸光材料與表面微珠透鏡涂層組成,通過光學幕的使用,使 LED 屏幕從原來的網格狀發光變為連續的面發光,通過對離散的 LED 像素點進行放大顯示,最終在光學處理幕表面形成連續的高清晰圖像,在提高對比度的同時,保留了較高的清晰度,而且消除了摩爾紋現象。(整理來源:廣東LED)


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