Сфера применения LED-дисплеев расширяется
В этом номере мы полностью публикуем статью технического директора компании “Polymedia” - Бориса Переверзева, которая была опубликована в интернет-журнале PCWEEK. В этой очень интересной статье рассматриваются современные светодиодные технологии в области наружных и внутренних LED-дисплеев - технические и оптические характеристики, конструкции, сферы применения LED-дисплеев. Статья опубликована с разрешения автора.
Жители больших городов наверняка обращали внимание на установленные в наиболее людных местах большие яркие видеоэкраны, демонстрирующие, как правило, “живые” рекламные видеоролики, но при этом, наверное, немногие знают, что в основе таких экранов лежит светодиодная технология (LED - Light Emitting Diodes). Сегодня только она позволяет получить приемлемое качество изображения в любых световых условиях - даже при прямом солнечном свете.
Известная с давних пор, LED-технология за последний десяток лет продвинулась далеко вперед. Тот, кому доведется побывать в Лас-Вегасе и пройтись по центральной улице, может проследить практически всю историю развития уличных LED-дисплеев - здесь еще пару лет назад можно было увидеть их предшественников на лампах накаливания, а новейшие светодиодные дисплеи появляются чуть ли не раньше, чем на выставках профессиональных средств отображения информации.
Первоначально для создания LED-дисплеев использовались дискретные диоды красного, зеленого и синего цветов, скомпонованные в квадратные пиксели, каждый из которых образует одну точку изображения. Нужный цвет в каждой точке достигается соответствующим подбором интенсивности свечения разноцветных диодов внутри пикселя. Фактически это тот же самый пространственный синтез, который лежит в основе почти всех современных дисплейных технологий (чтобы увидеть это, достаточно посмотреть, например, на экран компьютерного или плазменного дисплея через десятикратную лупу).
Наружный уличный LED-дисплейСветодиоды - один из наиболее эффективных источников света. По световой отдаче они раз в пять превосходят лампы накаливания, но разработчики продолжают трудиться над увеличением этого показателя. По-видимому, совсем скоро будут достигнуты значения 60-70 люмен на ватт, и тогда светодиоды сравняются по эффективности с люминесцентными лампами. Кроме того, светодиоды изначально выпускаются с заданными спектральными характеристиками излучения, и потому при сборке дисплеев на их основе не нужно применять дополнительные цветные светофильтры (что необходимо для всех прочих технологий), снижающие общую эффективность излучателя.
Одной из важнейших характеристик LED-дисплея, фактически определяющей область его применения, является расстояние между центрами соседних пикселей - шаг точек. У первых LED дисплеев этот параметр имел довольно большое значение, в связи с чем они применялись главным образом в уличных условиях. Сегодня типичные значения шага точек для уличных дисплеев лежат в диапазоне 20-30 мм.
Так как глаз человека имеет разрешение примерно в две угловые минуты, то воспроизводимое на таких экранах изображение воспринимается как слитное лишь с расстояния 30-50 м. При шаге 30 мм разрешение уличного LED-дисплея шириной 10 м составляет всего около 330 точек по горизонтали, т. е. примерно соответствует разрешению VHS, характерному для обычных домашних видеомагнитофонов или для телевизоров при невысоком качестве входного сигнала. Схожее разрешение должно иметь и демонстрируемое на таком LED-дисплее изображение - иначе мелкие детали просто исчезнут или превратятся в шум.
Особый случай
Отдельно стоит остановиться на ситуации, когда необходимо обеспечить трансляцию в реальном времени видеосъемки на большой видеоэкран в том же помещении, где работает камера. Телевизионная съемка требует достаточно высокого уровня освещенности, и далеко не всегда можно использовать строго направленный свет, дающий, как правило, и высокий контраст, и нежелательные глубокие тени. Таким образом, когда экраны установлены в том же пространстве, где идет съемка (в телестудии или конференц-зале), съемочный свет неизбежно падает на видеоэкран. Большинство решений с экранами обратной проекции в телевизионных студиях, которые можно ежедневно наблюдать по ТВ, имеют качество изображения заметно более низкое, чем качество прямой передачи, - ненасыщенные цвета, неправильный (обычно слишком холодный) цветовой баланс.
