Màn hình video LED hiện đại: Đặc điểm, công nghệ, lý do lựa chọn

Hôm nay chúng ta có xu hướng xem màn hình video LED cho các cấp. Thật vậy, chúng trở thành đặc điểm chung của thị trấn và chúng tôi chú ý đến các thông số chất lượng bên ngoài của chúng. Nhưng kể từ khi tạp chí của chúng tôi chuyên về công nghệ này, chúng tôi tin rằng thời gian đã đưa ra các nguyên tắc kỹ thuật chính của màn hình video LED hiện đại, những nguyên tắc này cuối cùng đảm bảo hàng triệu người xem trên màn hình hàng ngày.

Màn hình LED hiện đại là một hệ thống phức tạp với số lượng lớn các thành phần. Chất lượng hình ảnh và các tham số hoạt động phụ thuộc vào chất lượng của từng thành phần cũng như chức năng của hệ thống kiểm soát màn hình.

                                          Sơ đồ khối điển hình của một màn hình video LED

Các đặc điểm màn hình video LED sau đây là cần thiết từ quan điểm của chất lượng hình ảnh:

• Độ phân giải màn hình video LED (được gọi là độ phân giải không gian ), trong màn hình video LED nó liên quan chặt chẽ đến khoảng cách giữa các điểm ảnh hoặc kích thước sân;

• Độ sáng tối đa (đo bằng Nits);

• Phạm vi độ sáng động được hiểu là số mức độ sáng mà màn hình có thể hỗ trợ (đôi khi nó còn được gọi là độ phân giải quang tuyến hoặc năng lượng );

• Tỷ lệ khung đo tần suất nguồn video có thể truyền toàn bộ khung dữ liệu mới sang màn hình, tần số thay đổi khung hình mỗi giây (fps) (đôi khi được gọi là độ phân giải thời gian );

• Tốc độ làm mới (được tính bằng Hz) là số lần trong một giây mà phần cứng hiển thị rút ra dữ liệu, hoặc làm mới khung (còn gọi là độ phân giải thời gian );

• Độ phân giải phổ: Hình ảnh màu phân biệt ánh sáng của các phổ khác nhau. Hình ảnh đa quang phổ giải quyết sự khác biệt thậm chí tốt hơn của quang phổ hoặc bước sóng hơn là cần thiết để tái sản xuất màu sắc. Thuật ngữ xác định có bao nhiêu thành phần quang phổ tạo ra một hình ảnh;

• Độ đồng đều màu trên màn hình;

• Cân bằng trắng và khả năng tinh chỉnh nó;

• Nhận thức tuyến tính về độ sáng - chất lượng chủ quan về chất lượng hình ảnh xác định mắt người phân biệt mức độ sáng liền kề nhau như thế nào trên các phần tối và sáng của màn hình;

• Tương phản hình ảnh;

• Chất lượng hình ảnh xác định theo góc nhìn.

Ngoài chất lượng hình ảnh, điều quan trọng là phải xem xét một số thông số hoạt động chính của màn hình video LED:

• Phản hồi hoặc theo dõi hệ thống điều kiện màn hình;

• Phần mềm trưởng thành và hệ thống điều khiển toàn diện cho phép mở rộng hệ thống và xây dựng mạng màn hình video LED và LCD với điều khiển từ xa qua Internet thông qua hệ thống con bảo mật thông tin được xây dựng;

• Mức độ bức xạ điện từ dưới dạng nhiễu điện từ (EMI) từ màn hình.

Chúng ta hãy xem xét một số các tham số trên một cách chi tiết hơn.

Tạo hình ảnh trên màn hình video LED và kiểm soát độ sáng

Điều chế độ rộng xung (PWM) và tỷ lệ làm mới

Hình ảnh ban đầu được hiển thị được tạo ra dưới dạng một tệp máy tính, thường là * .avi hoặc * .mpg clip. Tệp được giải mã bởi máy tính điều khiển (hoặc bộ điều khiển video) và được biến đổi thành luồng video đặc biệt được cấp cho vi mạch của trình điều khiển hiện tại. Các trình điều khiển IC chuyển đổi liên tục hiện tại để LED làm cho chúng phát sáng trong một quang phổ nhất định.

