Moderni LED video ekrani: Karakteristike, tehnologije, razlozi za izbor

Danas imamo tendenciju da uzmemo LED video ekrane za gotovo. Zapravo, oni su postali zajedničke karakteristike u našim gradovima i uglavnom se obratimo pažnji na njihove parametre spoljašnjeg kvaliteta. Ali pošto je naš magazin specijaliziran za ovu tehnologiju, verujemo da je došlo vreme da se navede glavni tehnički principi savremenih LED video ekrana, te principe koji na kraju obezbeđuju milione ljudi na ekranima svakog dana.

Savremeni LED video ekran je kompleksan sistem sa ogromnim brojem komponenti. Kvalitet slike i operativni parametri zavise od kvaliteta svake od tih komponenti, kao i od funkcionalnosti sistema za kontrolu ekrana.

                                          Tipični blok dijagram LED ekrana

Sledeće karakteristike LED ekrana su važne sa stanovišta kvaliteta slike:

• Rezolucija LED video rezolucije (tzv. Prostorna rezolucija), u LED video ekranima je blisko povezana sa rastojanjem između piksela ili veličine tačke;

• Maksimalna osvetljenost (merena u Nitima);

• Dinamički opseg osvetljenosti shvaćen kao broj nivoa osvetljenosti koje ekran može podržati (ponekad se naziva i radiometrijska ili energetska rezolucija);

• Frame rate meri koliko često video izvor može da prikaže čitav okvir novih podataka na ekranu, frekvencija kadrova koja se menja u sekundi (fps) (ponekad se naziva i temporalna rezolucija);

• Frekvencija osvežavanja (mjereno u Hz) je broj puta u sekundi da hardver za prikaz izvlači podatke ili osvežava okvir (koji se također naziva " vremenska rezolucija");

• Spektralna rezolucija: slike u boji razlikuju svetlost različitih spektara. Višepektralne slike rešavaju čak i manje razlike spektra ili talasne dužine nego što je potrebno za reprodukciju boje. Termin određuje koliko spektralnih komponenti stvaraju sliku;

• Jedinstvenost boja u celom ekranu;

• Balans belog i mogućnost fino podešavanja;

• Linearna percepcija osvetljenosti - subjektivan kvalitet kvaliteta slike koji određuje kako ljudsko oko razlikuje susedne nivoe osvjetljenja i na tamnim i svetlim dijelovima ekrana;

• Kontrast slike;

• Kvalitet slike određen ugao gledanja.

Pored kvaliteta slike, važno je razmotriti i neke ključne operativne parametre LED ekrana:

• Povratni signal ili sistem za praćenje stanja ekrana;

• Zreli softver i sveobuhvatni sistem kontrole koji omogućavaju skaliranje sistema i izgradnju LED i LCD video mreža sa daljinskim upravljanjem preko Interneta preko ugrađenog informacionog sigurnosnog podsistema;

• Nivo elektromagnetskog zračenja u obliku elektromagnetnih smetnji (EMI) sa ekrana.

Da razmotrimo neke od gore navedenih parametara detaljnije.

Izrada slike na LED ekranu i kontroli osvetljenosti

Pulse-Width Modulation (PWM) i brzina osvežavanja

Početna slika koja se prikazuje prikazuje se kao računarska datoteka, obično * .avi ili * .mpg snimak. Datoteku dekodira upravljački računar (ili video kontroler) i transformiše se u specijalizovani video stream koji se puni mikročipovima konstantnih upravljačkih programa. IC vozači napreduju konstantnom strujom za LED diode, čime se sija u određenom spektru.

PWM - (modulacija širine impulsa) je često korišćena tehnika za kontrolu različitih nivoa osvetljenosti. U zavisnosti od potrebnog nivoa osvjetljenja, struja se prebacuje na LED diode sasvim slučajno okrećući i isključujući prekidač između napajanja i opterećenja brzim tempom. Na primjer, kako bi dosegli osjetljivost od 50%, struja treba prosljeđivati samo polovinu trajanja ciklusa, da bi dosegla osvetljenost od 25% struja će biti uključena samo za četvrtinu trajanja ciklusa. Drugim riječima, LED će raditi u režimu "isključen - isključen", gdje će vrijeme trajanja "uključenog" odgovarati potrebnom nivou osvjetljenja.

PWM tehnika osigurava da LED (i čitav video ekran) proizvodi cikličnu sliku. Trajanje minimalnog ciklusa (kada se LED indikativno uključuje i isključuje) naziva se period osvežavanja ili brzina osvežavanja.

