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Moderne LED-Video-Bildschirme: Eigenschaften, Technologien, Gründe zu wählen Oct 11, 2011

Moderne LED-Video-Bildschirme: Eigenschaften, Technologien, Gründe zu wählen

Heute neigen wir dazu, LED-Bildschirme für selbstverständlich zu nehmen. In der Tat wurden sie zu gemeinsamen Merkmalen in unseren Städten und wir achten meistens auf ihre äußeren Qualitätsparameter. Aber da unsere Zeitschrift sich auf diese Technologie spezialisiert hat, glauben wir, dass die Zeit gekommen ist, um die großen technischen Prinzipien der modernen LED-Bildschirme zu formulieren, die Prinzipien, die letztlich dafür sorgen, was Millionen von Menschen jeden Tag auf Bildschirmen sehen.

Moderner LED-Videobildschirm ist ein komplexes System mit enormer Anzahl von Komponenten. Die Bildqualität und die Betriebsparameter hängen von der Qualität der einzelnen Komponenten sowie von der Funktionalität der Siebsteuerung ab.

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                                          Typisches Blockschaltbild eines LED-Videobildschirms

Die folgenden LED-Video-Bildschirm-Eigenschaften sind aus der Sicht der Bildqualität wichtig:

  • LED-Video-Bildschirmauflösung (so genannte räumliche Auflösung), in LED-Video-Bildschirme ist es eng mit Abstand zwischen Pixeln oder Pitch-Größe verwandt;

  • Maximale Helligkeit (gemessen in Nits);

  • Dynamischer Helligkeitsbereich verstanden als die Anzahl der Helligkeitsstufen, die der Bildschirm unterstützen kann (manchmal auch Radiometrie oder Energieauflösung genannt );

  • Frame-Rate misst, wie oft eine Videoquelle einen ganzen Frame von neuen Daten an ein Display speisen kann, wobei die Häufigkeit der Frames pro Sekunde (fps) (manchmal auch als zeitliche Auflösung bezeichnet)

  • Bildwiederholrate (gemessen in Hz) ist die Anzahl von Malen in einer Sekunde, die eine Anzeigehardware die Daten zeichnet oder den Rahmen (auch als zeitliche Auflösung bezeichnet) erfrischt;

  • Spektrale Auflösung: Farbbilder unterscheiden Licht verschiedener Spektren. Mehrspektrale Bilder lösen noch feinere Unterschiede des Spektrums oder der Wellenlänge, als es notwendig ist, um die Farbe wiederzugeben. Der Begriff bestimmt, wie viele Spektralkomponenten ein Bild erzeugen.

  • Farbgleichförmigkeit auf dem ganzen Bildschirm;

  • Weißabgleich und Möglichkeit der Feinabstimmung;

  • Lineare Wahrnehmung der Helligkeit - subjektive Qualität der Bildqualität, die bestimmt, wie das menschliche Auge zwischen benachbarten Helligkeitsniveaus sowohl auf dunklen als auch hellen Teilen des Bildschirms unterscheidet;

  • Bildkontrast;

  • Bildqualität durch den Betrachtungswinkel bestimmt.

Abgesehen von der Bildqualität ist es wichtig, einige wichtige Betriebsparameter des LED-Videobildschirms zu betrachten:

  • Feedback- oder Überwachungssystem des Bildschirmzustandes;

  • Reife Software und umfassendes Steuersystem, das die Skalierung des Systems und den Aufbau von LED- und LCD-Videobildschirm-Netzwerken mit Fernbedienung über das Internet über ein integriertes Informationssicherheitssystem ermöglicht;

  • Niveau der elektromagnetischen Strahlung in Form von elektromagnetischen Störungen (EMI) aus dem Bildschirm.

Betrachten wir einige der obigen Parameter genauer.