Отчасти выручают специальные видео стены, приспособленные к режиму освещения видеостудий. Однако с точки зрения цветопередачи у LED-дисплеев нет равных. Недостатки LED-технологии в телевизионной студии связаны главным образом с муаром при интерференции пиксельной структуры матрицы-сенсора видеокамеры и пикселей светодиодного дисплея. Но эти эффекты быстро уходят в прошлое с появлением LED-дисплеев высокого разрешения, и мы надеемся в ближайшее время увидеть результаты разработок в области модификации светодиодных дисплеев специально для студийных решений. Что же касается прямой трансляции выступлений в зале, то со светодиодными дисплеями у режиссера по свету руки развязаны и он может обеспечить наилучшие условия для видеооператоров и быть свободным в собственном творчестве.
Конечно, изображение на большом уличном светодиодном дисплее воспринимается и с меньших расстояний, однако по мере приближения к нему в какой-то момент оно рассыпается на отдельные пиксели или их части и восприятие становится существенно менее информативным и некомфортным. В данном случае ситуация усугубляется еще и тем, что в каждом пикселе собственно излучающая часть - ее образуют 3-5 светодиодов - занимает лишь несколько процентов от общей его площади. Подобная компоновка, при которой большую часть пикселя составляет черная светопоглощающая поверхность, позволяет минимизировать отражение света от самого видеоэкрана. Иначе невозможно добиться высокой контрастности изображения при ярком дневном свете.
Универсальные уличные LED-дисплеи сегодня широко применяются в рекламных целях. Вместе с тем в последнее время их все чаще можно увидеть и на спортивных аренах, где они одновременно выполняют функции информационных табло, а также позволяют воспроизвести видеозапись наиболее интересных моментов состязаний. Кроме того, их уже оценили и в шоу-бизнесе, где они стремительно вытесняют менее эффективные в условиях больших эстрадных площадок проекционные системы.
В угоду разрешению
LED-дисплей для помещений на основе SMDПоскольку LED-дисплеи собираются из отдельных модулей, количество которых может быть весьма большим, в принципе они способны воспроизводить и сигналы высокого разрешения. Однако даже при шаге точек 10 мм такой видеоэкран с весьма скромным по компьютерным меркам разрешением SVGA будет иметь ширину порядка 8 метров. Именно поэтому разработчики всегда стремились к уменьшению шага точек, но на дискретных светодиодах это было связано с определенными техническими трудностями - одновременно снижалась контрастность, возникали проблемы с отводом тепла, а при переходе на менее мощные светодиоды соответственно падала яркость изображения.
Для повышения качества картинки производители пошли на ряд ухищрений, в частности, изобрели технологию “виртуального пикселя” и даже в спецификациях указывали виртуальное разрешение как вдвое более высокое по сравнению с реальным физическим. С некоторым упрощением можно сказать, что в таких моделях дополнительный (виртуальный) пиксель изображения может формироваться отдельными светодиодами, принадлежащими соседним “реальным” пикселям. Такой метод не то чтобы улучшает передачу мелких деталей изображения, как этого можно было бы ожидать, а скорее позволяет сгладить наклонные и кривые линии. “Виртуальный пиксель” действительно несколько улучшает качество динамической видеокартинки, но оказывается практически бесполезным, если надо обеспечить четкое статическое отображение текстовых символов.
Однако прогресс не стоит на месте. Последние разработки в этой области привели к созданию LED-дисплеев, пригодных для использования в тех областях, где еще несколько лет назад их невозможно было себе представить. С развитием технологии поверхностного монтажа (SMT - surface mounting technology; можно также встретить аббревиатуру SMD - surface mounting device) удалось создать конструкцию светодиода с улучшенным отводом тепла, разместить светоизлучающие кристаллы в одном маленьком корпусе и получить вместо нескольких дискретных светодиодов фактически один полноцветный (в спецификациях его обычно обозначают как RGB 3-in-1). Это позволило уменьшить размер светящейся точки в пикселе без снижения ее яркости и одновременно сократить шаг точек.
Автору этой статьи приходилось вместе с коллегами сравнивать две модели светодиодных дисплеев с практически одинаковым шагом точек (10 мм), одна из которых была построена на дискретных светодиодах, а другая - на интегрированных. Выбор был однозначно в пользу последних. По оценкам специалистов, LED-дисплеев на диодах типа “3 в 1” позволяют на четверть сократить дистанцию просмотра по сравнению с традиционными.
