#12/2011

Moderne LED-Bildschirme: Eigenschaften, Technologien, Gründe zu wählen - Teil 1

Chefredakteur - Vladimir Krylov, Dr.-Ing.
Stellvertreter Chefredakteur - Michael Nikulichev, Dr. phil.

Das erste Teil des Artikels beschäftigt jene Eigenschaften der modernen LED-Bildschirme, die die Bildqualität beeinflussen: Helligkeitseinstellung mit PWM, Bildkreation mit Zeitmultiplex und Bildwiederholfrequenz. Wir widmen uns das zweite Teil des Artikels dynamischer Helligkeitsstrecke, Farbwiedergabe- und Bildschirmkontrast, Treiber und moderne Methoden der Kontrolle der Bildschirme, der elektromagnetischen Verträglichkeit und der Funkstörung.

Heute neigen wir, LED-Bildschirme für bewilligt zu nehmen. In der Tat wurden sie allgemeine Eigenschaften in unseren Städten und wir beachten meistens ihre Außenqualitätsparameter. Aber, da unsere Zeitschrift auf diese Technologie sich spezialisiert, glauben wir, dass Zeit gekommen ist, wichtigsten technischen Prinzipien der modernen LED-Bildschirme, jene Grundregeln zu formulieren, die schließlich sicherstellen, welche Millionen Leute auf die täglichen Bildschirme sehen.

Moderner LED-Bildschirm ist ein komplexes System mit enormer Zahl der Bestandteile. Die Bildqualität und die Betriebsparameter hängen von der Qualität von jedem jener Bestandteile sowie auf der Funktionalität des Bildschirmsteuersystems ab.

Typisches Blockschaltbild eines LED-Bildschirms

Die folgenden LED-Bildschirmeigenschaften sind vom Gesichtspunkt der Bildqualität wesentlich:

LED-Bildschirmentschließung (so genanntes Auflösungsvermögen), in den LED-Bildschirmen ist sie eng verwandt, zwischen Pixel zu überholen oder Pixelabstand;
Maximale Helligkeit (gemessen in den Nits – cd/m2);
Die dynamische Helligkeitsstrecke, die als die Zahl Helligkeitsniveaus verstanden wird, dass der Bildschirm fähig ist sich zu stützen (manchmal es, wird auch radiometrisch oder Energieauflösung genannt);
Frameratenmasse wie oft eine videoquelle gesamten Frame der neuen Daten zu einer Anzeige einziehen kann, die Frequenz der Frame, die pro Sekunde (fps) ändern (manchmal gekennzeichnet als zeitliche Auflösung);
Die Bildwiederholfrequenz (gemessen in Hz) ist die Zahl Zeiten in einer Sekunde, dass eine Anzeigen-Hardware die Daten zeichnet oder Refreshs die Frame (auch gekennzeichnet als zeitliche Auflösung);
Spektrale Auflösung: Farbenbilder unterscheiden Licht der verschiedenen Spektren. Multispektralbilder lösen sogar feinere Unterschiede des Spektrums oder der Wellenlänge, als erforderlich, Farbe zu reproduzieren ist. Der Ausdruck stellt fest, wie viele Spektralbestandteile ein Bild verursachen;
Farbgleichheit während des Bildschirms;
Weißabgleich und Möglichkeit von Feinabstimmung sie;
Lineare Wahrnehmung der Helligkeit - subjektive Qualität der Bildqualität, die feststellt, wie das menschliche Auge zwischen angrenzender Helligkeit unterscheidet, ebnet beide auf den dunklen und hellen Teilen des Bildschirms;
Bildkontrast;
Bildqualität festgestellt durch den Betrachtungswinkel.

Abgesehen von der Bildqualität ist es wichtig, einige Schlüsselbetriebsparameter des LED-Bildschirms zu betrachten:

Rückkopplung oder Überwachungsanlage des Bildschirmzustandes;
Fällige Software und komplettes Steuersystem, die zur Skalierung des Systems und des Aufbaus des LED und LCD-Bildschirms Netzwerke mit Fernsteuerung über das Internet durch in-built informierendes Sicherheitssubsystem lassen;
Niveau der elektromagnetischen Strahlung in Form von Funkstörung (EMI) vom Bildschirm.

