Moderní LED obrazovky videa: Charakteristiky, technologie, důvody k výběru

Dnes máme tendenci brát LED video obrazovky za samozřejmost. Ve skutečnosti se v našich městech stávají společné a většinou věnujeme pozornost jejich vnějším parametrům kvality. Ale protože náš časopis se specializuje na tuto technologii, věříme, že je čas, abychom vylíčili hlavní technické principy moderních LED obrazovek, tyto zásady, které nakonec zajistí, co denně vidí miliony lidí na obrazovkách.

Moderní LED video obrazovka je komplexní systém s obrovským počtem komponentů. Kvalita obrazu a provozní parametry závisí na kvalitě všech těchto komponent a na funkčnosti systému řízení obrazovky.

                                          Typické blokové schéma LED obrazovky videa

Následující vlastnosti LED obrazovky videa jsou zásadní z hlediska kvality obrazu:

• Rozlišení obrazovky video LED (tzv. Prostorové rozlišení), v LED obrazovkách videa je úzce souvisí s vzdáleností mezi pixely nebo rozměrem stoupání;

• Maximální jas (měřeno v Nits);

• Dynamický rozsah jasu chápaný jako počet úrovní jasu, které je obrazovka schopna podporovat (někdy se také nazývá radiometrické nebo energetické rozlišení);

• Sazebná frekvence měří, jak často může zdroj videa přivést celý snímek nových dat na displej, frekvenci snímků měnících se za sekundu (fps) (někdy označované jako časové rozlišení);

• Obnovovací frekvence (měřená v Hz) je počet sekund za sekundu, kdy hardware vykreslí data nebo obnoví rámec (také nazývané časové rozlišení);

• Spektrální rozlišení: Barevné snímky rozlišují světlo různých spektrů. Vícenásobné spektrální snímky vyřeší dokonce jemnější rozdíly spektra nebo vlnové délky, než je potřeba pro reprodukci barev. Termín určuje, kolik spektrálních komponent vytváří obraz;

• Rovnoměrnost barev na obrazovce;

• Vyvážení bílé a možnost jemného doladění;

• Lineární vnímání jasu - subjektivní kvalita obrazu, která určuje, jak lidské oko rozlišuje mezi sousedními úrovněmi jasu jak na tmavých, tak na jasných místech obrazovky;

• Kontrast obrazu;

• Kvalita obrazu je určena úhlem prohlížení.

Kromě kvality obrazu je důležité zvážit některé klíčové provozní parametry obrazovky LED:

• Systém zpětné vazby nebo monitorování stavu obrazovky;

• Zralý software a komplexní řídící systém, který umožňuje měřítko systému a konstrukci sítí LED obrazovky a obrazovky LCD s dálkovým ovládáním přes internet prostřednictvím integrovaného informačního zabezpečovacího subsystému;

• Úroveň elektromagnetického záření ve formě elektromagnetického rušení (EMI) z obrazovky.

Zvažme některé z výše uvedených parametrů podrobněji.

Vytvoření obrazu na obrazovce LED videa a ovládání jasu

Pulse-Width Modulation (PWM) a obnovovací frekvence

Počáteční obrázek, který chcete zobrazit, je vytvořen jako soubor počítače, obvykle klip * .avi nebo * .mpg. Soubor je dekódován řídicím PC (nebo video řadičem) a přeměněn na specializovaný video proud přiváděný do mikročipů konstantních proudových ovladačů. Ovladače IC přenášejí konstantní proud na LED diody, které způsobují, že svítí v určitém spektru.

PWM - (Pulse-width modulation) je běžně používaná technika pro ovládání různých úrovní jasu. V závislosti na požadované úrovni jasu se proud přenáší na LED diody přerušovaně tím, že se přepínačem mezi napájecím zdrojem a zatížením zapíná a vypíná rychlým tempem. Například pro dosažení 50% jasu by měl být proud přenášen pouze na polovinu trvání cyklu, aby se dosáhlo 25% jasu, kdy bude proud zapnut pouze na čtvrtinu trvání cyklu. Jinými slovy LED dioda bude pracovat v režimu "zapnuto - vypnuto", kdy doba trvání "zapnutého" bude odpovídat požadované úrovni jasu.

Technologie PWM zajišťuje, že LED (a celá obrazovka videa) vytváří cyklický obraz. Doba trvání minimálního cyklu (když je LED zapnutá a vypnutá postupně) se nazývá perioda obnovení nebo obnovovací frekvence.

