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LED显示屏,小间距关键显示技术的发展

2021-03-09 14:28:53丨作者:泰森光电led显示屏厂家丨文章点击:

泰森led作为led行业的老牌生产加工企业,在led的技术上也是不断深耕,今天就为大家讲解下我国显示屏是如何发展到现在的。

如今,LED产品已经和人们有着密不可分的关系。走在大街小巷,人们随处可见LED相关产品。LED产业投资

俨然很热的一个重点项目,全球各国对LED的研发生产都比较重视。LED行业发展至今,经历过许许多多的风

风雨雨。纵观LED行业的发展趋势,已经取得明显的成绩是不容置疑的。目前,我国LED产品技术创新与应用开发能力

逐渐提高,器件可靠性研究位置愈发突出,测试方法与标准也渐行渐近,所有这一切均标志着中国LED产业已经进入

了一个崭新的发展阶段。那么,LED在这几十年经过了什么样的发展过程呢?



经过30多年的发展,中国LED产业已初步形成了包括外延片的生产、芯片的制备和封装,以及LED产品应用在内的较为

完整的产业链。有迹象表明,未来3-5年内,LED照明真正取代传统照明的时代就要来临,到那时,LED进入千家万户的

市场条件将基本完善,如,宏观政策、行业检测标准、商业模式、产业链成熟程度、性能指标、生产规模等等。

到时,LED行业必将经历一场声势浩大的洗牌、市场重组运动。对于国内LED应用厂商来说,目前应当考虑的首要问题

是,3-5年后,当LED行业完全市场化且面临洗牌的时候,如何在国内厂商的激烈竞争和国外巨头的压制排挤的内外双

重压力下生存下来,倘若生存下来,又将以何种角色继续在市场中搏击。

LED电子显示屏无论白天夜晚、晴天雨天,都能够让观众看清显示内容,满足人们对显示系统的需求。一个好的LED

显示屏,设计上,性能上都需要有着非常良好的表现,如何选择合适的LED显示屏,需了解、考量以下6种关键技术 :


1、图像采集技术

LED电子显示屏显示图像的原理主要是将数字信号转变为图像信号并通过发光系统呈现出来。传统做法是利用视频采

集卡结合VGA卡实现显示功能。视频采集卡 的作用主要是采集视频图像,并借助于VGA 获得行频、场频、像素点的

索引地址,获得数字信号的方式主要通过复制颜色查找表。一般可利用软件进行实时复制或者硬件窃取方式,相比来

说硬件窃取方式更加 高效。但传统方法存在与VGA之间兼容性问题,并由此导致边缘模糊、图像质量差等不良情况,

最终造成电子显示器图像质量受损。

基于此,行业专家研究出专用视频卡JMC-LED,该卡的原理是基于PCI总线利用64位图形加速器促进VGA以及视频功

能合二为一,并实现视频数据以及 VGA数据形成叠加效应,之前存在的兼容性问题得到有效解决。其次在分辨率采

集上采用全屏方式,保证视频图像全角度最佳化,边缘部分不再模糊,并可对图像 进行任意缩放和移动,满足不同

播放要求。最后能够实现红绿蓝三种颜色的有效分离,满足电子显示屏真彩播放要求。

2、真实图像色彩再现

全彩LED电子显示屏在视觉表现上的原理与电视机类似,通过红绿蓝三种颜色有效组合实现图像不同色彩还原再现。

红绿蓝三种颜色纯正度会直接影响到图像色彩的再现。需要注意的是图像在再现并非红绿蓝三种颜色的随机组合,

而需要一定前提。

首先红绿蓝三种颜色光强之比应接近于3:6:1;其次相比于其他两种颜色人们在视觉上会对红色有一定敏感性,

因此需要将红色在显示空间上均匀散布;第三由 于人们的视觉在针对红绿蓝三种颜色光强的不同非线性曲线响应,

因此需要对不同光强的白光对电视机内部射出光进行纠正。第四不同人在不同情况下对色彩分辨能 力存在差异,

因此必须找出色彩再现的客观指标,一般如下:

(1)红绿蓝三种基色的波长:660nm,525nm,470nm;

(2)使用4管单元配白光为佳(多于4管也可以,主要取决于光强);

(3)三种基色灰度为256级;