Uns einige der oben genannten Parameter in allen weiteren Einzelheiten betrachten lassen.

Kreation des Bildes auf dem LED-Bildschirm und der Helligkeitseinstellung

Pulsweitenmodulation (PWM) und Bildwiederholfrequenz

Das angezeigt zu werden Anfangsbild wird als PC-Datei, normalerweise ein *.avi oder *.mpg Clip verursacht. Die Datei wird vom Steuer-PC- (oder Video Controller) decodiert und umgewandelt in den fachkundigen Video Stream, der zu den Mikrochips der konstanten gegenwärtigen Treiber eingezogen wird. Die IC-Treiber leiten konstanten Strom an LED weiter, die sie veranlaßt, in ein bestimmtes Spektrum zu glühen.

PWM - (Pulsweitenmodulation) ist eine allgemein verwendete Technik für die Kontrolle der verschiedenen Helligkeitsniveaus. Abhängig von dem erforderten Helligkeitsniveau, wird der Strom zu LED stoßweise nachgeschickt, durch den Schalter zwischen Versorgungsmaterial und Last an und abstellen in schnellem Tempo. Z.B. um die 50% Helligkeit zu erzielen sollte der Strom nur Hälfte der Zyklusdauer nachgeschickt werden, um die 25% Helligkeit zu erreichen, die der Strom für nur Viertel der Zyklusdauer eingeschaltet ist. Das heißt, funktioniert eine LED in einem „eingeschalteten - geschaltet“ Modus, wo die Dauer des „eingeschalteten“ Zeitraums dem erforderten Helligkeitsniveau entspricht.

PWM-Technik garantiert, dass eine LED (und der vollständige Video-Bildschirm) ein zyklisches Bild produziert. Die Dauer des minimalen Zyklus (wenn eine LED und weg nacheinander eingeschaltet ist), wird eine Refreshperiode oder eine Bildwiederholfrequenz benannt.

Ein Beispiel betrachten: Uns sagen lassen, dass die Bildwiederholfrequenz eines LED-Bildschirms bis 100 Hz gleich ist. Zu die maximale Helligkeit 100% sicherstellen, die wir Strom während des vollständigen Zeitraums des Refreshs nachschicken müssen, das ist in diesem Fall gleich 1/100 s = 10 ms. Um Helligkeit um eine Hälfte zu verringern, sollte der Strom für 5 ms nachgeschickt werden und dann geschaltet für 5 ms. Dann die Zykluswiederholungen auf die gleiche Weise. Um die nur 1% Helligkeit zu erzielen den Strom ebnen wird nachgeschickt zu LED während 0.1 ms und der geschaltet Zeitraum dauert 9.9 ms.

Die grundlegende PWM-Methode kann geändert werden und verbessert werden. Verschiedene Hersteller verwenden unterschiedliche Terminologie: Verschlüsseln PWM (Macroblock), sequentiellen Split Modulation (Silicon Touch) und Anpassungsfähige Impulsdichte-Modulation (MY’s-Semi). Alle diese Funktionen neigen „verbreit“ den LED- einschalten auf Zeitraum in der vollständigen Refreshperiode. So sieht Bildschirmbetrieb bei der 50% Helligkeit mit 100 Hz-Bildwiederholfrequenz wie eine wiederholte „1 ms LED ist eingeschaltet - 1 ms LED ist ausgeschaltet“ vom Zyklus aus. Es bedeutet dass für eine 50% Helligkeit die Refreshperiode, die fünfmal erhöht wird und ist 2 ms gleich. Infolgedessen Bildwiederholfrequenz erhöht bis 500 Hz. Dies Berechnung gilt für die 50% Helligkeit nur. Für jedes Helligkeitsmuster existiert eine minimale Helligkeit von einem Antrieb (etwas minimale Dauer) wenn LED eingeschaltet ist, der Rest der Zeit ausgeschaltet.