Razmotrimo primer: Recimo da je frekvencija osvežavanja LED video ekrana jednaka 100 Hz. Da bismo obezbedili maksimalno 100% osvetljenje, potrebno je prosljeđivati struju tokom čitavog perioda osvježavanja, što je u ovom slučaju jednako 1/100 s = 10 ms. Da biste smanjili osvetljenost za polovinu, struju treba proslediti za 5 ms, a zatim isključiti za 5 ms. Onda se ciklus ponavlja na isti način. Da bi se postigao samo 1% nivo osvjetljenja, struja će se prosljeđivati na LED diode u trajanju od 0.1 ms, a period isključivanja traje 9.9 ms.

Osnovni PWM metod se može modifikovati i nadograditi. Različiti proizvođači koriste različitu terminologiju: Usklađeni PWM (Macroblock), Sequential Split Modulation (Silicon Touch) i Adaptive Pulse Modulation Modulation (MY's-Semi). Sve ove funkcije imaju tendenciju da "šire" LED prekidač tokom perioda čitavog perioda osvežavanja. Prema tome, rad na ekranu sa osvetljenjem od 50% sa frekvencijom osvežavanja od 100 Hz će izgledati kao ponovljeni ciklus "1 ms LED na 1 ms LED". To znači da se za osvetljenost od 50% osvežavanje povećalo pet puta i iznosi 2 ms. Zbog toga je frekvencija osvežavanja povećana na 500 Hz. Ovaj proračun je tačan samo za 50% osvetljenosti. Za svaki oblik osvetljenosti postoji minimalna osvetljenost jednog impulsa (nekih minimalnih trajanja) kada se LED lampica uključi, ostatak vremena je isključen.

Stoga, striktni "tradicionalni" PWM ciklusi su iskrivljeni modernim modifikovanim metodama. U zavisnosti od potrebnog nivoa osvjetljenja možemo identifikovati kraće periode sa većom brzinom osvežavanja. Na određenoj brzini osvežavanja LED ekrana može se razlikovati između, recimo, 100 Hz i 1 kHz. To znači da je za minimum ili maksimalnu osvetljenost frekvencija osvjetljenja oko 100 Hz. Ali kod drugih nivoa osvetljenja susrećemo periode sa većom brzinom osvežavanja.

Stoga, za modifikovane PWM metode koncept osvježavanja postaje prilično pogrešan. Međutim, ako definišemo brzinu osvežavanja kao minimalni period potreban za obnovu slike za sve nivoe osvetljenja , izbjegavamo sve nesporazume, jer u ovoj definiciji brzina osvježavanja ne zavisi od procesa PWM-a.

Interlaced slike zasnovane na skeniranju i podjelu vremena na LED video ekranima

Neke LED slike video ekrana su struktuirane na takav način kako bi se sprečilo trenutno snabdevanje svim LED dioda istovremeno. Sve LED diode na video ekranu su podeljene u grupe (obično, dva, četiri ili osam) koje su uključene. To znači da metode za stvaranje slike opisane iznad primenjuju se za različite grupe LED dioda na video ekranu. Ako ekran ima dve takve grupe, formiranje slike je ekvivalentno iskrivljenom skeniranju na analognom TV-u.

Ova metoda najčešće se koristi da bi LED ekrane bile jeftinije, jer je za ovaj metod formiranja slike potrebna manja količina IC upravljačkih programa (za dva, četiri ili osam puta, shodno tome). Pošto IC vozači doprinose otprilike 15-20% na trošak ekrana, ekonomija može biti značajna. Štaviše, metod vremenske podeljenosti je praktično neizbežan na LED video ekranima visoke rezolucije, jer mali ekrani predstavljaju ozbiljne probleme u pozicioniranju velikog broja upravljačkih programa na PCB-u i uređivanju pravilnog prenosa toplote od IC drajvera.

Naravno, ova ekonomija dovodi do slabije osvetljenosti ekrana i manjeg osvježavanja (srazmerno broju korištenih LED grupa).

Reći ćemo da imamo ekran sa dve LED grupe koristeći metodu podele vremena. Struja se isporučuje jednoj grupi kako bi se osigurala potrebna osvetljenost. Druga grupa je isključena. Posle jednog perioda osvežavanja grupe se zamenjuju: sada se druga grupa napaja dok se prva mračna. Prema tome, period potreban za obnavljanje svih informacija na ekranu postaje dvostruko duži.

Koncept osvježavanja u ovom slučaju postaje još suptilniji. Strogo govoreći, period osvježavanja ili minimalno vrijeme potrebno za obnovu slike na cijelom ekranu udvostručuje se. Međutim, za svaku grupu dužinu perioda formiranja slike ostaje nepromenjena, i možemo tvrditi da stopa osvežavanja ostaje ista kao i ranije.