(4)必须采用非线性校正对LED像素进行处理。

红绿蓝三种颜色配光控制系统可由硬件系统实现,也可以配之相应播放系统软件得以实现。


3、专用现实驱动电路

对当前像素管几种方式进行分类主要有:(1)扫描驱动;(2)直流驱动;(3)恒流源驱动。针对不同需求的屏幕,

采用的扫描方式是不同的。对于户内点阵块 屏,主要采用扫描方式,对于户外像素管屏,为保证其图像的稳定性和

清晰度,必须采用直流驱动方式,给扫描装置加上一个恒定电流。

早期LED主要采用低压信号串并转换方式,该种方式存在焊点较多、制作成本高昂、可靠性不足等缺点,这些缺点在

一定时期内限制了LED电子显示屏的发展。 为解决LED显示屏以上缺点,美国某公司研制出专用集成电路,

简称ASIC,该种集成电路能够实现串并转换以及电流驱动合二为一,该集成电路具有以下特 点:并行输出驱动能力

大,驱动电流课高达200MA,LED在此基础上能够立即被驱动;电流电压公差大,范围宽,一般可在5-15V 之间灵

活选择;串并输出电流较大,电流流入以及输出都大于4MA;数据处理速度更快,适合与当前多灰度彩色LED显示

屏驱动功能实现。

4、亮度控制D/T 转换技术

LED电子显示屏有众多独立像素点通过排列组合的方式构成,基于像素间互相分离这一特点,LED显示屏发光控制驱

动方式只能够通过数字信号形式展开。当像 素点发光时,其发光状态主要由控制器控制,并实现独立驱动。当视频需

要一彩色方式呈现时,意味着每一像素点的亮度及色彩都需要得到有效控制,并且要求在规 定时间内同步完成扫描操

作。

一些大型LED电子显示屏有数以万计的像素点组成,在进行色彩控制过程中其复杂性大大增加,因此对数据传输提出

更高要求。实际控制过程中对每一像素点设置D/A是不现实的,因此必须寻找出一种能够有效控制复杂像素系统的方案。

对视觉原理进行分析,人们对像素点平均亮度的主要取决于其亮/灭比例,针对该点若是先对亮/灭比例的有效调节便

能够实现对亮度的有效控制。将这一原理利用到LED电子显示屏中便意味着将数字信号转变为时间信号,即D/A之间

的互相转换。

5、数据重构和存储技术

当前存储器组组织方式主要有两种,其一为组合像素法,即画面上所有像素点位均存放于单个存储体中,另一个为位

平面法,即画面上所有像素点位均存放于不同存 储体中。储存体多个使用直接作用就是能够一次实现多种像素信息的

读取,两种组织方式见。以上两种存储结构中位平面法具更具优势,在提升LED屏显示效果时 效果更佳。通过数据重

构电路以实现对RGB数据的转换,将具有不同像素的同权位进行有机结合并放在相邻储存结构中。

6、逻辑电路设计中的ISP技术

传统LED电子显示屏控制电路主要采用常规数字电路设计完成,对其控制一般采用数字电路组合方式。传统技术在电路

设计部分完成后首先进行电路板制作工序, 制作完毕开始安装相关元件并调试效果。当电路板逻辑功能无法负荷实际需

求时需重新制作,直至其满足使用效果为止。由此可见,传统设计方式不仅在效果上具有 一定偶然性,并且设计周期较

长,影响各项工序有效展开,当元件出现故障时维修困难,成本高昂。

在此基础上,系统可编程技术(ISP)出现了,用户能够在自己设计的目标以及系统或电路板等原件上具有反复修改的功

能,实现了设计师们硬件程序向软件程序 转化的过程,数字系统在系统可编程技术基础上焕然一新。随着系统可编程技

术的导入使用,不仅缩短了设计周期,还在根本上拓展元件用途,现场维护以及目标设 备功能实现被简化。系统可编程

技术的一个重要特点就是采用系统软件输入逻辑时不需考虑所选器件是否有影响,在输入时可随意选取元件,甚至可选

择虚拟元件, 输入完成后在进行适配即可。

    凭借着真正的无缝拼接、高性价比、出众的显示效果等优点,已经被越来越多地应用在控制室、指挥大厅、会议中心

等关键场合。


1、图像拼接处理器的要求

随着LED显示屏像素间距不断变小,观看距离不断拉近,为了达到出色的显示效果,不但要求LED显示屏本身在图像

和拼装工艺上精益求精,对LED显示屏前端的图像拼接处理器(以下简称拼接器)也提出了更高的要求:

(1)证输出同步性,避免拼接画面不同步现象;

(2)优化图像处理算法,使经过缩放处理的图像保持高清晰度;

