#1/2012

Современные светодиодные экраны: Характеристики, технологии, критерии выбора – Часть 2

Главный редактор - Владимир Крылов, к.т.н.
Зам. главного редактора - Михаил Никуличев, к.ф.н.

Первая часть статьи была посвящена характеристикам современных светодиодных экранов, влияющим на качество изображения – управления яркостью методами ШИМ, формирование изображения с временным разделением и частоте рефреша экранов. Во второй части статьи рассмотрены - динамический диапазон яркости, цветопередача и контрастность экранов, драйверы и современные системы управления экранами, электромагнитная совместимость и индустриальные помехи светодиодных экранов.

Динамический диапазон яркости, цветопередача и контрастность светодиодного экрана

Яркость и цветопередача светодиодного экрана

Фрагмент светодиодного модуля для наружных экранов со структурой пикселя 2R1G1B

Одной из важных характеристик светодиодного экрана является его способность воспроизводить определенное количество цветов. Цвета получаются смешиванием некоторых базовых цветов (каналов), из которых состоит пиксель. Как правило, это красный (R), зеленый (G) и синий (B). Очевидно, что чем большее количество цветов можно отобразить на светодиодном экране, тем выше качество изображения — цвета можно получить более естественные, а цветовые переходы — более плавные.

Поскольку исходное изображение формируется на компьютере и его качество оценивается путем воспроизведения на мониторе компьютера, изображение на светодиодном экране должно быть максимально приближено к исходному. В настоящее время стандартом де-факто является использование 24-битного кодирования цвета (TrueColor), в котором значение яркости каждого канала представляется в виде 8-битного числа. Таким образом, на светодиодном экране высокого качества желательно отобразить не менее 2 в 24 степени (более 16 млн.) цветов.

Как мы видели, изображение на светодиодном экране формируется с использованием техники PWM. Чем больше логических уровней обеспечивает реализация PWM на данном экране, тем выше будет качество изображения.

Метод PWM обеспечивает линейную зависимость тока (усредненное значение) от логического уровня яркости. Таким образом, если мы имеем реализацию PWM с N уровнями, то реальная яркость светодиодов для этих уровней будет меняться линейно. То есть, яркость светодиода, на котором на PWM используется уровень 1, будет ровно в два раза ниже, чем при уровне 2 и в 256 раз ниже, чем на уровне 256.

Итак, если PWM реализует N логических уровней, то на выходе мы будем иметь N уровней яркости светодиодов и яркость линейно зависит от входного уровня. Однако, глаз человека воспринимает яркость нелинейно. Из эмпирического психофизического закона Вебера-Фехнера следует, что человеческий глаз имеет логарифмическую зависимость восприятия интенсивности света.

При низкой интенсивности достаточно немного изменить яркость и глаз это заметит, при высокой интенсивности для такого же субъективного отличия яркость необходимо увеличить значительно. Если мы отобразим все возможные N (при условии, что N не менее 100) уровней яркости светодиодов в виде горизонтальной полосы от 0 до N, то для глаза первые уровни будут хорошо различимы, затем менее различимы и, ближе к N, глаз перестанет воспринимать разницу между соседними значениями яркости. Таким образом, из общего количества N логических уровней мы сможем выбрать лишь значительное меньшее число уровней M так, что кодируемая ими яркость светодиодов будет восприниматься линейно.

Необходимо заметить, что формирование изображения на мониторах уже учитывает эту особенность зрения. В CRT-мониторах это является следствием их метода формирования изображения, в LCD-мониторах применяется аппаратная гамма-коррекция. Результатом является относительно линейная зависимость субъективно воспринимаемой яркости от закодированного, логического уровня яркости. Поэтому в исходном файле изображения мы имеем 256 уровней яркости (для TrueColor) по каждому каналу, которые воспринимаются глазом линейно.

Если реализовать PWM с 256-ю логическими уровнями и отобразить исходную картинку TrueColor, то в результате произойдет видимое искажение картинки. На темных участках изображения будут видны резкие границы, на светлых участках наоборот все уровни яркости будут сливаться. Искажения также будут заметны в цветовой области – там, где требуется плавный градиент, например на изображениях человеческого лица. Это происходит в силу того, что в исходной картинке использовались 256 нелинейных уровня, а на светодиодном экране мы перевели их в линейные “неудобные” для восприятия глазом.

Значит, чтобы TrueColor изображение отображалось на светодиодном экране максимально приближенно к оригиналу, необходимо скорректировать логические уровни яркости, используемые в изображении. Для этого надо при формировании изображения с помощью PWM использовать большее количество логических уровней. Тогда из этого большего количества можно будет выбрать 256 уровней так, чтобы кодируемая ими яркость воспринималась глазом линейно. Подобный выбор 256 уровней из большего количества называется выбором палитры. Естественно, чем больше уровней яркости способен реализовать PWM, тем более точно можно будет подобрать палитру для того, чтобы яркость воспринималась глазом линейно.

