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大型LED全彩显示屏的相关技术问题分析

本文主要讨论以下几个方面

1、{cke_protected_1}如何解决大型LED全彩显示屏的配光、白平衡和色彩*性问题

2、{cke_protected_2}全彩色LED显示屏控制设计中的相关技术

    LED显示屏是一种由计算机技术、信息处理技术、电子技术、光学及色度学等*相结合的电子显示器，一般地说，LED显示屏又分为单色屏，双色屏及全彩屏。所谓单色屏，顾名思义，显示器是由单一的某种颜色的LED组成。把红色和绿色LED作为一个像素的显示屏叫双色屏。把红、绿、兰三种LED放在一起作为一个像素的显示屏叫三色屏或全彩屏。早期由于价格和技术多方面的因素，LED显示屏主要以单双色为主，但随着技术的不断进步和成本的降低，全彩屏正以一种*的速度在普及和推广。特别是北京申奥的成功，它提出“绿色奥运"的号召，使得LED全彩屏的市场前景更为诱人。本文要讨论的也正是目前应用很广的全彩显示屏。

    LED全彩屏分为室内屏（Indoor）和户外屏（Outdoor），我们先介绍几个全彩屏的常用术语。

    点(Pixel)：像素点的简称，一般由R/G/B三种颜色的LED组成。按组成的方式不同，又分为1R/1G/1B、2R/1G/1B、2R/2G/1B等不同的组合方式，它是全彩屏的基本成像单位。

    点间距（Pitch）：显示屏各像素的中心点之间的距离，一般用mm表示,它决定了一个全彩屏的像素数量。

    灰度等级(Gray Scale)：显示屏亮度调节的精细度就叫做显示屏的灰度等级,一般地说,灰度等级越高,显示颜色就越丰富。LED改变颜色的驱动方式一般有两种，一种是改变LED的电流。一般来说，LED 的工作电流设定在20mA以下，以保证LED的抗衰减性。另外一种是利用人眼的视觉惰性，用脉冲调制来实现灰度控制。人对像素平均亮度的感觉可取决于它的衰/灭（占空比），即周期性地改变占空比，只要这个周期足够短，人眼就感觉不出它的衰/灭。

一般地说，室内屏的点间距（Pitch）为2-12mm，其中2-8mm的室内屏一般使用TOP型的贴片方式或现在发展起来的亚表贴方式。户外屏的点间距（Pitch）为14-26mm，以现在绿色LED亮度水平，Pitch为16mm和20mm的显示屏是其中zui主流的产品。

  国内的显示屏制造商，经过这十几年的发展，进步非常快，但和欧美日等发达国家相比，还是有一定的差距，特别是其中zui主要的显示器件LED的封装工艺及设计水平，在LED的配光、配色的方面还存在很多不足之处，在此我们讨论如何来提高LED配光水平和屏体色彩的*性。

    LED配光方法是一整套技术，它包括投产晶片的管理、封装工艺的控制、白平衡的调配及LED Lens的光学设计和屏体装配工艺的控制等等。现分别陈述如下：

一、 晶片的管理

       在生产全彩显示屏用的LED时，需要对晶片的控制特别严格，除了要达到亮度要求和波长要求外，以下两点细节要特别引起注意，一是产品的亮度要成正态分布，不能出现亮度不连续的现象，波长也要成正态分布，而且要特别注意晶片投料时一定要把所投晶片的波长平均值明细以及每板晶片的数量列出，要在电脑上进行分析，也可以作一个直方图，以明确晶片的波长分布是否成正态分布。如果以上细节不注意，在屏体生产调白平衡时，由于LED的亮度和波长不成正态分布，调整起来就特别困难。

二、 白平衡设计

   为方便下面的介绍，我先介绍几个术语及定义。

    白平衡：将三种颜色调配到一种设想的白色的过程。调配可分两个内容：颜色和亮度。
1：设定固定条件：温度、电压、选用电源线。
2： 设定颜色目标及范围（公差），一般是指目标颜色的X，Y值。  
3：进行白色亮度调节。
混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色的亮度总合称为亮度相加定律。

    为了便于理解我们以举例的方式来介绍如何配光。

    我们知道，混合一种白光的R/G/B大致比例为3：6：1，我们根据这个知识就很方便地计算出每种颜色LED所需的亮度值。

    比如有一客户需要一块Pitch为16mm，亮度为5000Nit的户外全彩屏，那么我们应该怎样来计算我们的LED每种颜色到底需要多高亮度。
1. 先计算每一平方米的Pixel数量=1 m2/（16mm X16mm X10^-6）=3906 pcs/m2
2. 每一Pixel的亮度=5000Nit/3906 pcs/m2=1.28cd/m2
3. 如果像素组成方式为1：1：1时，则可按以下方法计算
            Red=1.28 X 30% X 1000=384mcd
            Green=1.28 X 60% X 1000=768mcd
            Blue=1.28 X 10% X 1000=128mcd，

