本文主要討論以下幾個方面
　　
　　1、如何解決大型LED全彩顯示屏的配光、白平衡和色彩一致性問題
　　
　　2、全彩色LED顯示屏控制設計中的相關(guān)技術(shù)
　　
　　LED顯示屏是一種由計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)、電子技術(shù)、光學及色度學等*相結(jié)合的電子顯示器，一般地說，LED顯示屏又分為單色屏，雙色屏及全彩屏。所謂單色屏，顧名思義，顯示器是由單一的某種顏色的LED組成。把紅色和綠色LED作為一個像素的顯示屏叫雙色屏。把紅、綠、蘭三種LED放在一起作為一個像素的顯示屏叫三色屏或全彩屏。早期由于價格和技術(shù)多方面的因素，LED顯示屏主要以單雙色為主，但隨著技術(shù)的不斷進步和成本的降低，全彩屏正以一種的速度在普及和推廣。特別是北京申奧的成功，它提出“綠色奧運”的號召，使得LED全彩屏的市場前景更為誘人。本文要討論的也正是目前應用很廣的全彩顯示屏。
　　
　　LED全彩屏分為室內(nèi)屏（Indoor）和戶外屏（Outdoor），我們先介紹幾個全彩屏的常用術(shù)語。
　　
　　點(Pixel)：像素點的簡稱，一般由R/G/B三種顏色的LED組成。按組成的方式不同，又分為1R/1G/1B、2R/1G/1B、2R/2G/1B等不同的組合方式，它是全彩屏的基本成像單位。
　　
　　點間距（Pitch）：顯示屏各像素的中心點之間的距離，一般用mm表示,它決定了一個全彩屏的像素數(shù)量。
　　
　　灰度等級(GrayScale)：顯示屏亮度調(diào)節(jié)的精細度就叫做顯示屏的灰度等級,一般地說,灰度等級越高,顯示顏色就越豐富。LED改變顏色的驅(qū)動方式一般有兩種，一種是改變LED的電流。一般來說，LED的工作電流設定在20mA以下，以保證LED的抗衰減性。另外一種是利用人眼的視覺惰性，用脈沖調(diào)制來實現(xiàn)灰度控制。人對像素平均亮度的感覺可取決于它的衰/滅（占空比），即周期性地改變占空比，只要這個周期足夠短，人眼就感覺不出它的衰/滅。
　　
　　一般地說，室內(nèi)屏的點間距（Pitch）為2-12mm，其中2-8mm的室內(nèi)屏一般使用TOP型的貼片方式或現(xiàn)在發(fā)展起來的亞表貼方式。戶外屏的點間距（Pitch）為14-26mm，以現(xiàn)在綠色LED亮度水平，Pitch為16mm和20mm的顯示屏是其中zui主流的產(chǎn)品。
　　
　　國內(nèi)的顯示屏制造商，經(jīng)過這十幾年的發(fā)展，進步非?？?，但和歐美日等發(fā)達國家相比，還是有一定的差距，特別是其中zui主要的顯示器件LED的封裝工藝及設計水平，在LED的配光、配色的方面還存在很多不足之處，在此我們討論如何來提高LED配光水平和屏體色彩的一致性。
　　
　　LED配光方法是一整套技術(shù)，它包括投產(chǎn)晶片的管理、封裝工藝的控制、白平衡的調(diào)配及LEDLens的光學設計和屏體裝配工藝的控制等等?，F(xiàn)分別陳述如下：
　　
　　一、晶片的管理
　　
　　在生產(chǎn)全彩顯示屏用的LED時，需要對晶片的控制特別嚴格，除了要達到亮度要求和波長要求外，以下兩點細節(jié)要特別引起注意，一是產(chǎn)品的亮度要成正態(tài)分布，不能出現(xiàn)亮度不連續(xù)的現(xiàn)象，波長也要成正態(tài)分布，而且要特別注意晶片投料時一定要把所投晶片的波長平均值明細以及每板晶片的數(shù)量列出，要在電腦上進行分析，也可以作一個直方圖，以明確晶片的波長分布是否成正態(tài)分布。如果以上細節(jié)不注意，在屏體生產(chǎn)調(diào)白平衡時，由于LED的亮度和波長不成正態(tài)分布，調(diào)整起來就特別困難。