PWM - (Pulse-width modulation) là một kỹ thuật thường được sử dụng để kiểm soát các mức độ sáng khác nhau. Tùy thuộc vào mức độ sáng yêu cầu, dòng điện được chuyển tiếp tới các đèn LED liên tục bằng cách bật và tắt công tắc giữa nguồn cung cấp và tải. Ví dụ, để đạt được độ sáng 50%, chỉ cần chuyển một nửa chu kỳ thời gian, để đạt được độ sáng 25% thì dòng điện sẽ được bật chỉ trong một phần tư chu kỳ. Nói cách khác, đèn LED sẽ hoạt động ở chế độ "bật tắt" khi thời gian "bật" sẽ tương ứng với mức độ sáng được yêu cầu.

Kỹ thuật PWM đảm bảo rằng một LED (và cả màn hình video) tạo ra một hình ảnh chu kỳ. Khoảng thời gian chu kỳ tối thiểu (khi một đèn LED được bật và tắt liên tiếp) được gọi là thời kỳ làm mới hoặc tỷ lệ làm mới.

Xem xét ví dụ: Hãy cho chúng tôi biết rằng tỷ lệ làm mới màn hình video LED bằng 100 Hz. Để đảm bảo độ sáng tối đa 100%, chúng ta cần chuyển tiếp hiện tại trong suốt thời gian làm mới, trong trường hợp này bằng 1/100 s = 10 ms. Để giảm độ sáng xuống một nửa, dòng điện cần được chuyển tiếp trong 5 ms và sau đó tắt trong 5 ms. Sau đó, chu kỳ lặp đi lặp lại theo cách tương tự. Để đạt được mức độ sáng chỉ bằng 1%, dòng điện sẽ được chuyển tiếp tới các đèn LED trong khoảng 0,1 ms và thời gian tắt sẽ kéo dài 9,9 ms.

Các phương pháp PWM cơ bản có thể được sửa đổi và nâng cấp. Các nhà sản xuất khác nhau sử dụng các thuật ngữ khác nhau: PWM (Macroblock), Điều chế Tách tuần tự (Silicon Touch), và Điều chế mật độ xung thích nghi (MY's-Semi). Tất cả các chức năng này có xu hướng "lan truyền" chuyển đổi LED trên khoảng thời gian trong suốt thời gian làm mới. Do đó hoạt động của màn hình ở độ sáng 50% với tốc độ làm tươi 100 Hz sẽ giống như lặp lại "1 ms LED trên - 1 ms LED tắt" chu kỳ. Điều này có nghĩa là độ sáng 50% thời gian làm mới tăng gấp năm lần và bằng 2 ms. Do đó, tỷ lệ làm mới đã tăng lên đến 500 Hz. Tính toán này chỉ đúng đối với độ sáng 50%. Đối với mỗi mẫu độ sáng, độ sáng tối thiểu của một xung (một khoảng thời gian tối thiểu) khi bật đèn LED, phần còn lại của thời gian nó được tắt.

Do đó, các chu kỳ PWM "truyền thống" bị bóp méo bởi các phương pháp hiện đại. Tùy thuộc vào mức độ độ sáng yêu cầu, chúng tôi có thể xác định thời gian ngắn hơn với tỷ lệ làm mới cao hơn. Trên một tỷ lệ làm mới màn hình video LED cụ thể có thể khác nhau, chúng ta hãy nói, 100 Hz và 1 kHz. Điều này có nghĩa là trong độ sáng tối thiểu hoặc tối đa, tốc độ làm tươi là khoảng 100 Hz. Nhưng ở các mức độ sáng khác chúng ta gặp các khoảng thời gian với tỷ lệ làm mới cao hơn.

Do đó, đối với các phương pháp PWM cải tiến, khái niệm về tỷ lệ làm mới trở nên khá sai lạc. Tuy nhiên, nếu chúng ta xác định tỷ lệ làm tươi là khoảng thời gian tối thiểu cần thiết để làm mới hình ảnh cho tất cả các mức độ sáng , chúng ta sẽ tránh được tất cả các hiểu lầm vì trong chế độ này tỷ lệ làm mới không phụ thuộc vào quá trình PWM.