В настоящее время наиболее качественные светодиодные экраны имеют реализацию PWM, использующую 2¹⁶ логических уровней яркости. Этого вполне достаточно, чтобы выбрать необходимые 256 уровней для показа изображения TrueColor. Следует понимать, что одновременно на светодиодном экране отображается 256*256*256 различных цветов, а не 2¹⁶*2¹⁶*2¹⁶, то есть цвет, по-прежнему, кодируется 24-битным числом, а не 48-битным. Расширенное цветовое пространство служит лишь для того, чтобы более качественно подобрать палитру, то есть выбрать необходимые 256*256*256 цветов.

Кроме максимального 16-битного значения уровня яркости по каждому каналу может применяться также 8, 10, 12 или 14–битные. В этом случае возможности по настройке палитры сужаются. Однако уменьшение количества логических уровней яркости может привести к удешевлению светодиодного экрана, а отображение полноцветного TrueColor изображения не всегда необходимо. Например, для светодиодных вывесок и информационных щитов достаточно иметь меньшее количество цветов.

Наличие расширенного цветового пространства позволяет решить еще несколько задач:

Во-первых, настройка яркости светодиодного экрана в зависимости от времени суток, времени года, особенностей установки экрана. Глаз человека очень гибко адаптируется к освещенности среды, поэтому ярким солнечным днем требуется выбор одной палитры, а ночью – совсем другой. Более того, для светодиодного экрана, установленного на фоне неба, потребуется палитра, отличающаяся от экрана, установленного на стене здания, где другие здания заслоняют солнечный свет.
Во-вторых, гибко может происходить настройка баланса белого цвета. Поскольку палитры можно выбирать независимо по каждому из цветовых каналов, то можно в результирующем изображении, например, “добавить синего цвета” или “уменьшить красный”. Это актуально как при первоначальной установке светодиодного экрана, так и его подстройке с течением времени из-за старения, помутнения колб светодиодов.
В-третьих, в определенной степени возможна цветовая коррекция отдельных светодиодных модулей экрана. Это может потребоваться при замене вышедших из строя модулей на новые, параметры светодиодов которых могут отличаться от исходных.

Помимо наличия возможности производить настройку палитр в расширенном цветовом пространстве эта возможность должна быть реализована в системе управления. Мало сделать PWM с 16-битным представлением уровней яркости, необходимо во всей системе управления, в программном обеспечении реализовать поддержку как можно более гибкого задания различных палитр. Чем более гибко задается палитра, тем больше возможностей по настройке цветопередачи имеет светодиодный экран.

Контрастность светодиодного экрана

Одним из показателей качества цветопередачи является контрастность светодиодного экрана. Под контрастностью понимают отношение разности яркостей отображаемых экраном белого и черного цветов к яркости черного цвета. Если черный цвет “не совсем черный”, то глаз не увидит темных деталей изображения – они сольются с менее темными. Черный цвет на светодиодном экране не имеет отношения к работе собственно светодиода, а скорее связан с конструктивными особенностями экрана, используемыми материалами.

Проблемы могут возникать из-за того, что материалы могут отражать солнечный или иной свет и поверхность светодиодного экрана при всех выключенных светодиодах становится светлой или “бликует” на солнце. Такое может случаться из-за “бликования” колб светодиодов или защитных масок, блестящего компаунда заливки светодиодных модулей, неудачной конструкции светоотражающих козырьков и даже из-за светлой подложки светодиодов. В целом, чем более темная матовая поверхность светодиодного экрана, тем выше контрастность и качество изображения.

Стоимость увеличения количества цветов светодиодного экрана

Увеличение количества цветов светодиодного экрана возможно лишь за счет следующих факторов:

применение “интеллектуальных” драйверов;
увеличение тактовой частоты схемы генерации PWM;
уменьшение частоты рефреша.

Яркость, цветопередача, контрастность светодиодного экрана: Выводы

Чем больше в PWM реализовано количество уровней яркости, тем больше возможностей по настройке качественной цветопередачи светодиодного экрана.
Настройка цветопередачи светодиодного экрана должна быть реализована во всех элементах системы управления: от программного обеспечения (ПО) до светодиодных драйверов. Недостаточно просто декларировать, что количество цветов, которые теоретически можно отобразить на светодиодном экране составляет миллиарды и триллионы. Надо, чтобы система управления действительно позволяла отображать эти цвета.
На качество изображения влияют конструктивные особенности светодиодного экрана, которые определяют его “черный” цвет. Он должен быть по возможности более темным и матовым.