这样我们很快就知道了答案，很方便是吗？但以上计算方法只能很粗略地计算，而且有一点要特别注意，由于LED装上屏后，要封上一层黑胶，这会降低LED的亮度，再加上各种不同的LED在老化后都有不同程度的衰减，根据多年的经验，为使显示屏达到在阳光下图像清晰所必需的5000Nit，将设计值提高30%，即为6500Nit比较安全。

Led显示屏除了正面要保证白平衡良好外，另外还要保证R/G/B三种颜色的LED亮度变化在左右各90度的范围内保持高度*，这样才能使屏在任意角度观看都不会觉得偏色。红色晶片和双垫极的绿、蓝色晶片，在晶片的材质、各结构层的厚薄、折射率以及它们裸晶光斑都有很大的差异，且它们的物理尺寸也相差太大，要想使它们在左右各90度的范围内保持*，须使用不同的光学Lens（模条），这就要求为红色晶片和绿、蓝色晶片单独定制不同的光学模条，这也是为什么有的LED显示屏在正面看白色很好而在侧面看就会偏色的原因。

三、 如何控制色彩*性

Led显示屏产生色彩差异的原因主要有以下几个

1、同一块屏选用了不同档次波长亮度的 LED

2、由于各模组和箱体之间的平整度不能保证*，每个模组塑料外壳安装平整度的微小差异，每一块模组在焊接LED时与电路板的垂直夹角的微小差异、灌胶时残留在LED上的胶都会影响屏体的*性。

消除色彩差异的措施

针对上述产生马赛克的三个原因，可采取了以下针对措施，尽量消除差异：

1、采用专业的灌胶设备，严格控制胶量相同，并且防止胶洒落在LED上。目前由于很多显示屏厂家为了控制生产成本，大多还采用手工灌胶，这是目前LED显示屏出现色彩差异的一个主要原因。

2、制作专门的整形工具，在LED过完波峰焊过后，对每个模组LED进行精确的整型，保证各模组之间LED与电路的垂直夹角相等。目前很多的LED显示屏生产厂家在整型过程中只是用肉眼来观看，这也很大程序上影响了各模组色彩的*性。

　　3、单模块亮度控制技术，是采用改变各模块之间各基色LED的平均电流从而调节模块的亮度，达到消除亮度*性差的目的。

4、同一显示屏一定选择同一品牌、同一规格、同一档次波长和亮度的LED。

控制系统的其本组成和技术特点

一般全彩LED显示屏系统根据功能可大致分为以下四个部分：视频转换及处理，视频控制，信息传输及显示控制。

1、视频转换及处理

各种不同的视频信号经过各自的处理通路，按设定的要求，转换为统一的形式，再经过选定的DVI信号处理后，以DVI格式输出至视频控制部分。

2、视频控制

视频DVI信号及计算机DVI信号经各自的D到D转换，及Fi-Fo（*先出）存储及复杂的编码过程后，形成符合LED显示系统标准的资料系统。然后在电路控制下，将两种图像合二为一。实现计算机图像对视频的叠加（over lay）。

3、信息传输

为了便于传输，信号将被处理成串行的数字信号，经网线或光纤系统进行传输，并将还原后的串行信号送至显示屏，处理分配后控制各自的LED显示控制单元。

4、显示控制

显示控制模块是整个系统很关键的一部分，该模块的质量和性能决定了显示画面的质量及效果。人眼对颜色的感觉与光的谱线分布没有直接的，即人眼只能分辨颜色的三种变化：亮度、色调和饱和度。现代色度学采用CIE所规定的颜色测量原理、资料和计算方法，即我们所熟悉的CIE1931色度图。

依据CIE色度图，我们采用对LED进行恒流阶梯式驱动方式，并且实现对每个像素进行控制和采用特殊的工艺，保证LED全彩显示屏在不同的条件下实现*的色彩显示，使亮度、色调和饱和度相匹配。

显示控制部分说明

按信号处理的前后过程，我们对显示控制进行简要说明：

1、输入信号组成：R、G、B各8bits数字数据，8bits地址传送信号，H同步，V同步，像素时钟，芯片时钟。Flash ROM写入用I2C总线，通过片选信号，可一次写入256片。

2、输入信号首*入缓冲器，然后R、G、B数据信号进入高速SRAM，8位地址信号进入控制单元，控制单元根据地址控制SRAM读进相应显示部分的数据。H、V、时钟三组位置信号进入同步处理单元进行处理。

3、控制单元从SRAM中取出数据作为GAMMA表（Flash ROM）的地址，从中取出校正后的8位数据送至下一级：颜色校正及增加单元。Flash ROM中的GAMMA校正表是根据人眼特性编制的亮度对应表。

4、颜色校正及增加单元由矩阵运算及颜色校正数据表（Flash ROM）组成。其中颜色校正表存有该显示模块通过逐点光学测量得出的各点校正数。矩阵运算部分作用是将R、G、B输入信号和校正表系数进行函数运算。运算结果即由R、G、B各8bits转换成R、G、B各13bits。