(3)自定义输出分辨率,应对LED显示屏物理分辨率不规则的特点。

2、应用于小间距LED显示屏的拼接处理技术

2.1 拼接器与小间距LED显示屏的配合使用

拼接器的一个关键应用是可以输出多路DVI信号,对矩阵排列的多个显示屏进行拼接显示,使之成为逻辑上的一个完整的显示区域。

对于LED显示屏而言,我们可以将一台LED控制器所驱动的显示区域定义为一个独立的LED显示屏,当前的LED控制器采用DVI/HDMI作为信号输入接口,支持最大的输入分辨率为1920×1200@60Hz,最大带宽为165MHz,所驱动的LED显示屏最大物理分辨率为1920×1200。

随着LED小间距产品的显示面积越来越大,几十平方米的项目屡见不鲜,LED显示屏的物理分辨率往往会超过1920×1200,即每一块超大规模的LED显示屏,都是由若干个LED控制器所驱动的若干个独立的显示区域组成的,对于拼接器的应用而言,只需要对应LED控制器的数量提供若干个DVI输出接口,并对整个LED屏幕进行拼接显示即可。

拼接器在小间距LED显示屏的应用中,有几个关键技术值得关注:

(1)信号的输出同步性

拼接器的多路DVI信号输出,必然存在信号的同步性问题。不同步的信号输出到LED显示屏上,在拼接处就会出现画面撕裂现象,在播放高速运动的图像时尤为明显。如何保证信号的输出同步性,成为衡量一个拼接系统成败的关键。

(2)图形处理算法

我们知道,点对点的图像显示效果是最好的,经过缩小处理后的图像,如果仅采用普通的图形处理技术或通用的FPGA图形处理算法,图像的边缘会出现锯齿,甚至会出现像素缺失,图像的亮度也会下降。而高端的图像处理芯片或利用复杂图形处理算法的FPGA系统会最大限度的保证缩小后图像的显示效果。因此,好的图形处理算法是一款应用于小间距LED显示屏的拼接器的关键技术。

(3)非标准分辨率的输出

小间距LED显示屏是由一块一块相同规格的显示单元矩阵拼接而成,每个显示单元尺寸和物理分辨率是固定的,但是拼接起来的整个大屏幕,往往不是一个标准的物理分辨率。比如,显示单元的分辨率为128×96,只能拼成1920×1152,却拼不出1920×1080。在超大规模的拼接系统里,每台LED控制器所驱动的LED显示区域可能不是标准的分辨率,这个时候,拼接器具有非标准分辨率的输出就显得关键,它可以帮助我们快速找到合适的拼接方式,从而合理的分配资源,有效节约LED控制器和传输设备的使用数量。

2.2 应用于小间距LED显示屏的拼接器

目前拼接器可分为四类,即嵌入式纯硬件架构、PCI-E总线架构、分布式网络架构、混合架构。

(1)嵌入式纯硬件架构

整机结构通常会采用“背板+信号采集板+主控板+信号输出板”的设计,信号采集板进行诸如视频采集、缩放、叠加、格式转换等信号处理工作,通过背板总线将经过处理的信号传送给主控板的FPGA信号处理系统,通过嵌入式ARM系统实现对主控FPGA配置、与上位PC机通信、系统间的数据交换等功能,通过信号输出板将信号输出给显示终端。

纯硬件架构拼接器的结构相对简单、不容易出现系统故障;采集板和输出板可热插拔,易于更换;可实现多路、多格式信号的采集和处理;背板交换式技术和输出板卡统一时钟技术确保了多路信号输出的同步性;每一路DVI输出信号的分辨率均可自定义,符合LED显示屏的拼接特点。

诸多特点使纯硬件架构迅速成为当今拼接器领域的主流产品之一。但是,由于采用了FPGA作为核心的图像处理单元,算法的优劣决定了一款拼接器处理效果的好坏,尤其是图像缩放的算法,如何进行优化以达到更清晰的显示效果,已经成为判定纯硬件拼接器产品价值的重要指标。

(2)PCI-E总线架构

通常总线架构的拼接器采用PCIExpress技术,可用数据带宽高达上百Gbps。主机配备高性能的CPU及大容量内存,

可根据应用领域的不同预装不同的操作系统(如64位的Windows7),并可直接运行各种应用程序。拼接器配备多张高性

能的图形输出卡,每张输出卡拥有超高的内部带宽及显存,并且所有的输出图像都被同步以消除显示单元间的图像撕裂。同时还配有多张输入卡,支持多种信号格式,并能够对输入信号进行图像处理。