Zvažte příklad: Řekněme, že obnovovací frekvence obrazové obrazovky LED se rovná 100 Hz. Pro zajištění maximálního 100% jasu musíme předat proud během celého období obnovy, což je v tomto případě rovné 1/100 s = 10 ms. Chcete-li snížit jas na polovinu, měl by být proud posunut na 5 ms a pak vypnut po dobu 5 ms. Potom se cyklus opakuje stejným způsobem. Pro dosažení úrovně jasu pouze 1% bude proud přenášen na LED diody během 0,1 ms a doba vypnutí bude trvat 9,9 ms.

Základní metodu PWM lze modifikovat a upgradovat. Různí výrobci používají odlišnou terminologii: šifrovaný PWM (makroblok), sekvenční rozdělovači modulaci (Silicon Touch) a modulaci adaptivní pulzní denzity (MY's-Semi). Všechny tyto funkce mají tendenci "rozšiřovat" spínač LED na dobu po celou dobu obnovy. Takže zobrazení obrazovky při 50% jasu s obnovovací frekvencí 100 Hz bude vypadat jako opakovaný cyklus LED 1 ms na 1 ms vypnuto. Znamená to, že při 50% jasu se obnovovací doba zvýšila pětkrát a je rovna 2 ms. V důsledku toho se obnovovací frekvence zvýšila na 500 Hz. Tento výpočet platí pouze pro 50% jas. Pro každý vzor jasu existuje minimální jas jednoho impulsu (nějaké minimální trvání), když je LED zapnut, po zbytek času je vypnutý.

Přísné "tradiční" cykly PWM jsou proto zkresleny moderními modifikovanými metodami. V závislosti na požadované úrovni jasu můžeme identifikovat kratší období s vyšší obnovovací frekvencí. Na konkrétní obrazovce LED se obnovovací frekvence obrazovky může lišit mezi, řekněme, 100 Hz a 1 kHz. To znamená, že při minimálním nebo maximálním jasu je obnovovací frekvence přibližně 100 Hz. Ale u jiných úrovní jasu se setkáváme s obdobími s vyšší obnovovací frekvencí.

Pro modifikované metody PWM se tedy koncept obnovovací frekvence poněkud zavádí. Pokud však definujeme obnovovací frekvenci jako minimální dobu potřebnou k obnovení obrazu pro všechny úrovně jasu , vyhneme se všem nedorozuměním, protože v této definici obnovovací frekvence nezávisí na procesu PWM.

Prokládané obrazy založené na skenování a časové rozdělení na obrazovkách s LED diodami

Některé LED obrazové obrazové zobrazení jsou strukturovány tak, aby se zabránilo současnému napájení všech LED diod najednou. Všechny LED diody na obrazovce videa jsou rozděleny do skupin (obvykle dvou, čtyř, nebo osmi), které jsou zapnuté. To znamená, že výše popsané způsoby vytváření obrazu se postupně používají pro různé skupiny LED na obrazovce videa. Pokud má obrazovka dvě takové skupiny, vytváření obrazu je ekvivalentní prokládanému skenování v analogovém televizoru.

Tato metoda se většinou používá k tomu, aby videokazety LED byly levnější, neboť tato metoda vytváření obrazu vyžaduje menší množství ovladačů IC (o dva, čtyři nebo osmkrát, odpovídajícím způsobem). Vzhledem k tomu, že řidiči IC přispívají přibližně 15-20% nákladů na obrazovku, ekonomika může být významná. Metoda dělení času je navíc prakticky nevyhnutelná na obrazovkách LED s vysokým rozlišením, protože obrazovky s malou roztečí představují vážné problémy s umístěním velkého počtu ovladačů na deskách s plošnými spoji a zajištěním správného přenosu tepla z ovladačů IC.

Samozřejmě tato ekonomika vede k nižšímu jasu obrazovky videa a nižší obnovovací frekvenci (proporcionálně k počtu použitých skupin LED).

Řekněme, že máme obrazovku se dvěma skupinami LED pomocí metody časového rozdělení. Proud je dodáván do jedné skupiny pro zajištění požadovaného jasu. Druhá skupina je vypnutá. Po uplynutí jednoho obnovovacího období se skupiny střídají: nyní je druhá skupina napájena, zatímco první zhasne. Doba potřebná k obnovení všech informací na obrazovce se proto stává dvakrát delší.

Koncept obnovovací frekvence se v tomto případě stává ještě jemnějším. Přesně řečeno, doba obnovení nebo minimální doba potřebná k obnovení obrazu na celé obrazovce se zdvojnásobí. Pro každou skupinu však délka trvání vytváření obrazu zůstává nezměněna a můžeme tvrdit, že obnovovací frekvence zůstává stejná jako předtím.