LED video ekran, frekvencija osvežavanja i ljudsko oko

Prvenstveno, stopa osvežavanja utiče na percepciju slike. Mi obično peremo sliku na ekranu kao glatku i ne primećujemo efekat treperenja, jer je učestalost treperenja prilično visoka. Naša vizuelna percepcija je psihološka i fizička po prirodi. Pojedinačni blicevi svetlosti sumiraju se u "glatku" sliku našeg mozga. Prema Blochovom zakonu, ovo podudaranje traje otprilike 10 ms i zavisi od svetlosti svetlosnih blica. Ako svetlost treperi sa dovoljno frekvencije (tzv. Praga CFF - Kritična frekvencija flikera), ljudsko oko ne primećuje pulsaciju prema Zakonu Talbot-Plateau. Prag praga CFF ovisi o mnogim faktorima kao što je spektar izvora svetlosti, pozicioniranje izvora svetlosti u odnosu na oko, nivo osvetljenosti. Međutim, u normalnim uslovima ova frekvencija nikada ne prelazi 100 Hz.

Prema tome, ljudsko oko neće razlikovati nikakve razlike u LED prikazima video ekrana formiranih pomoću PWM ili modifikovanih PWM metoda sa brzinama osvežavanja od 100 Hz do 1 kHz.

LED ekran, frekvencija osvežavanja i video kamera

Međutim, ljudsko oko nije jedini instrument koji može da vidi slike. Ponekad koristimo video kamere za snimanje LED video ekrana, a video oprema se zasniva na principima drastično drugačijim od onih koje koristi ljudski mozak. Ovo je posebno važno za sve instalacije LED ekrana na sportskim stadionima, sajmovima ili koncertnim dvoranama gdje se događaji snimaju kamerama. Vreme ekspozicije ili brzina zatvarača u savremenim video kamerama mogu se razlikovati od sekundi do milisekunde.

Da kažemo da pogledamo LED ekran gde se slika formira koristeći tradicionalnu PWM metod sa frekvencijom osvežavanja od 100 Hz. Video ekran prikazuje statičku sliku. Ako pokušamo da snimimo ovu sliku pomoću video kamere koristeći 1/8 sekundi brzine zatvarača (tj. Vreme ekspozicije 125 milisekundi), senzor za fotografije će snimiti svetlost sa slike ekrana proizvedene u periodu od 12.5 osvežavanja. LED ekran i video kamera nisu sinhronizovani i svaki snimak snimljen od strane fotoaparata odgovara različitom vremenu vezanom za početak i kraj ciklusa osvježavanja. Ali sa ovom velikom brzinom zatvarača neće biti sukoba i kamera će snimiti glatku sliku LED ekrana.

Ako smanjimo brzinu zatvarača na 1/250 sekunde kada je vrijeme izlaganja 4 ms, jedan okvir kamere će biti 2,5 puta kraći od perioda osvežavanja na LED video ekranu. Ovoga puta će biti značajno odstupanje između početka okvira fotoaparata i početka PWM ciklusa. Neki okviri će odgovarati početku PWM ciklusa, drugi na sredini, a drugi do kraja ciklusa. Svaki okvir će zabeležiti različite svjetlosne tokove i postepeno se greška akumulira. Kada pregledamo video snimak, osvetljenost kadrova će biti znatno drugačija. Tipično, svi objekti snimljeni sa kratkim vremenom izlaganja izgledaju manje svetli. Kamera će snimiti efekat "treperenja" na LED video ekranu. Ako se vreme ekspozicije smanji još više, definitivno ćemo videti neke crne okvire (kada početak okvira fotoaparata odgovara kratkom PWM periodu kada se LED diode isključe), a snimljeni video će treperiti još više.

Stoga, ako koristimo video kameru za snimanje LED ekrana sa tradicionalnom PWM funkcijom, frekvencija osvežavanja bi trebala biti kompatibilna sa ili iznad nje ekspozicije kamere.

Kod LED ekrana sa modifikovanom PWM funkcijom primenjuje se ista logika. S obzirom da je u režimu visoke osvetljenosti vreme uključenja LED-a "šireno" preko PWM ciklusa, snimljena slika će biti stabilnija u odnosu na tradicionalnu PWM funkciju. Ali pri slaboj osvetljenosti situacija će ostati ista: snimljena slika će izgubiti osvetljenost ili će treperiti.

Kao što vidite bez odgovarajuće sinhronizacije, bilo kakvo video snimanje na LED ekranu će dovesti do izobličenja snimljene slike. To možemo uporediti sa snimanjem analognog televizora analognom kamerom: razlike u režimima skeniranja oba uređaja doveli će do efekta dijagonalne crne linije koje odvajaju TV okvire.