Интеграция трех светодиодов в один корпус, обеспечив меньший шаг точек, сделала возможным создание светодиодных дисплеев высокого разрешения, которые вполне можно использовать внутри помещений. Так были разработаны системы с шагом 6 и 3 (3,5) мм, и теперь довольно интенсивно идут работы по дальнейшему сокращению шага.
Наиболее заметные на крупных международных выставках компании, производящие светодиодные дисплеи высокого разрешения, - Barco (серийно выпускает экраны с шагом 3,5; 6; 8; 10 мм), Daktronics (3, 4, 6 и 10 мм), Lighthouse (6 мм и выше), Toshiba (6 мм и выше). Некоторые отечественные фирмы также предлагают светодиодные экраны с шагом от 6 мм (“Гелиотрон видеосистемы”, “Инкотекс - Дисплейные системы”, “Нью Лайт Технолоджис”).
Вряд ли кто-нибудь проводил такую статистическую оценку, но, исходя из практического опыта работы отдела аренды компании Polymedia, можно сказать, что большинство проекционных экранов на различных презентациях с большим числом участников имеют размеры от 4 до 8 м по ширине, а дистанция просмотра составляет от 4 до 20 м. LED-дисплей с шагом 6 мм при ширине экрана 6 м обеспечивает разрешение порядка 1000 пикселей по горизонтали, а это уже почти XGA-разрешение. Минимальная дистанция комфортного просмотра для таких экранов лежит в диапазоне 8-10 м, а при шаге в 3 мм составляет 4-5 м.
Правда, даже с таких расстояний изображение на LED-дисплее воспринимается несколько иначе, чем полученное, к примеру, с помощью проекционных систем. “Пикселизация” изображения, за которую в свое время эксперты активно критиковали проекционные системы, проявляется на светодиодных экранах даже более отчетливо, что связано с уже отмеченными выше обстоятельствами - для достижения большой контрастности внутри каждого пикселя должна быть значительная темная площадь. И тем не менее можно говорить о том, что сегодня мы находимся в одном шаге от применения светодиодных дисплеев в конференц-залах и на презентациях, требующих демонстрации слайдов с компьютерным разрешением.
LED-технология в помещении
Оптические характеристики
Что же дает светодиодная технология в этой новой для нее сфере применения? Прежде всего, наилучшую по сравнению со всеми конкурирующими технологиями контрастность изображения при значительной внешней засветке. Более заметная “пикселизация” картинки компенсируется в этом случае повышенной яркостью и расширенным цветовым диапазоном (color gamut), а следовательно, и возможностью получать гораздо более насыщенные и чистые цвета.
Так, прямая проекция даже с использованием проекторов самого высокого класса требует ювелирного управления внешним освещением, и примеров удачных решений не много. Обратная проекция (когда экран работает на просвет) гораздо эффективнее прямой с точки зрения обеспечиваемой контрастности, но предполагает наличие за экраном значительного свободного пространства и по насыщенности цветов не может соревноваться со светодиодными дисплеями.
Видео стены (см. PC Week/RE, N 36/2005, с. 22) также занимают немало места (как правило, в глубину от 60 см и более), причем многим не нравятся очевидные швы на экране. Кроме того, видеокубы, из которых собираются видеостены, сохраняют свои характеристики на приемлемом уровне лишь в достаточно стабильных условиях работы, например в диспетчерских залах, где их никогда не выключают. Видео стенам также свойственны определенные проблемы с лампами, используемыми в проекционных модулях в качестве источников света. Причем эти проблемы обусловлены не столько надежностью ламп, сколько различием их спектральных характеристик в разных партиях, что приводит к разбалансировке цветопередачи на отдельных кубах и соответственно к необходимости периодической их настройки квалифицированным инженером.
У LED-дисплеев те же проблемы решаются намного проще, а стабильность параметров существенно выше, в силу чего эксплуатационные расходы у них ниже. Светодиодный дисплей размерами 6х4,5 м с 6-мм шагом содержит приблизительно 750 000 светодиодов “3 в 1”, т. е. фактически 2,25 млн. отдельных светодиодов. Как достигается в этом случае равномерность и чистота цвета?