　　
　　二、白平衡設計
　　
　　為方便下面的介紹，我先介紹幾個術(shù)語及定義。
　　
　　白平衡：將三種顏色調(diào)配到一種設想的白色的過程。調(diào)配可分兩個內(nèi)容：顏色和亮度。
　　
　　1：設定固定條件：溫度、電壓、選用電源線。
　　
　　2：設定顏色目標及范圍（公差），一般是指目標顏色的X，Y值。
　　
　　3：進行白色亮度調(diào)節(jié)。
　　
　　混合色的總亮度等于組成混合色的各種顏色的亮度總合稱為亮度相加定律。
　　
　　為了便于理解我們以舉例的方式來介紹如何配光。
　　
　　我們知道，混合一種白光的R/G/B大致比例為3：6：1，我們根據(jù)這個知識就很方便地計算出每種顏色LED所需的亮度值。
　　
　　比如有一客戶需要一塊Pitch為16mm，亮度為5000Nit的戶外全彩屏，那么我們應該怎樣來計算我們的LED每種顏色到底需要多高亮度。
　　
　　1.先計算每一平方米的Pixel數(shù)量=1m2/（16mmX16mmX10-6）=3906pcs/m2
　　
　　2.每一Pixel的亮度=5000Nit/3906pcs/m2=1.28cd/m2
　　
　　3.如果像素組成方式為1：1：1時，則可按以下方法計算
　　
　　Red=1.28X30%X1000=384mcd
　　
　　Green=1.28X60%X1000=768mcd
　　
　　Blue=1.28X10%X1000=128mcd，
　　
　　這樣我們很快就知道了答案，很方便是嗎？但以上計算方法只能很粗略地計算，而且有一點要特別注意，由于LED裝上屏后，要封上一層黑膠，這會降低LED的亮度，再加上各種不同的LED在老化后都有不同程度的衰減，根據(jù)多年的經(jīng)驗，為使顯示屏達到在陽光下圖像清晰所必需的5000Nit，將設計值提高30%，即為6500Nit比較安全。
　　
　　Led顯示屏除了正面要保證白平衡良好外，另外還要保證R/G/B三種顏色的LED亮度變化在左右各90度的范圍內(nèi)保持高度一致，這樣才能使屏在任意角度觀看都不會覺得偏色。紅色晶片和雙墊極的綠、藍色晶片，在晶片的材質(zhì)、各結(jié)構(gòu)層的厚薄、折射率以及它們裸晶光斑都有很大的差異，且它們的物理尺寸也相差太大，要想使它們在左右各90度的范圍內(nèi)保持一致，須使用不同的光學Lens（模條），這就要求為紅色晶片和綠、藍色晶片單獨定制不同的光學模條，這也是為什么有的LED顯示屏在正面看白色很好而在側(cè)面看就會偏色的原因。
　　
　　三、如何控制色彩一致性
　　
　　Led顯示屏產(chǎn)生色彩差異的原因主要有以下幾個
　　
　　1、同一塊屏選用了不同檔次波長亮度的LED
　　
　　2、由于各模組和箱體之間的平整度不能保證一致，每個模組塑料外殼安裝平整度的微小差異，每一塊模組在焊接LED時與電路板的垂直夾角的微小差異、灌膠時殘留在LED上的膠都會影響屏體的一致性。
　　
　　消除色彩差異的措施
　　
　　針對上述產(chǎn)生馬賽克的三個原因，可采取了以下針對措施，盡量消除差異：
　　