Interlaced quét dựa trên hình ảnh và thời gian phân chia trên màn hình video LED

Một số hình ảnh màn hình video LED được cấu trúc theo cách như vậy để ngăn chặn cung cấp hiện tại cho tất cả các đèn LED cùng một lúc. Tất cả các đèn LED trên màn hình video được chia thành các nhóm (thường, hai, bốn hoặc tám) được bật lần lượt. Điều đó có nghĩa là các phương pháp tạo ảnh được mô tả ở trên được áp dụng cho các nhóm LED khác nhau trên màn hình video. Nếu màn hình có hai nhóm như vậy, sự hình thành hình ảnh tương đương với quét tương tác trong TV tương tự.

Phương pháp này chủ yếu được sử dụng để làm màn hình video LED rẻ hơn, vì phương pháp hình thành hình ảnh này cần ít hơn các trình điều khiển IC (tương ứng với hai, bốn hoặc tám lần). Vì các trình điều khiển vi mạch đóng góp khoảng 15-20% để theo dõi chi phí, nền kinh tế có thể là đáng kể. Hơn nữa, phương pháp phân chia thời gian thực tế là không thể tránh khỏi trên các màn hình video LED có độ phân giải cao vì màn hình nhỏ hiển thị các vấn đề nghiêm trọng trong việc định vị nhiều trình điều khiển trên PCB và sắp xếp việc truyền nhiệt thích hợp từ các trình điều khiển IC.

Đương nhiên, nền kinh tế này dẫn đến độ sáng màn hình thấp hơn và tỷ lệ làm tươi thấp hơn (tương ứng với số lượng các nhóm LED được sử dụng).

Chúng ta hãy nói rằng chúng ta có một màn hình với hai nhóm LED sử dụng phương pháp phân chia thời gian. Dòng điện được cung cấp cho một nhóm để đảm bảo độ sáng yêu cầu. Nhóm khác bị tắt. Sau một khoảng thời gian làm mới các nhóm thay thế: bây giờ nhóm thứ hai được cung cấp năng lượng trong khi người đầu tiên đi tối. Do đó khoảng thời gian cần thiết để làm mới tất cả thông tin trên màn hình trở nên dài hơn hai lần.

Khái niệm tỷ lệ làm mới trong trường hợp này trở nên tinh tế hơn. Nói đúng ra, khoảng thời gian làm mới hoặc thời gian tối thiểu cần thiết để làm mới hình ảnh trên toàn màn hình tăng gấp đôi. Tuy nhiên, đối với mỗi nhóm khoảng thời gian hình thành hình ảnh vẫn không thay đổi và chúng tôi có thể cho rằng tỷ lệ làm mới vẫn như trước.

Màn hình video LED, tỷ lệ làm mới và mắt người

Chủ yếu, tỷ lệ làm mới ảnh hưởng đến nhận thức hình ảnh. Chúng ta thường cảm nhận được một hình ảnh trên màn hình trơn tru và không nhận thấy hiệu ứng nhấp nháy vì tần số nhấp nháy khá cao. Nhận thức thị giác của chúng ta là một tâm lý cũng như thể chất trong tự nhiên. Các tia sáng cá nhân của ánh sáng được tổng kết thành hình ảnh "mịn màng" bởi não của chúng ta. Theo Luật của Bloch, sự tổng hợp này kéo dài khoảng 10 ms và phụ thuộc vào độ sáng của ánh sáng nhấp nháy. Nếu ánh sáng nhấp nháy với tần suất đủ (được gọi là ngưỡng CFF - Tần số Chớp nhòa Quan trọng), mắt người không nhận thấy sự nhịp điệu theo Luật Talbot-Plateau. CFF ngưỡng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như quang phổ của nguồn ánh sáng, vị trí của nguồn ánh sáng liên quan đến mắt, mức độ sáng. Tuy nhiên, trong điều kiện bình thường tần số này không bao giờ vượt quá 100 Hz.