Драйверы светодиодных экранов

Светодиодный драйвер – это микросхема, служащая источником постоянного тока для питания светодиода. Для использования в светодиодных экранах используются драйверы, которые имеют встроенную схему управления. В простейшем случае это возможность включить/выключить подачу постоянного тока на выход драйвера. В более сложных “интеллектуальных” драйверах реализована схема управления яркостью светодиода посредством PWM.

При использовании простых драйверов для построения светодиодных экранов необходимо наличие контроллеров, которые реализовывали бы схему PWM и передавали на драйвер в каждый момент времени включен или выключен конкретный светодиод. Достоинством этого типа драйверов является их относительная дешевизна. Недостатком – усложнение управляющих контроллеров и ограниченные возможности по генерации требуемого количества уровней яркости и обеспечении высокой частоты рефреша. Чем выше требуются параметры качества изображения, тем на больших частотах должны работать контроллеры и передаваться данные на драйверы. А эти частоты имеют технологические пределы.

Использование “интеллектуальных” драйверов позволяет снизить требования к сложности контроллеров и используемым частотам, но повышает стоимость светодиодного экрана. Для того, чтобы оправдать эту стоимость система управления в целом должна поддерживать все возможности драйверов, чтобы светодиодный экран отображал высококачественное изображение и был способен на многочисленные настройки.

В целом, светодиодные драйверы характеризуются следующими основными характеристиками:

количество каналов;
характеристики выходного тока (диапазон, стабильность);
диапазон частот передачи данных;
наличие или отсутствие схемы PWM и тип этой схемы;
в случае наличия схемы PWM – количество уровней PWM;
в случае наличия схемы PWM – частота PWM;
наличие или отсутствие встроенной возможности временного деления;
количество линий управления (ширина интерфейса);
наличие или отсутствие дополнительных возможностей диагностики (перегрев, LED open/short);
наличие/отсутствие цифровой коррекции выходного тока (dot-correction);
наличие/отсутствие цифровой коррекции общей яркости;
тип корпуса.

Развитие драйверов, предназначенных для использования в светодиодных экранах, идет по нескольким направлениям:

Во-первых, продолжают совершенствоваться “простые” светодиодные драйверы. В них добавляются дополнительные функции, например, возможности диагностики или управление общей яркостью. Увеличивается частота передачи данных.
Во-вторых, в “интеллектуальные” драйверы также добавляются дополнительные функции и увеличиваются количественные характеристики (частоты, количество уровней PWM). Наиболее мощные светодиодные драйверы имеют полноценную поддержку 16-битной PWM на частотах около 20 МГц и обширный набор сервисных функций.
В-третьих, появляются многочисленные ответвления в виде специализированных светодиодных драйверов с определенными фиксированными характеристиками и набором функций: например, DM163 с 24 выходами, 8-битным PWM и 6-битной коррекцией общей яркости. Сюда же можно отнести и драйверы с встроенной поддержкой временного деления, например MBI5050.

Исторически сложилось (и технологически, видимо, оправдано), что большинство драйверов имеют 8 или 16 выходов. В случае светодиодных экранов это не всегда удобно, поскольку пиксель в современных экранах чаще всего состоит из трех светодиодов, поэтому топология печатной платы усложняется. С точки зрения топологии печатной платы было бы удобнее размещать один драйвер в центре кластера из четырех пикселей по три светодиода в каждом.

К сожалению, наиболее современные драйверы разрабатываются так, чтобы иметь “все в одном”. Количественные характеристики у них самые совершенные, а в дополнение к ним обширный набор дополнительных функций, которые зачастую не используются, но включены в цену драйвера. Так, например, драйвер DM634 имеет 16-разрядный PWM и при этом 7-битную коррекцию общей яркости. Однако, при наличии 16-разрядного PWM и современной системы управления глобальная коррекция яркости осуществляется совсем другими механизмами.

Отдельно следует отметить вопрос внешнего интерфейса. Передача данных, управление PWM осуществляются в разных драйверах по-разному, иногда не самым удобным для разработчика системы управления образом. Отсутствие единого подхода к управлению драйверами затрудняет унификацию системы управления светодиодным экраном, для каждого типа драйверов требуется свой интерфейсный блок.

Потребитель оценить использование в светодиодном экране тех или иных драйверов может только опосредованно, через параметры экрана (такие как количество уровней яркости или частота рефреша) или надежность светодиодных модулей в эксплуатации. Драйвер – один из энергоемких элементов светодиодного экрана, при работе он сильно нагревается. При плохом дизайне светодиодного модуля драйвер может перегреваться и выходить из строя.

Для разработчика системы управления светодиодным экраном выбор драйвера – это всегда вопрос баланса между требуемыми потребительскими свойствами экрана и стоимостью драйвера.