Erstellung des Bildes auf dem LED-Bildschirm und Helligkeitsregelung

Pulsweitenmodulation (PWM) und Bildwiederholfrequenz

Das anzuzeigende Anfangsbild wird als PC-Datei erstellt, meist ein * .avi oder * .mpg Clip. Die Datei wird vom Steuer-PC (oder Video-Controller) decodiert und in den spezialisierten Video-Stream umgewandelt, der Mikrochips von Konstantstrom-Treibern zugeführt wird. Die IC-Treiber leiten konstanten Strom zu LEDs, wodurch sie in einem bestimmten Spektrum leuchten.

PWM - (Pulsbreitenmodulation) ist eine häufig verwendete Technik zur Steuerung verschiedener Helligkeitsstufen. Je nach eingestelltem Helligkeitsniveau wird der Strom zeitweilig an die LEDs weitergeleitet, indem der Umschaltvorgang zwischen Versorgung und Last schnell und schnell eingeschaltet wird. Zum Beispiel, um 50% Helligkeit zu erreichen, sollte der Strom nur die Hälfte der Zyklusdauer weitergeleitet werden, um 25% Helligkeit zu erreichen, wird der Strom für nur Viertel der Zyklusdauer eingeschaltet. Mit anderen Worten, eine LED arbeitet in einem "eingeschalteten" Modus, bei dem die Dauer der "eingeschalteten" Periode dem erforderlichen Helligkeitsniveau entspricht.

Die PWM-Technik sorgt dafür, dass eine LED (und der gesamte Videobildschirm) ein zyklisches Bild erzeugt. Die Dauer des Minimalzyklus (wenn eine LED nacheinander eingeschaltet und ausgeschaltet wird) wird als Auffrischperiode oder Bildwiederholfrequenz bezeichnet.

Betrachten wir ein Beispiel: Sagen wir, dass die Bildwiederholfrequenz eines LED-Videobildschirms gleich 100 Hz ist. Um die maximale Helligkeit von 100% zu gewährleisten, müssen wir während der gesamten Auffrischperiode Strom liefern, der in diesem Fall gleich 1/100 s = 10 ms ist. Um die Helligkeit um die Hälfte zu reduzieren, sollte der Strom für 5 ms weitergeleitet und dann für 5 ms ausgeschaltet werden. Dann wiederholt sich der Zyklus auf die gleiche Weise. Um nur 1% Helligkeit zu erreichen, wird der Strom auf LEDs während 0,1 ms weitergeleitet und die abgeschaltete Periode dauert 9,9 ms.

Die grundlegende PWM-Methode kann modifiziert und aktualisiert werden. Verschiedene Hersteller verwenden unterschiedliche Terminologie: Scrambled PWM (Macroblock), Sequential Split Modulation (Silicon Touch) und Adaptive Pulse Density Modulation (MY's-Semi). Alle diese Funktionen neigen dazu, den LED-Schalter in der Periode über die gesamte Auffrischperiode zu verbreiten. So sieht der Bildschirmbetrieb bei 50% Helligkeit mit 100 Hz Bildwiederholfrequenz wie ein wiederholter "1 ms LED an - 1 ms LED aus" Zyklus aus. Es bedeutet, dass für eine 50% Helligkeit die Auffrischungszeit fünfmal erhöht und gleich 2 ms ist. Folglich erhöhte sich die Bildwiederholrate auf 500 Hz. Diese Berechnung gilt nur für die 50% Helligkeit. Für jedes Helligkeitsmuster gibt es eine minimale Helligkeit von einem Impuls (einige minimale Dauer), wenn die LED eingeschaltet ist, der Rest der Zeit, in der sie ausgeschaltet ist.

So werden strenge "traditionelle" PWM-Zyklen durch moderne modifizierte Methoden verzerrt. Abhängig von der erforderlichen Helligkeitsstufe können wir kürzere Perioden mit einer höheren Bildwiederholrate identifizieren. Bei einer bestimmten LED-Bildschirmanzeige kann die Bildwiederholfrequenz zwischen 100 Hz und 1 kHz variieren. Es bedeutet, dass bei der minimalen oder maximalen Helligkeit die Bildwiederholfrequenz etwa 100 Hz beträgt. Aber bei anderen Helligkeitsstufen begegnen wir Perioden mit höherer Bildwiederholrate.