So werden strenge „traditionelle“ PWM-Zyklen durch moderne geänderte Methoden verzerrt. Abhängig von dem erforderten Helligkeitsniveau können wir kürzere Zeiträume mit höherer Bildwiederholfrequenz kennzeichnen. Auf Einzelheit LED-Bildschirm kann eine Bildwiederholfrequenz zwischen schwanken, ließ uns sagen, 100 Hz und 1 kHz. Es bedeutet, dass während des Minimums oder der Maximum Helligkeit die Bildwiederholfrequenz herum 100 Hz ist. Aber auf anderen Helligkeitsniveaus treffen wir Zeiträume mit höherer Bildwiederholfrequenz an.

So denn geänderte PWM-Methoden wird das Konzept der Bildwiederholfrequenz ziemlich irreführend. Jedoch wenn wir Bildwiederholfrequenz als minimaler Zeitraum definieren, der notwendig ist, Bild für alle Helligkeitsniveaus zu erneuern, vermeiden wir alle Missverständnisse, da in dieser Definition Bildwiederholfrequenz nicht vom PWM-Prozess abhängt.

Zeilensprungverfahren scannen-gegründete Bilder und Zeitmultiplex auf LED-Bildschirmen

Etwas LED-Bildschirmdarstellung wird auf solch eine Art hinsichtlich verhindern Netzstrom zu aller LED sofort strukturiert. Alle LED auf einem Video Bildschirm werden in Gruppen getrennt (normalerweise, zwei, vier oder acht) die der Reihe nach eingeschaltet sind. Das bedeutet, dass dieses die Methoden der Schaffung des Bildes oben beschrieben der Reihe nach an den verschiedenen Gruppen LED auf einem Video Bildschirm angewendet werden. Wenn der Bildschirm zwei solche Gruppen hat, ist die Bildanordnung mit Zeilensprungverfahren in analogem Fernsehapparat gleichwertig.

Diese Methode wird meistens angewendet, um preiswerter zu bilden, da diese Methode der Bildanordnung etwas IC-Treiber benötigt (bis zum zwei, vier oder achtmal, entsprechend). Da IC-Treiber ungefähr 15-20% zu den Bildschirmkosten beitragen, kann die Wirtschaft bedeutend sein. Außerdem ist die Zeitmultiplexmethode auf hohen Entschließung LED-Bildschirmen praktisch unvermeidlich, weil klein anwesende ernste Probleme der Bildschirme in der Positionierung der großen Zahl der Treiber auf PCBs und korrekte Wärmeübertragung von den IC-Treibern ordnend werfen.

Natürlich führt diese Wirtschaft, um Video Bildschirmhelligkeit und niedrigere Bildwiederholfrequenz zu senken (proportional zur Zahl von LED gruppiert beschäftigt).

Uns sagen lassen, dass wir einen Bildschirm mit Verwertung-Zeitmultiplexmethode mit zwei LED-Gruppen haben. Der Strom wird an eine Gruppe geliefert, um die erforderliche Helligkeit sicherzustellen. Die andere Gruppe ausgeschaltet. Nach einer Refreshperiode die Gruppenalternative: jetzt wird die zweite Gruppe angetrieben, während die erste Dunkelheit geht. Folglich wird der Zeitraum, der notwendig ist, alle Informationen über den Bildschirm zu erneuern, zweimal länger.

Das Konzept der Bildwiederholfrequenz wird in diesem Fall sogar subtil. Ausschließlich sprechen, die Refreshperiode oder eine minimale Zeit, die, um Bildschirm des Bildes zu erneuern im Allgemeinen erforderlich sind, verdoppelt sich. Jedoch denn jede Gruppe die Länge des Bildanordnungszeitraums bleibt unverändert, und wir kann argumentieren, dass Bildwiederholfrequenz die selbe wie vorher bleibt.