　　1、采用專業(yè)的灌膠設備，嚴格控制膠量相同，并且防止膠灑落在LED上。目前由于很多顯示屏廠家為了控制生產(chǎn)成本，大多還采用手工灌膠，這是目前LED顯示屏出現(xiàn)色彩差異的一個主要原因。
　　
　　2、制作專門的整形工具，在LED過完波峰焊過后，對每個模組LED進行的整型，保證各模組之間LED與電路的垂直夾角相等。目前很多的LED顯示屏生產(chǎn)廠家在整型過程中只是用肉眼來觀看，這也很大程序上影響了各模組色彩的一致性。
　　
　　3、單模塊亮度控制技術(shù)，是采用改變各模塊之間各基色LED的平均電流從而調(diào)節(jié)模塊的亮度，達到消除亮度一致性差的目的。
　　
　　4、同一顯示屏一定選擇同一品牌、同一規(guī)格、同一檔次波長和亮度的LED。
　　
　　控制系統(tǒng)的其本組成和技術(shù)特點
　　
　　一般全彩LED顯示屏系統(tǒng)根據(jù)功能可大致分為以下四個部分：視頻轉(zhuǎn)換及處理，視頻控制，信息傳輸及顯示控制。
　　
　　1、視頻轉(zhuǎn)換及處理
　　
　　各種不同的視頻信號經(jīng)過各自的處理通路，按設定的要求，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的形式，再經(jīng)過選定的DVI信號處理后，以DVI格式輸出至視頻控制部分。
　　
　　2、視頻控制
　　
　　視頻DVI信號及計算機DVI信號經(jīng)各自的D到D轉(zhuǎn)換，及Fi-Fo（*先出）存儲及復雜的編碼過程后，形成符合LED顯示系統(tǒng)標準的資料系統(tǒng)。然后在電路控制下，將兩種圖像合二為一。實現(xiàn)計算機圖像對視頻的疊加（overlay）。
　　
　　3、信息傳輸
　　
　　為了便于傳輸，信號將被處理成串行的數(shù)字信號，經(jīng)網(wǎng)線或光纖系統(tǒng)進行傳輸，并將還原后的串行信號送至顯示屏，處理分配后控制各自的LED顯示控制單元。
　　
　　4、顯示控制
　　
　　顯示控制模塊是整個系統(tǒng)很關(guān)鍵的一部分，該模塊的質(zhì)量和性能決定了顯示畫面的質(zhì)量及效果。人眼對顏色的感覺與光的譜線分布沒有直接的，即人眼只能分辨顏色的三種變化：亮度、色調(diào)和飽和度?，F(xiàn)代色度學采用CIE所規(guī)定的顏色測量原理、資料和計算方法，即我們所熟悉的CIE1931色度圖。
　　
　　依據(jù)CIE色度圖，我們采用對LED進行恒流階梯式驅(qū)動方式，并且實現(xiàn)對每個像素進行控制和采用特殊的工藝，保證LED全彩顯示屏在不同的條件下實現(xiàn)*的色彩顯示，使亮度、色調(diào)和飽和度相匹配。
　　
　　顯示控制部分說明
　　
　　按信號處理的前后過程，我們對顯示控制進行簡要說明：
　　
　　1、輸入信號組成：R、G、B各8bits數(shù)字數(shù)據(jù)，8bits地址傳送信號，H同步，V同步，像素時鐘，芯片時鐘。FlashROM寫入用I2C總線，通過片選信號，可一次寫入256片。
　　
　　2、輸入信號首*入緩沖器，然后R、G、B數(shù)據(jù)信號進入高速SRAM，8位地址信號進入控制單元，控制單元根據(jù)地址控制SRAM讀進相應顯示部分的數(shù)據(jù)。H、V、時鐘三組位置信號進入同步處理單元進行處理。
　　
　　3、控制單元從SRAM中取出數(shù)據(jù)作為GAMMA表（FlashROM）的地址，從中取出校正后的8位數(shù)據(jù)送至下一級：顏色校正及增加單元。FlashROM中的GAMMA校正表是根據(jù)人眼特性編制的亮度對應表。