Somit wird für modifizierte PWM-Verfahren der Begriff der Bildwiederholrate eher irreführend. Wenn wir jedoch die Bildwiederholrate als Mindestdauer definieren, die notwendig ist, um das Bild für alle Helligkeitsstufen zu erneuern, werden wir alle Missverständnisse vermeiden, da in dieser Definition die Bildwiederholrate nicht vom PWM-Prozess abhängt.

Interlaced Scan-basierte Bilder und Zeitteilung auf LED-Video-Bildschirme

Einige LED-Videobildschirm-Bilderzeugungen sind so strukturiert, dass die Stromversorgung aller LEDs gleichzeitig verhindert wird. Alle LEDs auf einem Videobildschirm sind in Gruppen (in der Regel zwei, vier oder acht) getrennt, die nacheinander eingeschaltet werden. Das bedeutet, dass die oben beschriebenen Methoden zur Erstellung des Bildes wiederum auf verschiedene Gruppen von LEDs auf einem Videobildschirm angewendet werden. Wenn der Bildschirm zwei solcher Gruppen hat, ist die Bilderzeugung äquivalent zum Interlaced-Scannen im analogen TV.

Diese Methode wird meistens verwendet, um LED-Bildschirme günstiger zu machen, da diese Methode der Bildausbildung eine kleinere Anzahl von IC-Treibern erfordert (jeweils zwei, vier oder acht Mal). Da IC-Fahrer etwa 15-20% zur Kosten der Kosten beitragen, kann die Wirtschaft erheblich sein. Darüber hinaus ist die Zeitteilungsmethode bei hochauflösenden LED-Bildschirmen praktisch unvermeidlich, da kleine Pitch-Bildschirme ernsthafte Probleme bei der Positionierung einer großen Anzahl von Treibern auf Leiterplatten und der ordnungsgemäßen Wärmeübertragung von IC-Treibern darstellen.

Natürlich führt diese Wirtschaft zu einer niedrigeren Bildschirmanzeige und einer niedrigeren Bildwiederholrate (proportional zur Anzahl der verwendeten LED-Gruppen).

Lassen Sie uns sagen, dass wir einen Bildschirm mit zwei LED-Gruppen mit Zeitteilung Methode haben. Der Strom wird einer Gruppe zugeführt, um die erforderliche Helligkeit zu gewährleisten. Die andere Gruppe ist ausgeschaltet. Nach einer Auffrischungsperiode wechseln sich die Gruppen ab: Jetzt wird die zweite Gruppe angetrieben, während die erste dunkel wird. Daher wird die Zeit, die notwendig ist, um alle Informationen auf dem Bildschirm zu erneuern, zweimal länger.

Das Konzept der Bildwiederholfrequenz wird in diesem Fall noch subtiler. Streng genommen verdoppelt sich die Zeit der Auffrischung oder eine minimale Zeit, die benötigt wird, um das Bild auf dem ganzen Bildschirm zu erneuern. Jedoch bleibt für jede Gruppe die Länge der Bilderzeugungsperiode unverändert, und wir können argumentieren, daß die Bildwiederholrate dieselbe wie vorher ist.