LED-Bildschirm, Bildwiederholfrequenz und menschliches Auge

Hauptsächlich betrifft Bildwiederholfrequenz Bild-Wahrnehmung. Wir normalerweise empfinden ein Bild auf einem Bildschirm als glattes und beachten nicht einen flackernden Effekt, weil die Frequenz von flackerndem ziemlich hoch ist. Unsere SichtWahrnehmung ist ein psychologisches sowie Systemtest in der Natur. Die einzelnen Blitze des Lichtes werden in „glatt machen“ Bild durch unser Gehirn aufsummiert. Entsprechend dem des Blochs Gesetz dauert diese Aufrechnung ungefähr 10 ms und hängt von der Helligkeit der hellen Blitze ab. Wenn Licht mit genügender Frequenz (so genanntes Schwelle CFF - kritisch Flimmern Frequenz) flackert, beachtet menschliches Auge Pulsieren nicht entsprechend dem Talbot-Hochebene Gesetz. Das Schwelle CFF hängt von vielen Faktoren wie dem Spektrum der Lichtquelle, Positionierung der Lichtquelle in Beziehung zu dem Auge, Helligkeitsniveau ab. Jedoch in den normalen Bedingungen übersteigt diese Frequenz nie 100 Hz.

So unterscheidet ein menschliches Auge keine Unterschiede bezüglich der LED-Bildschirmbilder, die mit einem PWM oder geänderten PWM-Methoden mit den Bildwiederholfrequenzen gebildet werden, die von 100 Hz bis 1 kHz sich unterscheiden.

LED-Bildschirm, Bildwiederholfrequenz und eine Videokamera

Jedoch ist ein menschliches Auge nicht das einzige Instrument, das Bilder empfinden kann. Manchmal benutzen wir Videokameras, um LED-Bildschirme zu notieren, und Videoausrüstung basiert auf den Grundregeln, die zu der drastisch unterschiedlich sind, die durch das menschliche Gehirn eingesetzt wird. Dieses ist für alle LED-Bildschirminstallationen in den Sportstadien, in den Geschäftserscheinen oder in den Konzertsälen besonders wichtig, in denen Ereignisse mit Kameras notiert werden. Expositionsdauer oder Verschlusszeit in den modernen Videokameras können von den Sekunden zu einer Millisekunde schwanken.

Uns sagen lassen, dass wir einen LED-Bildschirm betrachten, in dem Bild gebildete traditionelle PWM Methode der Verwertung mit 100 Hz-Bildwiederholfrequenz ist. Der Video Bildschirm zeigt ein statisches Bild an. Wenn wir versuchen, dieses Bild mit einer Verwertung der Videokamera zu notieren eine 1/8 zweite Verschlusszeit (d.h. Expositionsdauer von 125 Millisekunden) notiert der Fotosensor Licht vom Bildschirmbild produzierte bis zum 12.5 Refreshperioden. Der LED-Bildschirm und unsere Videokamera werden nicht synchronisiert und jede Frame, die durch die Kamera notiert werden, entsprechen unterschiedlichem zeitbezogenem dem Anfang und dem Ende des Refresh-Zyklus. Aber mit dieser hohen Verschlusszeit gibt es keinen Konflikt und die Kamera notiert ein glattes Bild des LED-Bildschirms.

Wenn wir reduzieren Verschlusszeit auf 1/250 Sekunden, als Expositionsdauer 4 ms entspricht, sind eine Kamera-Frame 2.5mal kürzer als Refreshperiode auf dem LED-Bildschirm. Dieses Mal ist die Diskrepanz zwischen dem Anfang der Kamera-Frame und Anfang des PWM-Zyklus bedeutend. Einige Frame entsprechen dem Anfang des PWM-Zyklus, anderen der Mitte und anderen noch dem Ende des Zyklus. Jede Frame notieren unterschiedlichen hellen Fluss und stufenweise sammelt die Störung an. Wenn wir das notierte Video ansehen, ist die Helligkeit der Frame merklich unterschiedlich. Gewöhnlich sehen alle Gegenstände, die mit kurzer Expositionsdauer notiert werden, weniger hell aus. Die Kamera notiert „flackernden“ Effekt auf den LED-Bildschirm. Wenn das verringerte sogar weitere der Expositionsdauer wir definitiv sieht, dass einige schwarze Frame (wenn der Anfang der Kamera-Frame dem kurzen PWM-Zeitraum entspricht, als LED geschaltet sind) und das notierte Video wird Flimmern sogar.