LED video obrazovka, obnovovací frekvence a lidské oko

Primárně obnovovací rychlost ovlivňuje vnímání obrazu. Obvykle vnímáme obraz na obrazovce jako hladký a nezaznamenáme blikající efekt, protože frekvence blikání je poměrně vysoká. Naše vizuální vnímání je psychologické i fyzické povahy. Jednotlivé záblesky světla jsou shrnuty do "hladkého" obrazu našeho mozku. Podle Blochova zákona toto sčítání trvá přibližně 10 ms a závisí na jasu světelných záblesků. Pokud světlo bliká s dostatečnou frekvencí (tzv. Prahová CFF - kritická frekvence blikání), lidské oko si nevšimne pulsace podle zákona Talbot-Plateau. Prahová hodnota CFF závisí na mnoha faktorech, jako je spektrum zdroje světla, umístění světelného zdroje ve vztahu k oku, úroveň jasu. V normálních podmínkách však tato frekvence nikdy nepřesahuje 100 Hz.

Takže lidské oko nerozlišuje žádné rozdíly v obrazových obrazových plátnech LED vytvořených s PWM nebo modifikovanými metodami PWM s obnovovacími frekvencemi od 100 Hz do 1 kHz.

LED obrazovku, obnovovací frekvenci a videokameru

Lidské oko však není jediným nástrojem, který může vnímat obrazy. Někdy využíváme videokamery pro záznam LED obrazovek a video zařízení je založeno na zásadách, které jsou drasticky odlišné od principů používaných lidským mozkem. To je zvláště důležité pro všechny instalace LED obrazovky na sportovních stadionech, veletrzích nebo koncertních sálech, kde jsou události zaznamenávány kamerami. Doba expozice nebo rychlost závěrky u moderních videokamer se mohou lišit od sekund do milisekundy.

Řekněme, že se podíváme na LED obrazovku, kde se obraz vytváří tradiční metodou PWM s obnovovací frekvencí 100 Hz. Na obrazovce videa se zobrazí statický obraz. Pokud se pokusíme tento snímek zaznamenat pomocí videokamery s použitím rychlosti závěrky 1/8 sekundy (tj. Doba expozice 125 milisekund), snímač fotografií zaznamená světlo z obrazu na obrazovce, který byl vytvořen za dobu obnovy 12,5. Displej LED a naše videokamery nejsou synchronizovány a každý snímek zaznamenaný fotoaparátem bude odpovídat různému času souvisejícímu se začátkem a koncem obnovovacího cyklu. Při této vysoké rychlosti závěrky však nedojde k žádnému konfliktu a fotoaparát zaznamená hladký obraz obrazovky s obrazem LED.

Pokud snížíme rychlost závěrky na 1/250 sekundy, když se doba expozice rovná 4 ms, bude rámeček kamery 2,5krát kratší než doba obnovení na obrazovce s obrazem LED. Tentokrát bude rozdíl mezi začátkem snímku a začátkem cyklu PWM významný. Některé snímky budou odpovídat začátku cyklu PWM, jiné budou uprostřed a další budou ještě do konce cyklu. Každý snímek zaznamená různé průtoky světla a postupně se hromadí chyba. Při sledování zaznamenaného videa bude jas snímků výrazně odlišný. Obvykle se všechny objekty zaznamenané s krátkou dobou expozice objevují méně jasně. Fotoaparát zaznamená efekt blikání na obrazovce s obrazem LED. Pokud bude doba expozice ještě dále snížena, určitě uvidíme některé černé rámečky (když začátek rámečku kamery odpovídá krátkému období PWM, kdy jsou LED vypnuté) a zaznamenané video bude blikat ještě víc.

Pokud tedy používáme videokameru pro záznam LED obrazovky s tradiční funkcí PWM, obnovovací frekvence by měla být kompatibilní s expozicí fotoaparátu nebo by měla být vyšší.

Na LED obrazovkách s modifikovanou funkcí PWM platí stejná logika. Vzhledem k tomu, že v režimu s vysokým jasem se doba zapnutí LED diod "rozšiřuje" během cyklu PWM, zaznamenaný snímek bude stabilnější ve srovnání s tradiční funkcí PWM. Ale při nízkém jasu zůstane situace stejná: zaznamenaný snímek buď ztratí jas, nebo bude blikat.

Jak vidíte bez řádné synchronizace, zaznamenávání videozáznamů LED obrazovky bude mít za následek zkreslení zaznamenaného obrazu. Můžeme to porovnat se záznamem analogového televizoru s obdobnou kamerou: rozdíly v režimech skenování obou zařízení povede k účinkování diagonálních černých čar oddělujících TV rámy.