　　
　　4、顏色校正及增加單元由矩陣運算及顏色校正數(shù)據(jù)表（FlashROM）組成。其中顏色校正表存有該顯示模塊通過逐點光學測量得出的各點校正數(shù)。矩陣運算部分作用是將R、G、B輸入信號和校正表系數(shù)進行函數(shù)運算。運算結(jié)果即由R、G、B各8bits轉(zhuǎn)換成R、G、B各13bits。
　　
　　5、13bits數(shù)據(jù)信號經(jīng)低速緩沖SRAM做時序調(diào)整后送入數(shù)據(jù)分配單元。
　　
　　6、數(shù)據(jù)分配單元按每列16pixels寬的方法將數(shù)據(jù)進行重新分配。
　　
　　控制系統(tǒng)設計中的相關(guān)技術(shù)
　　
　　1、視覺非線性Gamma校正技術(shù)
　　
　　在廣播電視設備發(fā)展的初期，由于主要采用的顯示器就是我們現(xiàn)在廣泛使用的電視機，其中采用的發(fā)光器件就是陰極射線管（即CRT），也就是我們通常說的顯像管，它的光輸出特性與輸入控制電壓（的γ次方成正比）成非線性關(guān)系，為了保證顯像管能夠正常的還原視頻信號，在信號源的發(fā)生設備上對信號進行了非線性預校正，也就是說，目前，我們使用的所有視頻信號源（廣播電視信號、DVD、VCD、攝像機等視頻信號）都經(jīng)過了非線性的預矯正處理，即1/γ校正。
　　
　　LED顯示屏屬于大型平板顯示設備，發(fā)光二極管的亮度與驅(qū)動信號成線性關(guān)系。所以，LED顯示屏在播放視頻信號時，必須對輸入的視頻信號進行非線性γ反矯正，才能夠顯示正常的圖像信號；否則，如果不對輸入的視頻源信號做非線性校正處理，大屏顯示的視頻圖像在層次和色彩上都會嚴重失真，直接影響顯示效果。
　　
　　在我們的LED顯示屏系統(tǒng)設計中，采用了目前較科學的γ校正處理技術(shù)，對數(shù)字三基色視頻信號分別進行數(shù)字γ校正，在完成γ校正的同時，并不損失灰度層次，使顯示屏圖像更鮮艷、更逼真，更清晰。
　　
　　2、色空間轉(zhuǎn)換技術(shù)
　　
　　由于LED三原色的波長和NTSC/PAL系統(tǒng)的三原色波長不同，LED的顏色空間會大于NTSC/PAL的顏色空間。而且各種信號源的采集和制作均是按照標準的NTSC/PAL系統(tǒng)標準顏色空間進行，因此如果用LED大屏幕再現(xiàn)視頻內(nèi)容，顏色將會顯得過分鮮艷和不自然。因此需要采用一種顏色空間轉(zhuǎn)換技術(shù)，以符合NTSC/PAL的再現(xiàn)，使屏幕更加自然和流暢。
　　
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　　3、場倍頻技術(shù)
　　
　　目前，世界上采用的電視制式主要有PAL、NTSC、SECAM三種，場頻一般為50Hz或60Hz，對于電視機顯示視頻圖像信號時，由于其亮度大約在300尼特（cd/m2），人眼在觀看時，不會引起閃爍感。但是，隨著亮度的提高，人眼的臨界閃爍頻率也隨之相應的提高，否則會引起大面積閃爍現(xiàn)象。當LED顯示屏在戶外或戶內(nèi)環(huán)境光較亮的場所使用時，亮度要求高達1800—7000尼特（cd/m2），在這么高的亮度下，只有提高場頻，才能避免觀看時會有的大面積閃爍現(xiàn)象。采用場倍頻技術(shù)處理后，即將LED顯示屏的場刷新頻率變?yōu)?00Hz以上，就可以有效的克服LED顯示屏在高亮度下的頻閃現(xiàn)象。