So wenn wir eine Videokamera benutzen, um einen LED-Bildschirm mit traditioneller PWM-Funktion zu notieren, sollte die Bildwiederholfrequenz mit kompatibel sein oder die Kamerabelichtung übersteigen.

Auf LED-Bildschirmen mit geänderter PWM-Funktion trifft die gleiche Logik zu. Da im Modus der hohen Helligkeit Zeit von LED einschalten über dem PWM-Zyklus „verbreit“ ist, ist das notierte Bild verglichen mit traditioneller PWM-Funktion beständigeres. Aber an der niedrigen Helligkeit bleibt die Situation die selbe: das notierte Bild entweder verliert Helligkeit oder wird Flimmern.

Wie Sie ohne korrekte Synchronisation sehen, ergibt jede Videoaufzeichnung eines LED-Bildschirms Verzerrungen in notiertem Bild. Wir können dieses mit dem Notieren des analogen Fernsehapparates mit einer analogen Kamera vergleichen: die Unterschiede bezüglich der Scan-Modi beider Vorrichtungen führen zu einen Effekt der diagonalen schwarzen Linien, die TV Frames trennen.

Eine andere wichtige Ausgabe ist die Synchronisierung der LED-Bildschirm-Controller. Große LED-Bildschirme werden von den Blöcken (LED-Module und/oder Schranke) diese Anzeigendarstellung hergestellt, die durch verschiedene Controller erzeugt wird. Wenn diese Controller nicht den Anfang des PWM-Zyklus synchronisieren (d.h. der Anfang vom Zyklus auf verschiedenen Teilen des Bildschirms) können wir auf das folgende Problem stoßen: Refresh-Zyklus auf einigen Teilen des LED-Bildschirms entspricht Kamera-Framen und auf anderen Teilen des Bildschirms wird er nicht. Wenn die Belichtung mit Refresh-Zyklus kompatibel ist, scheint der Teil des Video-Bildschirms heller, dunklere andere. Das vollständige Bild besteht aus den dunklen und hellen Vierecken und ist unbequem aufzupassen.

Die Kosten des hohen Refresh des LED-Bildschirms

Ungeachtet der PWM-Erzeugungsmethode alle haben sie allgemeine Eigenschaften. PWM-Erzeugung lässt an bestimmten Taktrate F_pwm laufen. Uns annehmen lassen, dass wir eine bestimmte Anzahl (N) von Helligkeitsniveaus erzeugen müssen. In dieser Fall-Bildwiederholfrequenz F_r nicht übersteigen kann F_pwm/N.

Sind hier einige Beispiele, zum der oben genannten Aussage zu veranschaulichen:

PWM-Taktrate	Helligkeitsniveaus	Bildwiederholfrequenz
F_pwm=10 MHz	N=256 (8-Bit pro Kanal)	F_r=39 kHz
F_pwm=10 MHz	N=1024 (10-Bit pro Kanal)	F_r=9.8 kHz
F_pwm=10 MHz	N=2048 (11-Bit pro Kanal)	F_r=4.9 kHz
F_pwm=10 MHz	N=65536 (16-Bit pro Kanal)	F_r=152 Hz
F_pwm=20 MHz	N=65536 (16-Bit pro Kanal)	F_r=305 Hz

Diese Zahlen zeigen, dass jede LED des Video-Bildschirms irgendeinem unabhängigem PWM-Generierung Prozess folgt, d.h. PWM-Erzeugungsmethode direkt in IC-Treiber programmiert wird.