LED-Bildschirm, Bildwiederholfrequenz und menschliches Auge

In erster Linie beeinflusst die Bildwiederholrate die Bildwahrnehmung. Normalerweise sehen wir ein Bild auf einem Bildschirm als glatt und bemerken keinen flackernden Effekt, weil die Häufigkeit des Flackerns ziemlich hoch ist. Unsere visuelle Wahrnehmung ist sowohl psychologisch als auch physisch in der Natur. Die einzelnen Lichtblitze werden von unserem Gehirn zu einem "glatten" Bild zusammengefasst. Nach dem Bloch-Gesetz dauert diese Zusammenfassung etwa 10 ms und hängt von der Helligkeit des Lichts ab. Wenn das Licht mit ausreichender Frequenz flackert (so genannte Schwelle CFF - Critical Flicker Frequency), bemerkt das menschliche Auge keine Pulsation nach dem Talbot-Plateau-Gesetz. Die Schwelle CFF hängt von vielen Faktoren ab, wie dem Spektrum der Lichtquelle, der Positionierung der Lichtquelle in Bezug auf das Auge, der Helligkeitsstufe. Unter normalen Bedingungen übersteigt diese Frequenz jedoch niemals 100 Hz.

Somit unterscheidet ein menschliches Auge keine Unterschiede in LED-Bildschirmbildern, die mit einem PWM oder modifizierten PWM-Verfahren mit Auffrischungsraten von 100 Hz bis 1 kHz gebildet wurden.

LED-Bildschirm, Bildwiederholfrequenz und Videokamera

Allerdings ist ein menschliches Auge nicht das einzige Instrument, das Bilder wahrnehmen kann. Manchmal verwenden wir Videokameras, um LED-Bildschirme aufzunehmen, und Videogeräte basieren auf Prinzipien, die sich drastisch von denen unterscheiden, die vom menschlichen Gehirn angewendet werden. Dies ist besonders wichtig für alle LED-Video-Bildschirm-Installationen in den Sportstadien, Messen oder Konzerthallen, wo Veranstaltungen mit Kameras aufgenommen werden. Die Belichtungszeit oder die Verschlusszeit in modernen Videokameras können von Sekunden bis zu einer Millisekunde variieren.

Lassen Sie uns sagen, dass wir uns einen LED-Bildschirm anschauen, in dem das Bild mit traditioneller PWM-Methode mit 100 Hz Bildwiederholfrequenz erstellt wird. Der Bildschirm zeigt ein statisches Bild an. Wenn wir versuchen, dieses Bild mit einer Videokamera unter Verwendung einer 1/8 Sekunde Verschlusszeit (dh Belichtungszeit von 125 Millisekunden) aufzunehmen, nimmt der Fotosensor Licht aus dem Bildschirmbild auf, das durch 12.5 Auffrischperioden erzeugt wird. Der LED-Bildschirm und unsere Videokamera sind nicht synchronisiert und jeder von der Kamera aufgenommene Rahmen entspricht einer unterschiedlichen Zeit im Zusammenhang mit dem Anfang und dem Ende des Auffrischungszyklus. Aber mit dieser hohen Verschlusszeit wird es keinen Konflikt geben und die Kamera wird ein glattes Bild des LED-Videobildschirms aufzeichnen.

Wenn wir die Verschlusszeit auf 1/250 Sekunden reduzieren, wenn die Belichtungszeit 4 ms beträgt, wird ein Kamerafeld 2,5 mal kürzer als die Auffrischperiode auf dem LED-Bildschirm. Dieses Mal wird die Diskrepanz zwischen dem Beginn des Kamerabildes und dem Beginn des PWM-Zyklus signifikant. Einige Frames entsprechen dem Beginn des PWM-Zyklus, andere in der Mitte und andere noch bis zum Ende des Zyklus. Jeder Rahmen wird unterschiedliche Lichtströme aufnehmen und allmählich wird der Fehler akkumuliert. Wenn wir das aufgenommene Video sehen, wird die Helligkeit der Frames merklich anders sein. Typischerweise erscheinen alle mit kurzer Belichtungszeit aufgezeichneten Objekte weniger hell. Die Kamera wird den "Flackern" -Effekt auf dem LED-Videobildschirm aufnehmen. Wenn die Belichtungszeit noch weiter reduziert wird, sehen wir definitiv einige schwarze Rahmen (wenn der Anfang des Kamerarahmens der kurzen PWM-Periode entspricht, wenn die LEDs ausgeschaltet sind) und das aufgenommene Video flackert noch mehr.