　　
　　4、幀刷新技術(shù)
　　
　　在早期的LED顯示屏控制系統(tǒng)設計中，對顯示屏數(shù)據(jù)信號的刷新處理采用的是與電視機逐行掃描方式類似。即將一幅圖像平均分成1～n的若干行，當傳輸圖像信號時遵循從第1行至第n行的規(guī)則逐行方式傳輸。這種方式的弊病在于傳輸?shù)?行和傳輸?shù)趎行期間的延遲時間大約是20ms或16.67ms。那么當顯示快速運動圖像時，就會造成顯示圖象的畸變。這些現(xiàn)象用視覺直觀體現(xiàn)出來，就是我們平時看到的——高速物體運動圖像播放不連續(xù)；或畫面變成鋸齒狀等等現(xiàn)象。
　　
　　為了克服這些問題，就要在LED顯示屏控制系統(tǒng)設計中采用幀刷新技術(shù)，即顯示屏的數(shù)據(jù)刷新方式是整屏同時刷新，而不是逐行刷新，消除了傳輸?shù)?行和傳輸?shù)趎行期間的延遲時間，提高了圖像的還原質(zhì)量，同時還可以和高速攝像機配合使用，能夠較好的顯示快速運動圖像，不會失真。
　　
　　5、數(shù)據(jù)傳輸
　　
　　在以往的顯示屏系統(tǒng)設計中，有關(guān)主控器與顯示屏體之間的數(shù)據(jù)傳輸往往是采用同步時鐘和圖像數(shù)據(jù)并行的方式通過很多數(shù)據(jù)線傳輸，當傳輸信號的頻率較高時，傳輸線上的延時差異，將會導致同步時鐘和圖像數(shù)據(jù)之間的相位差異，使屏體顯示不正常，具體表現(xiàn)為：花屏、雜波雜點多、圖像鑲邊等現(xiàn)象。
　　
　　為了克服傳輸延時對顯示屏整體效果的影響，在系統(tǒng)設計中，主控器與顯示屏體之間的數(shù)據(jù)傳輸更應采用同步時鐘和圖像數(shù)據(jù)串行的方式通過光纖或5類雙絞線數(shù)據(jù)線傳輸，這種方式能保證同步時鐘和圖像數(shù)據(jù)之間的相位，因此，這是一種有效且可靠的傳輸方法，并且，通過特定的數(shù)字視頻編碼技術(shù)實現(xiàn)顯示屏的控制量與同步時鐘、圖像數(shù)據(jù)一起通過一根數(shù)據(jù)線傳輸，優(yōu)化整個系統(tǒng)設計。
　　
　　6、電源緩啟動技術(shù)
　　
　　由于整個顯示系統(tǒng)的功耗相當大，如果全部瞬間加載，勢必對電網(wǎng)造成極大的沖擊，影響整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性，因此需要在系統(tǒng)設計時讓顯示屏上電后亮度由zui低零逐步增加至正常值，緩解對電網(wǎng)的沖擊。
　　
　　7、顏色倍增技術(shù)
　　
　　信號通道需要采用顏色倍增技術(shù)，從8bits增至13bits或更高使圖像的顏色等級大大增加，才能使圖像在低亮度區(qū)更加再現(xiàn)。
　　
　　目前，LED電子顯示屏正向超高亮度、高分辨率、高灰度級方向發(fā)展，系統(tǒng)的運行、操作與維護也向集成化、網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展。國內(nèi)的電子行業(yè)及研究機構(gòu)也在不斷追蹤著潮流，加大研制及產(chǎn)業(yè)化的步伐，積極開拓國內(nèi)外市場，努力使其*產(chǎn)品在大屏制造業(yè)。