Mit den einfachen und preiswerten IC-Treibern wird PWM auf einem Controller für den LED-Bildschirm erzeugt. Wir sollten dann betrachten, wie viele Treiber nacheinander verbunden werden und durch einen PWM-Generierung Prozess instand gehalten werden. Wenn ein PWM-Erzeugungsentwurf erfordert M 16-Ausgangskanal-Treiber, kann die Bildwiederholfrequenz F_pwm/(N*M*16 nicht übersteigen, andernfalls führt sie, um Bildwiederholfrequenz oder die Notwendigkeit erheblich zu senken, Taktfrequenz zu erhöhen.

Im Falle des Zeitmultiplex (interlaced Scanning), fällt die Bildwiederholfrequenz im Verhältnis zu Abteilungskoeffizienten.

So Bildwiederholfrequenz auf LED-Bildschirmen zu erhöhen sind die folgenden Wahlen vorhanden:

Gebrauch „der intelligenten“ (teuren) Treiber;
Zunahme der Taktrate des PWM-Erzeugungsprozesses;
Verringerung der Zahl Helligkeitsniveaus (Farbtiefe).

Jede Methode hat Vorteile und Mängel. Die intellektuellen Treiber sind viel teurer als einfache IC-Treiber; der Aufstieg in den Taktraten führt zu höhere Leistungsaufnahme (erfordert infolgedessen zusätzliche Masse, damit Wärmeübertragung Überhitzung vermeidet); geringe Anzahl Helligkeit ebnet beeinflußt negativ die Bildqualität.

Zusammenfassung: Refresh auf LED-Bildschirmen

LED-Bildschirmhersteller verwenden häufig Bildwiederholfrequenz als Marketing-Werkzeug, wenn sie ausgezeichnete Bildschirmqualität sich rühmen. Die Voraussetzung ist, dass, das höher die Bildwiederholfrequenz, das besser ist Bildqualität. Jedoch häufig dienen die Zahlen, mögliche Abnehmer nur zu verwirren. Zum Beispiel bedeutet Bildwiederholfrequenz von einigen kHz, dass entweder die geänderte PWM-Erzeugungsmethode angewendet wird (wenn Bildwiederholfrequenz tatsächlich für verschiedene Helligkeitsniveaus unterschiedlich ist), oder dass die Farbtiefe unannehmbar niedrig ist.

Wir sollten uns daran erinnern, dass hohe Bildwiederholfrequenz und hohe Farbtiefewerte auf Niveaus der hohen Helligkeit nur auftreten können, die in sich ein Missverständnis sind, da ein LED-Bildschirm nicht bei Kapazität 100% immer funktionieren sollte.

Für den Fall vom Zeilensprungverfahren entspricht der Bildwiederholfrequenzwert nur einem PWM-Zyklus für eine LED-Gruppe, während die tatsächliche Bildwiederholfrequenz für den Bildschirm (der unsere Wahrnehmung beeinflußt), mehrmals niedriger ist.

Er ist informativer und ehrlich, Farbtiefe und Taktrate für PWM und ungefähre Strecke der Bildwiederholfrequenz für den Bildschirm (z.B., 200-1000 Hz) im Falle der geänderten PWM-Bildschirmfunktion zu erwähnen. Wenn ein LED-Bildschirm auf der Zeitmultiplexgrundregel basiert (z.B., Zeitmultiplex = 1:1 - Abwesenheit des Zeitmultiplex, Zeitmultiplex = 1:2 - PWM lässt laufen nur an Hälfte des Bildschirms etc.).

Der oben genannte Parameter ist nicht für unsere Wahrnehmung wesentlich. Menschliches Auge registriert keinen Unterschied bezüglich der Bildqualität bei Frequenzen über 100 Hz. Infolgedessen sollte man entscheiden, wenn hohe Bildwiederholfrequenz wirklich notwendig ist und wenn sie lohnendes für sie besonders zahlen ist.

Bildwiederholfrequenz und Gleichförmigkeit des notierten Bildschirmbildes sind nur wichtig, in den Fällen wo ein LED-Bildschirm häufig ein Gegenstand für Videoaufzeichnung wird (Stadien und Konzertsäle). Folglich ist es zu zuerst leitet irgendeine Versuchsaufnahme vor dem Unterzeichnen des Kaufvertrages besser.