PCI-E总线架构拼接器就是一台高性能的计算机,所有组件都选用各大硬件厂商最先进和成熟的技术,比如CPU可选用

Intel,显卡可选用英伟达。所有计算机领域的高新技术也能够被快速的融合进来。这使得PCI-E总线架构拼接器在运算

速度、图像处理、操作方式等方面具有无法比拟的优势。

PCI-E总线架构拼接器门槛很低,对于简单的应用,一台工控机,加上一个专业的多通道输出显卡即可实现。

另一方面,如何解决系统稳定性问题,如何设计一款直观且功能强大的控制软件,如何解决高总线带宽下数据传输的各

种问题等,都需要强大的研发团队和雄厚的资金基础,同时需要经验的积累。就是说,高端的PCI-E总线架构拼接器不

但需要满足信号采集、处理、拼接等最基本的应用,在系统稳定性、软件易用性等方面的设计等方面都需要更多的投

入,才能使拼接器满足各种严苛的应用环境。

但是要注意,总线架构拼接器大多采用Windows操作系统,一旦受到病毒攻击可能致使系统瘫痪,停止显示。而且,由于采用了定制的图形显卡,各输出通道的分辨率一般需要符合VESA(视频电子标准协会)标准,不能定义非标准的分辨率输出,也不能定义每个通道不同的分辨率。

(3)分布式网络架构

分布式网络架构拼接器通常采用节点式硬件结构,每个输入、输出节点独立分开,通过双绞线接入中心交换机,对数据进行交互传输。


其核心是一套先进的视频编解码技术,通过各种信号输入节点,将采集到的DVI、VGA、YPbPr、CVBS、3G-SDI等信号进行处理和编码,通过专用的网络通讯协议,将编码后的视频流经中心交换机传输到输出节点解码,并转换为DVI数字信号输出到显示终端。

输出节点的同步性成为了该系统应用的关键。一种办法是通过网络直接发送同步码,实现多台输出节点的同步输出。但是由于网络误码率的存在,这种方式运行一段时间后,还是会出现输出不同步现象。另一种办法是通过SYNC接口将多台输出节点进行物理连接,选择一台输出节点作为主机,向其他输出节点主动发送同步码,从而使所有输出节点同时接收到同步信号,实现真正的帧同步输出,确保显示图像完整,屏幕拼接处无撕裂。

目前分布式网络架构拼接系统的应用越来越多,由于其分布式的特点,便于整个建筑里的综合布线和不同区域的多个显示终端集中管理。配合先进的可视化软件的帮助,可向用户提供人性化、可视化、综合化的服务。

但是,受限于带宽和编解码技术,分布式网络架构目前还不支持双链路DVI数字信号和HDMI信号的接入。同时,由于编码、处理、解码、信号同步输出等环节均需要帧缓存,因此在数据的实时性方面与其它几种拼接技术相比存在差距。另外,在需要显示的点对点数超过1920×1200分辨率的图像时(需要两台以上的信号输入节点),无法保证多路同步源输入信号的再同步输出。

(4)混合架构

混合架构,一般指以上三种拼接技术之中的两种或两种以上相结合的拼接器或拼接系统。

比如PCI+硬件背板总线架构拼接器,它的系统控制和图像处理分别独立实现。PCI总线负责系统控制,并在后台运行操作系统;硬件背板总线负责视频图像处理,系统允许对大量的高分辨率输入信号进行同步处理,同时仍能在全帧速下保

持实时的操作性能和最佳的图像质量,同时确保输出信号的同步性。针对重要应急场所,可以确保永不黑屏,即便PC总线负责的操作系统发生故障或病毒感染,通过专用的背板图形处理总线,也能够确保任何时刻显示外来视频图像。

通过混合架构,可以综合应用,取长补短,极大地增加了系统的稳定性。这也是今后拼接技术的发展方向,具有更为广

阔的应用空间。

3、小间距LED显示屏的应用

目前,小间距LED显示屏的应用很广泛,它包括但不限于:

·军队演习指挥系统

·公共安全显示指挥系统

·电力调度系统

·交通路网及航空监控显示系统

·能源行业生产调度系统

·政府及企事业单位会议显示系统

·广播电视传媒显示系统

·公共场所信息发布系统

泰森光电作为新一代背景墙显示终端,小间距LED显示屏正在为各行各业的关键系统提供优质的服务。


         


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