5、13bits数据信号经低速缓冲SRAM做时序调整后送入数据分配单元。

6、数据分配单元按每列16pixels宽的方法将数据进行重新分配。

控制系统设计中的相关技术

1、视觉非线性Gamma校正技术

在广播电视设备发展的初期，由于主要采用的显示器就是我们现在广泛使用的电视机，其中采用的发光器件就是阴极射线管（即CRT），也就是我们通常说的显像管，它的光输出特性与输入控制电压（的γ次方成正比）成非线性关系，为了保证显像管能够正常的还原视频信号，在信号源的发生设备上对信号进行了非线性预校正，也就是说，目前，我们使用的所有视频信号源（广播电视信号、DVD、VCD、摄像机等视频信号）都经过了非线性的预矫正处理，即1/γ校正。

LED显示屏属于大型平板显示设备，发光二极管的亮度与驱动信号成线性关系。所以，LED显示屏在播放视频信号时，必须对输入的视频信号进行非线性γ反矫正，才能够显示正常的图像信号；否则，如果不对输入的视频源信号做非线性校正处理，大屏显示的视频图像在层次和色彩上都会严重失真，直接影响显示效果。

在我们的LED显示屏系统设计中，采用了目前较科学的γ校正处理技术，对数字三基色视频信号分别进行数字γ校正，在完成γ校正的同时，并不损失灰度层次，使显示屏图像更鲜艳、更逼真，更清晰。

2、色空间转换技术

由于LED三原色的波长和NTSC/PAL系统的三原色波长不同，LED的颜色空间会大于NTSC/PAL的颜色空间。而且各种信号源的采集和制作均是按照标准的NTSC/PAL系统标准颜色空间进行，因此如果用LED大屏幕再现视频内容，颜色将会显得过分鲜艳和不自然。因此需要采用一种颜色空间转换技术，以符合NTSC/PAL的再现，使屏幕更加自然和流畅。

3、场倍频技术

目前，世界上采用的电视制式主要有PAL、NTSC、SECAM三种，场频一般为50Hz或60Hz，对于电视机显示视频图像信号时，由于其亮度大约在300尼特（cd/m²），人眼在观看时，不会引起闪烁感。但是，随着亮度的提高，人眼的临界闪烁频率也随之相应的提高，否则会引起大面积闪烁现象。当LED显示屏在户外或户内环境光较亮的场所使用时，亮度要求高达1800—7000尼特（cd/m²），在这么高的亮度下，只有提高场频，才能避免观看时会有的大面积闪烁现象。采用场倍频技术处理后，即将LED显示屏的场刷新频率变为200Hz以上，就可以有效的克服LED显示屏在高亮度下的频闪现象。

4、帧刷新技术

在早期的LED显示屏控制系统设计中，对显示屏数据信号的刷新处理采用的是与电视机逐行扫描方式类似。即将一幅图像平均分成1～n的若干行，当传输图像信号时遵循从第1行至第n行的规则逐行方式传输。这种方式的弊病在于传输第1行和传输第n行期间的延迟时间大约是20ms或16.67ms。那么当显示快速运动图像时，就会造成显示图象的畸变。这些现象用视觉直观体现出来，就是我们平时看到的——高速物体运动图像播放不连续；或画面变成锯齿状等等现象。

为了克服这些问题，就要在LED显示屏控制系统设计中采用帧刷新技术，即显示屏的数据刷新方式是整屏同时刷新，而不是逐行刷新，消除了传输第1行和传输第n行期间的延迟时间，提高了图像的还原质量，同时还可以和高速摄像机配合使用，能够较好的显示快速运动图像，不会失真。

5、数据传输

在以往的显示屏系统设计中，有关主控器与显示屏体之间的数据传输往往是采用同步时钟和图像数据并行的方式通过很多数据线传输，当传输信号的频率较高时，传输线上的延时差异，将会导致同步时钟和图像数据之间的相位差异，使屏体显示不正常，具体表现为：花屏、杂波杂点多、图像镶边等现象。

为了克服传输延时对显示屏整体效果的影响，在系统设计中，主控器与显示屏体之间的数据传输更应采用同步时钟和图像数据串行的方式通过光纤或5类双绞线数据线传输，这种方式能保证同步时钟和图像数据之间的相位，因此，这是一种有效且可靠的传输方法，并且，通过特定的数字视频编码技术实现显示屏的控制量与同步时钟、图像数据一起通过一根数据线传输，优化整个系统设计。

6、电源缓启动技术

由于整个显示系统的功耗相当大，如果全部瞬间加载，势必对电网造成*的冲击，影响整个电网的稳定性，因此需要在系统设计时让显示屏上电后亮度由zui低零逐步增加至正常值，缓解对电网的冲击。

7、颜色倍增技术

信号通道需要采用颜色倍增技术，从8bits增至13bits或更高使图像的颜色等级大大增加，才能使图像在低亮度区更加*再现。

目前，LED电子显示屏正向超高亮度、高分辨率、高灰度级方向发展，系统的运行、操作与维护也向集成化、网络化、智能化方向发展。国内的电子行业及研究机构也在不断追踪着潮流，加大研制及产业化的步伐，积极开拓国内外市场，努力使其*产品在大屏制造业。

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