Dalším důležitým problémem je synchronizace LED kontrolérů obrazovky videa. Velké LED obrazovky jsou vyrobeny z bloků (LED moduly a / nebo skříně), které zobrazují obrazy generované různými řadiči. Pokud tyto regulátory nesynchronizují počátek cyklu PWM (tj. Začátek cyklu na různých částech obrazovky), můžeme se setkat s následujícím problémem: cyklus obnovení některých částí LED obrazovky bude odpovídat rámcům kamery a na jiných Části obrazovky to nebude. Pokud je expozice kompatibilní s obnovovacím cyklem, část obrazovky videa se bude zdát světlejší a další tmavší. Celý snímek bude tvořen tmavými a světlými obdélníky a bude nepříjemný sledovat.

Náklady na obnovení obrazovky s videem LED

Bez ohledu na způsob generování PWM mají všichni společné rysy. Generování PWM pracuje na určité frekvenci F pwm . Předpokládejme, že musíme vytvořit určité množství N úrovní jasu. V takovém případě by obnovovací frekvence F r neměla překročit F pwm / N.

Zde je několik příkladů, které ilustrují výše uvedené prohlášení:

Tato čísla ukazují, že každá LED obrazovky videa následuje nějaký nezávislý proces generování PWM, tj. Způsob generování PWM je naprogramován přímo do ovladačů IC.

S jednoduchými a levnými ovladači IC se generuje PWM na řídící jednotce pro LED video obrazovku. Měli bychom tedy zvážit, kolik řidičů je spojeno postupně a jsou obsluhovány jedním generačním procesem PWM. Pokud jedna schéma generování PWM vyžaduje ovladače výstupních kanálů M16 , obnovovací frekvence nesmí překročit F pwm / (N * M * 16 , jinak to vede k výrazně nižší obnovovací frekvenci nebo potřebě zvýšit frekvenci hodin.

V případě časového dělení (prokládané skenování) obnovovací frekvence klesá v poměru k rozdělovacímu koeficientu.

Tak, aby se zvýšila obnovovací frekvence na obrazovkách s LED diodami, jsou k dispozici následující možnosti:

• Použití "inteligentních" (drahých) ovladačů;

• Zvýšení rychlosti hodin v procesu generování PWM;

• Snížení počtu úrovní jasu (barevná hloubka).

Každá metoda má výhody a nedostatky. Inteligentní řidiči jsou mnohem dražší než jednoduché ovladače IC; Zvýšení rychlosti hodin vede k vyšší spotřebě energie (v důsledku toho je zapotřebí dodatečných opatření pro přenos tepla, aby se předešlo přehřátí); Nízký počet úrovní jasu negativně ovlivňuje kvalitu obrazu.

Závěr: Obnovení na obrazovkách s LED diodami

LED výrobci videokazet často používají obnovovací frekvenci jako marketingový nástroj, když se mohou pochlubit vynikající kvalitou obrazu. Předpokladem je, že čím je obnovovací frekvence vyšší, tím je lepší kvalita obrazu. Čísla však často slouží jen k zamyšlení potenciálních zákazníků. Například obnovovací frekvence několika kHz znamená, že se použije modifikovaná metoda generování PWM (když je obnovovací frekvence ve skutečnosti odlišná pro různé úrovně jasu) nebo že hloubka barev je nepřijatelně nízká.

Měli bychom si uvědomit, že vysoká frekvence obnovení a vysoké hodnoty hloubky barev se mohou vyskytnout pouze při vysokých úrovních jasu, což samo o sobě představuje mylnou představu, neboť obrazovka s LED diodami by neměla vždy pracovat s kapacitou 100%.

V případě prokládaného skenování bude hodnota obnovovací frekvence odpovídat pouze jednomu cyklu PWM pro jednu skupinu LED, zatímco skutečná obnovovací frekvence obrazovky (která ovlivňuje naše vnímání) bude několikrát nižší.

Je mnohem informativnější a upřímnější zmínit barevnou hloubku a frekvenci hodin pro PWM a přibližný rozsah obnovovací frekvence obrazovky (například 200 -1000 Hz) v případě modifikované funkce obrazovky PWM. Pokud je obrazovka s obrazem LED založena na principu časového rozdělení (například časové dělení = 1: 1 - absence časového dělení, časové dělení = 1: 2 - PWM pracuje pouze na polovině obrazovky apod.).

Výše uvedený parametr není pro naše vnímání nezbytný. Lidské oko nezaznamená žádný rozdíl v kvalitě obrazu při frekvencích nad 100 Hz. V důsledku toho by se mělo rozhodnout, zda je skutečně potřebná vysoká obnovovací frekvence a zda to stojí za to, že za ni zaplatíte extra.

Obnovovací frekvence a jednotnost zaznamenaného obrazu na obrazovce jsou důležité pouze v případech, kdy se obrazovka LED často stává objektem pro nahrávání videa (stadiony a koncertní sály). Proto je lepší nejdříve provést několik zkušebních nahrávek před podpisem kupní smlouvy.