Современные системы управления светодиодными экранами

Система управления светодиодным экраном в широком понимании включает в себя на верхнем уровне источник видеоинформации (компьютер, специализированный плеер) с управляющим программным обеспечением (ПО), систему контроллеров, осуществляющих доставку и преобразование информации, и светодиодные драйверы, соединенные с контроллерами в сеть и осуществляющие преобразование цифрового сигнала в ток, питающий светодиоды.

Только система управления, которая связывает все вышеперечисленные подсистемы и учитывает их особенности, может предоставить пользователю широкий набор функций по показу высококачественного изображения на светодиодном экране, управлению трансляциями и полезными сервисными возможностями.

Кроме того, система управления светодиодным экраном должна предусматривать возможность построения сетей экранов и, соответственно, являться частью системы управления сетью светодиодных экранов.

Рассмотрим вкратце возможности, которыми должна обладать развитая система управления.

Базовые функции системы управления светодиодным экраном

Система управления светодиодным экраном должна воспроизводить видео, максимально используя аппаратные возможности (например, возможности драйверов).
В то же время система управления должна иметь модульную структуру для того, чтобы использовать разные аппаратные возможности.
Система управления должна обеспечивать трансляцию видеороликов по расписанию с возможно широкими возможностями по настройке расписания показов.
Система управления должна иметь гибкую настройку палитр для изменения параметров цветопередачи светодиодного экрана.
Система управления должна иметь гибкую настройку геометрии светодиодного экрана, поскольку из одинаковых модулей могут собираться светодиодные экраны разного размера и формы.

Сетевые функции системы управления светодиодным экраном

Система управления экраном должна предусматривать возможность включения ее в систему управления сетью светодиодных экранов. Для этого система управления экраном должна предоставлять сетевой интерфейс для управления трансляциями, контентом и настройками светодиодного экрана.

Как уже упоминалось, желательно, чтобы система управления светодиодным экраном имела модульную структуру. В этом случае возможно разделение сетевых функций и функций трансляции от аппаратной специфики вывода изображения. Тогда становится возможным построение гетерогенных сетей, в которых участвуют как светодиодные экраны разной архитектуры, так и, например, LCD экраны. Управление же трансляциями осуществляется из единого центра управления.

В настоящее время управление сетями экранов осуществляется через Интернет, поэтому сетевые функции системы управления светодиодным экраном должны это учитывать.

Функции мониторинга светодиодного экрана

Система управления должна иметь развитую систему мониторинга, в которую включаются:

Журнал видеотрансляций, в который пишется когда и какой видеоматериал был показан на светодиодном экране.
Журнал событий, связанных с работой оборудования светодиодного экрана, в который пишутся возможные неисправности оборудования. Чем более подробная диагностика оборудования допускается, тем совершеннее система управления.
Журнал действий пользователей, в который записывается - кто и когда совершал определенные действия с экраном.

Функции информационной безопасности системы управления светодиодным экраном

Светодиодный экран предоставляет возможность показа видеоинформации сразу большому количеству людей. В силу этого система управления экраном должна включать в себя подсистему информационной безопасности.

В функции этой подсистемы входит:

В первую очередь, предотвращение показа несанкционированной информации на светодиодном экране.
Кроме этого журналы должны иметь защиту от преднамеренного искажения для того, чтобы можно всегда было определить источник тех или иных действий с экраном (в том числе попытки взлома системы безопасности).
Подсистема информационной безопасности должна учитывать как работу светодиодного экрана в сети, так и автономную работу экрана.
Подсистема информационной безопасности должна быть тесно интегрирована с самой системой управления для того, чтобы ее нельзя было легко удалить.

Электромагнитная совместимость и индустриальные помехи светодиодных экранов

Большой светодиодный экран содержит в себе множество электронных компонентов и управляется цифровым способом. Поэтому ему присуща особенность всех цифровых устройств, заключающаяся в том, что часть потребляемой электрической энергии излучается в виде электромагнитного излучения, которое создает индустриальные помехи.

Это излучение является следствием того, что огромное количество элементов, светодиодов, переключаются с высокой скоростью. Быстрое переключение электронных компонентов и соответствующие сигналы, передающиеся по печатным платам светодиодных модулей, и создают электромагнитное излучение. Светодиодный экран состоит из достаточно большого количества одинаковых элементов – светодиодных модулей, геометрия дорожек на печатных платах которых повторяется, что создает гигантскую антенну.

Индустриальные помехи не просто загрязняют радиочастотный спектр, но и затрудняют, а иногда и полностью исключают использование средств связи, прием радио и телевизионных сигналов, мешают работе различного оборудования.

Снижение уровня индустриальных помех – важнейшая задача, стоящая перед разработчиками светодиодных экранов. Решить ее можно лишь комплексными мерами при разработке схемотехники и конструкции светодиодных модулей экрана, линий передачи данных, контроллеров, системы управления экраном. Такие комплексные меры могут быть приняты лишь разработчиками, понимающими все мельчайшие детали работы светодиодных экранов.