В процессе производства происходит отбор светодиодов по яркостным и цветовым характеристикам. Для производства LED-дисплеев отбираются диоды одной категории (с близкими характеристиками). Для более точной балансировки измеренные роботизированной установкой характеристики каждого диода прописываются в ПЗУ каждого модуля, и, таким образом, характеристики становятся практически идентичными в пределах одного модуля. Соответственно при включении модуля в большой экран характеристики первого передаются в общий управляющий процессор, который выравнивает яркость и цветопередачу всех модулей.
Угол обзора у светодиодных дисплеев внутреннего применения достаточно широк как по горизонтали, так и по вертикали (у лучших образцов - почти 180°, или ±90° от нормали), при этом отсутствуют недостатки, присущие наружным LED-дисплеям: нет необходимости в маскирующих солнечный свет козырьках, ограничивающих вертикальный угол обзора; при наблюдении сбоку нет цветового сдвига из-за маскировки диодов одного цвета другими диодами в кластере.
 |
 |
| Структура уличного дисплея на дискретных светодиодах (слева) и LED-дисплея внутреннего использования с высокой плотностью пикселей на интегрированных светодиодах | |
Яркость светодиодных дисплеев внутреннего применения составляет 1000-3000 кд/м2. Для сравнения: нормативная яркость экрана в кинотеатре - 20-60 кд/м, рабочая яркость компьютерных мониторов - 200 кд/м, То есть внутренние LED-дисплеи по яркости уступают только наружным собратьям, у которых типичные значения лежат в диапазоне 5000-7000 кд/м. (яркость видео стен или плазменных панелей - 300-500 кд/м).
Одно из существенных преимуществ светодиодных дисплеев - большой диапазон регулировки яркости (от ста до единиц процентов), практически недоступный никаким другим технологиям получения изображения (кроме утратившей свои позиции CRT). Нет равных светодиодной технологии и по сроку службы - производители заявляют 50 000 часов до снижения яркости наполовину.
Конструкция LED-дисплеев
Достоинства светодиодных дисплеев определяются не только их электрическими характеристиками, но и конструктивным исполнением, основанным на модульном принципе. Характерные размеры модулей для систем с шагом 6-10 мм составляют примерно 50х50 см, иногда более. Размеры модуля компании Barco ILite 3 с шагом 3,5 мм составляют 258х193 мм. Глубина модулей лежит в пределах 10-20 см (до 30 см вместе с разъемами и кабелями).
Жесткость конструкции корпуса модуля у лучших производителей настолько высока, что позволяет собирать достаточно большие LED-дисплеи (2,5-3 м в высоту) без дополнительной несущей структуры. Подвешивать же можно до 15 модулей (по высоте они составят 6-7 м).
Светодиодные дисплеи поставляются в виде либо произвольного количества отдельных модулей с дополнительными аксессуарами (несущей структурой для самостоятельной установки или подвески), либо комплектов, включающих внешнее обрамление (раму) для LED-дисплея определенного размера и, например, стойку.
В первом случае инсталлятор может сам собрать окончательную конфигурацию с произвольным аспектным соотношением сторон или даже неправильной формы. Второй вариант более предпочтителен, когда нужно получить в итоге “нормальный” видеэкран (4:3 или 16:9). Обычно готовые комплекты стоят несколько дешевле.
Производители стремятся предлагать инсталляторам большие возможности выбора решений, уменьшая размеры модулей. Так, в новом продукте Barco OLite с 10-мм шагом размеры отдельного модуля составляют всего 116,6х83,6 мм. Из таких модулей можно собирать LED-дисплеи почти произвольной формы или, скажем, выкладывать из модулей символы и логотипы, на поверхности которых может демонстрироваться высококачественное видеоизображение (с учетом дистанции просмотра, конечно).
Модульная конструкция предоставляет большую свободу для архитекторов и дизайнеров при разработке экранных решений. Архитектор может гораздо точнее выдерживать соотношения между размерами экрана и других архитектурных элементов, а перед дизайнером интерьера открываются небывалые прежде изобразительные возможности благодаря тому, что он может произвольно задавать аспектное соотношение в сочетании с соответствующей подготовкой изображений.
Отдельные швы (щели) между модулями практически отсутствуют, их можно увидеть лишь при большом желании на каком-нибудь тестовом сигнале “белого поля”, но при достаточном мастерстве монтажников сделать это вряд ли удастся.