Wenn wir also eine Videokamera verwenden, um einen LED-Bildschirm mit herkömmlicher PWM-Funktion aufzunehmen, sollte die Bildwiederholrate mit der Kamera-Belichtung kompatibel sein oder diese überschreiten.

Bei LED-Bildschirmen mit modifizierter PWM-Funktion gilt die gleiche Logik. Da im Hochhelligkeitsmodus die Einschaltzeit der LEDs über den PWM-Zyklus "verteilt" wird, ist das aufgenommene Bild im Vergleich zur herkömmlichen PWM-Funktion stabiler. Aber bei geringer Helligkeit bleibt die Situation gleich: Das aufgenommene Bild wird entweder Helligkeit verlieren oder flackert.

Wenn Sie ohne ordnungsgemäße Synchronisation sehen, führt eine Videoaufnahme eines LED-Bildschirms zu Verzerrungen im aufgenommenen Bild. Wir können dies mit der Aufnahme des analogen TV mit einer analogen Kamera vergleichen: Die Unterschiede in den Scan-Modi beider Geräte führen zu einer Wirkung von diagonalen schwarzen Linien, die TV-Frames trennen.

Ein weiteres wichtiges Thema ist die Synchronisation von LED-Video-Screen-Controllern. Große LED-Bildschirme bestehen aus Blöcken (LED-Module und / oder Schränke), die die Darstellung von verschiedenen Steuerungen anzeigen. Wenn diese Steuerungen den Beginn des PWM-Zyklus nicht synchronisieren (dh der Beginn des Zyklus auf verschiedenen Teilen des Bildschirms), können wir auf folgendes Problem stoßen: Auffrischungszyklus auf einigen Teilen des LED-Bildschirms entspricht Kamerafeldern und anderen Teile des Bildschirms wird es nicht. Wenn die Belichtung mit dem Auffrischungszyklus kompatibel ist, erscheint ein Teil des Videobildschirms heller, ein weiterer dunkler. Das ganze Bild besteht aus dunklen und hellen Rechtecken und wird unangenehm zu beobachten.

Die Kosten für LED-Video-Bildschirm hohe Auffrischung

Unabhängig von der PWM-Erzeugungsmethode haben sie alle gemeinsame Merkmale. Die PWM-Erzeugung arbeitet mit einer bestimmten Taktrate F pwm . Nehmen wir an, dass wir eine bestimmte Anzahl N von Helligkeitsniveaus erzeugen müssen. In diesem Fall kann die Bildwiederholrate F r F pwm / N nicht überschreiten.

Hier sind einige Beispiele zur Veranschaulichung der obigen Aussage:

PWM-Taktrate Helligkeitsstufen Aktualisierungsrate
F pwm = 10 MHz N = 256 (8 Bit pro Kanal) F r = 39 kHz
F pwm = 10 MHz N = 1024 (10 Bit pro Kanal) Fr = 9,8 kHz
F pwm = 10 MHz N = 2048 (11 Bit pro Kanal) Fr = 4,9 kHz
F pwm = 10 MHz N = 65536 (16 Bit pro Kanal) Fr = 152 Hz
F pwm = 20 MHz N = 65536 (16 Bit pro Kanal) Fr = 305 Hz

Diese Zahlen zeigen, dass jede LED des Videobildschirms einem unabhängigen PWM-Erzeugungsprozess folgt, dh die PWM-Erzeugungsmethode wird direkt in IC-Treiber programmiert.

Mit einfachen und preiswerten IC-Treibern wird PWM auf einem Controller für den LED-Videobildschirm erzeugt. Wir sollten dann überlegen, wie viele Fahrer nacheinander verknüpft sind und von einem PWM-Generierungsprozess bedient werden. Wenn ein PWM-Erzeugungsschema M 16-Ausgangskanaltreiber benötigt, darf die Bildwiederholrate F pwm / (N * M * 16 nicht überschreiten, sonst führt dies zu einer signifikant niedrigeren Bildwiederholfrequenz oder zur Erhöhung der Taktfrequenz.