Još jedno važno pitanje je sinhronizacija LED kontrolera ekrana. Veliki LED ekrani su izrađeni od blokova (LED moduli i / ili ormarića) koji prikazuju slike koje generišu različiti kontroleri. Ako ovi kontrolori ne sinhronizuju početak PWM ciklusa (tj. Početak ciklusa na različitim dijelovima ekrana), možemo se suočiti s sledećim problemom: ciklus osvježavanja na nekim dijelovima LED ekrana će odgovarati okvirima fotoaparata i na drugim Delovi ekrana neće. Ako je ekspozicija kompatibilna sa ciklusom osvježavanja, dio video ekrana će izgledati sjajnije, još jedan tamniji. Cela slika će se sastojati od tamnih i svetlih pravougaonika i biće neudobno gledati.

Cena ekrana LED ekrana osvježava

Bez obzira na metodu generisanja PWM-a, svi imaju zajedničke karakteristike. PWM generacija radi na određenoj brzini sata F pwm . Pretpostavimo da moramo generisati određeni broj N nivoa osvjetljenja. U tom slučaju frekvencija osvežavanja F r ne može preći F pwm / N.

Evo nekoliko primera koji ilustruju gore navedenu izjavu:

Ovi brojevi pokazuju da svaka LED video ekrana prati neki nezavisni proces generisanja PWM-a, tj. Metod generacije PWM-a se programira direktno u IC upravljačke programe.

Sa jednostavnim i jeftinim IC drajverima, PWM se generiše na kontroleru za LED video ekran. Tada bi trebali razmotriti koliko je vozača povezano uzastopno i da ih servisira jedan proces proizvodnje PWM-a. Ako jedna shema generacije PWM zahteva M16 -izlazne upravljačke kanale, frekvencija osvežavanja ne može biti veća od F pwm / (N * M * 16 , inače vodi do znatno niže frekvencije osvežavanja ili potrebe za povećanjem frekvencije.

U slučaju vremenskog razdvajanja (preklapanje skeniranja) stopa osvežavanja pada srazmerno koeficijentu podele.

Stoga, kako bi se povećala frekvencija osvježavanja na LED video ekranima, dostupne su sljedeće opcije:

• Korišćenje "inteligentnih" (skupih) vozača;

• Povećanje broja sati u procesu generisanja PWM;

• Smanjenje broja nivoa osvetljenosti (dubina boja).

Svaka metoda ima prednosti i nedostatke. Intelektualni vozači su mnogo skuplji od jednostavnih IC vozača; Porast brzine sata dovodi do veće potrošnje energije (zbog toga zahtijeva dodatne mere za prenos toplote kako bi se izbjeglo pregrevanje); Mali broj nivoa osvetljenosti negativno utiče na kvalitet slike.

Zaključak: Osvežite na LED video ekranima

Proizvođači LED ekrana često koriste frekvenciju osvežavanja kao marketinški alat kada se pohvaljuju odličnim kvalitetom ekrana. Pretpostavka je da što je veća brzina osvežavanja, to je bolji kvalitet slike. Međutim, često brojevi služe samo da zbunjuju potencijalne kupce. Na primer, frekvencija osvežavanja od nekoliko kHz znači da se koristi ili modifikovana metoda PWM generacije (kada je stopa osvežavanja u stvari različita za različite nivoe osvetljenosti) ili da je dubina boja neprihvatljivo nizka.

Treba zapamtiti da se visoka brzina osvežavanja i visoke vrednosti dubine boje mogu pojaviti samo pri visokim nivoima osvjetljenja, što samo po sebi predstavlja pogrešno shvatanje, s obzirom da LED video ekran ne treba uvijek raditi sa 100% kapaciteta.

U slučaju isprepletenog skeniranja, vrednost osvežavanja će odgovarati samo jednom PWM ciklusu za jednu LED grupu, dok će stvarna frekvencija osvežavanja za ekran (koja utiče na našu percepciju) biti nekoliko puta niža.

Više je informativnog i iskrenog da pominjemo dubinu boje i brzinu sata za PWM i približni opseg osvježavanja ekrana (na primjer, 200-1000 Hz) u slučaju modificirane PWM ekranske funkcije. Ako se LED video ekran zasniva na vremenskom principu (na primjer, vremenska podjela = 1: 1 - odsustvo vremenske razdjelosti, vremenska podjela = 1: 2 - PWM radi samo na polovini ekrana itd.).

Gore navedeni parametar nije bitan za našu percepciju. Ljudsko oko ne registruje nikakvu razliku u kvalitetu slike na frekvencijama iznad 100 Hz. Shodno tome, treba odlučiti da li je zaista potrebna visoka osvježavajuća brzina i ako je vredno uzimati dodatno za to.

Brzina osvežavanja i jednakost snimljene slike na ekranu su važni samo u slučajevima kada LED ekran često postaje objekat za video snimanje (stadioni i koncertne dvorane). Prema tome, bolje je prvo voditi neku probnu evidenciju pre potpisivanja kupoprodajnog ugovora.