При желании LED-дисплей можно сделать подвижным (перемещающимся по направляющим без прерывания демонстрации изображения) или, например, сформировать из модулей криволинейную поверхность, что не позволяют сегодня другие технологии отображения визуальной информации.
Надежность
Как и при изготовлении любого довольно сложного и не очень дешевого устройства, производители LED-дисплеев уделяют особое внимание их надежности. Даже в сравнении с такими надежными устройствами, как видеокубы, светодиодные системы выигрывают, поскольку в них отсутствуют механические подвижные части (в видеокубах есть вращающиеся цветовые фильтры и сам DLP-чип имеет подвижные микрозеркала) и нет столь высокотемпературных и потенциально взрывоопасных устройств, как лампы, т. е. ломаться, собственно говоря, нечему, если уж оно работает.
Однако огромное количество элементов в системах (знаменитая круглая светодиодная стена на Таймс-Сквер в Нью-Йорке содержит 18 млн. светодиодов) потенциально может служить источником каких-то мелких неисправностей. Поэтому конструкции LED-дисплеев предусматривают возможность изъятия неисправных модулей из несущей структуры, и часто без вывода остальных модулей из работы.
Управление
Сигнал для светодиодных дисплеев формируется специальным контроллером. У разных производителей контроллеры сильно различаются по своей идеологии. Это может быть решение на базе персонального компьютера или аппаратное решение, где компьютер выполняет лишь внешнюю управляющую роль и после настройки может быть отключен. Последний вариант часто оценивается как более надежный и стабильный, не требующий никаких дополнительных действий для запуска после включения и не подверженный компьютерным зависаниям в самый ответственный момент.
Наиболее совершенные контроллеры могут иметь несколько входов, способных принимать сигнал практически всех распространенных компьютерных и видеоформатов, масштабировать, кадрировать их, формировать многооконное изображение (picture-in-picture), корректировать цвет и гамму изображения.
Одна из трудных для контроллера задач - преобразование видеосигналов с чересстрочной разверткой для демонстрации на большом LED-дисплее. Корректное преобразование движения на экране требует значительных вычислительных мощностей для исключения таких артефактов, как подергивания или мелькания. Крупноразмерные экраны вообще предъявляют гораздо более высокие требования к видеоизображению, нежели, скажем, традиционные телевизионные мониторы.
В частности, на LED-дисплее с шагом 6 мм нам казалось неудовлетворительным изображение, получаемое от достаточно качественных источников видеосигнала (тестовый диск Extron и хороший DVD-проигрыватель), хотя разрешение самого экрана едва дотягивало до VGA. Зато изображение в формате HDTV с прогрессивной разверткой выглядело блестяще, при том что разрешение экрана составляло лишь восьмую часть необходимого.
По-видимому, проблема качества исходного материала для демонстрации на светодиодных экранах будет чувствоваться острее, что иногда трудно бывает объяснить заказчику, у которого на телевизоре все выглядит замечательно. Распространенные телевизионные стандарты разработаны более чем полвека назад, а в “бытовом” исполнении качество материала далеко от совершенства даже по тем стандартам.
Цена LED-дисплеев
Как и любая техника профессионального назначения с длительным сроком службы, светодиодные дисплеи сегодня стоят недешево. Цена конкретного решения определяется стоимостью собственно экранных LED-модулей, необходимой несущей структуры и процессорной части. При этом модули с более плотным размещением светодиодов (с меньшим шагом точек) обойдутся заказчику, естественно, дороже.
Так, если удельная стоимость уличного LED-дисплея с шагом 23 мм может составлять порядка 8300 долларов за квадратный метр (дисплей размером 8х6 м с реальным разрешением 380 х 256 точек обойдется примерно в 400 000 долларов), то у экранов с шагом 3 мм она достигает 100 000-150 000 долл. за квадратный метр.
Тем не менее популярность подобных решений для воспроизведения высококачественного изображения в помещениях, несомненно, будет расти. В немалой степени этому способствует развитие таких форм бизнеса, как предоставление дорогостоящих экранов в аренду под конкретные мероприятия. LED-дисплеи для этого вполне пригодны, поскольку допускают многократную сборку/разборку и относительно просты в настройке.