Im Falle der Zeitteilung (Interlace Scanning) sinkt die Bildwiederholrate proportional zum Divisionskoeffizienten.

Um die Bildwiederholfrequenz auf LED-Bildschirmen zu erhöhen, stehen Ihnen folgende Optionen zur Verfügung:

  • Verwendung von "intelligenten" (teuren) Fahrern;

  • Erhöhung der Taktrate im PWM-Erzeugungsprozess;

  • Verringerung der Anzahl der Helligkeitsstufen (Farbtiefe).

Jede Methode hat Vorteile und Unzulänglichkeiten. Die intellektuellen Fahrer sind viel teurer als einfache IC-Treiber; Der Anstieg der Taktrate führt zu einem höheren Leistungsverbrauch (erfordert daher zusätzliche Maßnahmen zur Wärmeübertragung, um eine Überhitzung zu vermeiden); Eine geringe Anzahl von Helligkeitsstufen wirkt sich negativ auf die Bildqualität aus.

Fazit: Auf LED-Bildschirme auffrischen

LED-Video-Bildschirm-Hersteller verwenden häufig Bildwiederholrate als Marketing-Tool, wenn Sie eine hervorragende Bildschirmqualität bieten. Die Voraussetzung ist, dass je höher die Bildwiederholfrequenz, desto besser ist die Bildqualität. Doch oft dienen die Zahlen nur dazu, potenzielle Kunden zu verwirren. Beispielsweise bedeutet die Bildwiederholrate von mehreren kHz, dass entweder das modifizierte PWM-Erzeugungsverfahren verwendet wird (wenn die Bildwiederholrate für verschiedene Helligkeitsstufen tatsächlich unterschiedlich ist) oder dass die Farbtiefe inakzeptabel niedrig ist.

Wir sollten uns daran erinnern, dass eine hohe Bildwiederholrate und hohe Farbtiefenwerte nur bei hohen Helligkeitsstufen auftreten können, die an sich ein Missverständnis darstellen, da ein LED-Videobildschirm nicht immer mit 100% Kapazität betrieben werden sollte.

Für den Fall der Zeilensprung-Abtastung entspricht der Bildwiederholungswert nur einem PWM-Zyklus für eine LED-Gruppe, während die tatsächliche Bildwiederholrate für den Bildschirm (die unsere Wahrnehmung beeinflusst) um ein Vielfaches niedriger sein wird.

Es ist informativer und ehrlicher, die Farbtiefe und die Taktrate für PWM und den ungefähren Bereich der Bildwiederholrate für den Bildschirm (z. B. 200-1000 Hz) im Falle einer modifizierten PWM-Bildschirmfunktion zu erwähnen. Wenn ein LED-Videobildschirm auf dem Zeitmultiplexprinzip basiert (zB Zeitteilung = 1: 1 - Abwesenheit der Zeitteilung, Zeitteilung = 1: 2 - PWM nur auf der Hälfte des Bildschirms usw.).

Der obige Parameter ist für unsere Wahrnehmung nicht wesentlich. Das menschliche Auge registriert keinen Unterschied in der Bildqualität bei Frequenzen über 100 Hz. Folglich sollte man entscheiden, ob eine hohe Bildwiederholrate wirklich notwendig ist und wenn es sich lohnt, dafür extra zu zahlen.

Bildwiederholfrequenz und Gleichmäßigkeit des aufgenommenen Bildschirms sind nur dann wichtig, wenn ein LED-Bildschirm häufig zum Objekt für Videoaufnahmen (Stadien und Konzerthallen) wird. Daher ist es besser, zuerst eine Probeaufzeichnung vor der Unterzeichnung des Kaufvertrags durchzuführen.



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