Do đó, mắt người sẽ không phân biệt bất kỳ sự khác nhau nào trong hình ảnh màn hình video LED được tạo ra với các phương pháp PWM hoặc PWM được cải tiến với tỷ lệ làm mới thay đổi từ 100 Hz đến 1 kHz.

Màn hình LED, tỷ lệ làm mới và máy quay video

Tuy nhiên, mắt người không phải là công cụ duy nhất có thể nhận ra hình ảnh. Đôi khi chúng tôi sử dụng máy quay video để ghi lại màn hình video LED, và thiết bị video được dựa trên các nguyên tắc khác biệt rất nhiều so với những gì được sử dụng bởi bộ não con người. Điều này đặc biệt quan trọng đối với tất cả các thiết bị màn hình video LED tại sân vận động thể thao, hội chợ thương mại hoặc phòng hòa nhạc, nơi các sự kiện được ghi lại bằng máy ảnh. Thời gian phơi sáng hoặc tốc độ màn trập trong các máy quay video hiện đại có thể thay đổi từ vài giây đến một phần nghìn giây.

Hãy nói rằng chúng ta nhìn vào một màn hình LED, nơi hình ảnh được hình thành bằng cách sử dụng phương pháp truyền thống PWM với tốc độ làm tươi 100 Hz. Màn hình video hiển thị hình ảnh tĩnh. Nếu chúng ta cố gắng ghi lại hình ảnh này bằng một máy quay video sử dụng tốc độ màn trập 1/8 giây (tức là thời gian phơi ảnh là 125 phần nghìn giây), bộ cảm biến ảnh sẽ ghi lại ánh sáng từ hình ảnh màn hình tạo ra trong 12,5 khoảng thời gian làm mới. Màn hình LED và máy quay video của chúng tôi không được đồng bộ hóa và mỗi khung ghi bởi máy ảnh sẽ tương ứng với thời gian khác nhau liên quan đến sự bắt đầu và kết thúc của chu trình làm mới. Nhưng với tốc độ màn trập cao này sẽ không có xung đột và máy ảnh sẽ ghi lại một hình ảnh mịn của màn hình video LED.

Nếu chúng ta giảm tốc độ màn trập xuống 1/250 giây khi thời gian phơi sáng bằng 4 ms, một khung máy sẽ ngắn hơn khoảng thời gian làm tươi khoảng 2,5 lần trên màn hình video LED. Lần này sự khác biệt giữa sự bắt đầu của khung máy ảnh và sự khởi đầu của chu kỳ PWM sẽ là đáng kể. Một số khung sẽ tương ứng với sự khởi đầu của chu kỳ PWM, một số khác ở giữa, và một số khác sẽ kết thúc chu kỳ. Mỗi khung sẽ ghi lại lưu lượng ánh sáng khác nhau và dần dần các lỗi tích lũy. Khi xem đoạn video ghi lại, độ sáng của khung ảnh sẽ khác biệt đáng chú ý. Thông thường, tất cả các đối tượng ghi với thời gian phơi sáng ngắn xuất hiện ít sáng hơn. Máy ảnh sẽ ghi lại hiệu ứng "nhấp nháy" trên màn hình video LED. Nếu thời gian phơi sáng giảm hơn nữa, chắc chắn chúng ta sẽ thấy một số khung màu đen (khi khung của máy quay tương ứng với thời gian PWM ngắn khi tắt đèn LED) và video đã quay sẽ nhấp nháy nhiều hơn.

Do đó, nếu chúng ta sử dụng một máy quay video để ghi lại một màn hình LED với chức năng PWM truyền thống, tỷ lệ làm mới phải tương thích với hoặc vượt quá độ phơi sáng của máy ảnh.

Trên màn hình video LED với chức năng điều chỉnh PWM được sửa đổi, áp dụng logic tương tự. Kể từ khi ở chế độ độ sáng cao, thời gian bật đèn LED "lan truyền" qua chu kỳ PWM, hình ảnh thu được sẽ ổn định hơn so với chức năng PWM truyền thống. Nhưng ở độ sáng thấp tình hình sẽ vẫn như cũ: hình ảnh được ghi lại sẽ bị mất độ sáng hoặc sẽ nhấp nháy.

Như bạn thấy nếu không có đồng bộ hóa đúng cách, bất kỳ ghi hình video nào của màn hình LED sẽ dẫn đến sự méo mó trong hình ảnh được ghi lại. Chúng ta có thể so sánh điều này với việc ghi lại TV tương tự với một camera tương tự: sự khác biệt trong chế độ quét của cả hai thiết bị sẽ dẫn đến hiệu quả của đường chéo màu đen tách khung TV.

Một vấn đề quan trọng là đồng bộ hóa các bộ điều khiển màn hình video LED. Màn hình LED lớn được làm bằng các khối (mô-đun LED và / hoặc tủ) hiển thị hình ảnh được tạo ra bởi các bộ điều khiển khác nhau. Nếu các bộ điều khiển này không đồng bộ hóa sự bắt đầu của chu kỳ PWM (ví dụ như sự bắt đầu của chu trình trên các phần khác nhau của màn hình), chúng ta có thể gặp phải vấn đề sau: Chu kỳ làm mới trên một số phần của màn hình LED sẽ tương ứng với khung máy ảnh và các Các phần của màn hình nó sẽ không. Nếu phơi sáng tương thích với chu trình làm mới, một phần của màn hình video sẽ sáng hơn, một màu khác. Toàn bộ hình ảnh sẽ bao gồm các hình chữ nhật màu tối và sáng và sẽ không được thoải mái khi xem.

Chi phí của màn hình LED màn hình cao làm mới

Bất kể phương pháp tạo PWM, chúng đều có các tính năng chung. PWM thế hệ hoạt động trên một tốc độ đồng hồ nhất định F pwm . Giả sử chúng ta phải tạo ra một số N nhất định về mức độ sáng. Trong trường hợp tốc độ làm tươi F r không thể vượt quá F pwm / N.

Dưới đây là một số ví dụ để minh họa câu nói trên:

Những con số này chứng minh rằng mỗi đèn LED của màn hình video theo một số quá trình tạo PWM độc lập, tức là phương pháp tạo PWM được lập trình trực tiếp vào trình điều khiển IC.

Với các trình điều khiển IC đơn giản và rẻ tiền, PWM được tạo ra trên một bộ điều khiển cho màn hình video LED. Sau đó chúng ta nên xem xét có bao nhiêu trình điều khiển được liên kết liên tục và được phục vụ bởi một quá trình tạo PWM. Nếu một chương trình tạo PWM yêu cầu các trình điều khiển kênh đầu ra M 16, tốc độ refresh không được vượt quá Fpwm / (N * M * 16 , nếu không nó sẽ làm giảm tốc độ refresh hoặc nhu cầu tăng tần số đồng hồ.

Trong trường hợp phân chia thời gian (interlace quét) tỷ lệ làm mới giảm theo tỷ lệ hệ số hệ số.

Do đó, để tăng tỷ lệ làm mới màn hình video LED có sẵn các tùy chọn sau:

• Sử dụng các trình điều khiển thông minh (đắt tiền);

• Tăng tốc độ đồng hồ trong quá trình tạo PWM;

• Giảm số lượng độ sáng (độ sâu màu).

Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm. Các trình điều khiển trí tuệ đắt hơn nhiều so với trình điều khiển IC đơn giản; Sự gia tăng tốc độ đồng hồ dẫn đến tiêu thụ năng lượng cao hơn (do đó đòi hỏi các biện pháp bổ sung cho truyền nhiệt để tránh quá nóng); Số lượng độ sáng thấp ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng hình ảnh.

Kết luận: Làm mới lại màn hình video LED

Các nhà sản xuất màn hình video LED thường sử dụng tỷ lệ làm mới làm công cụ tiếp thị khi tự hào về chất lượng màn hình xuất sắc. Giả sử là tỷ lệ làm mới càng cao, chất lượng hình ảnh càng tốt. Tuy nhiên, thường thì con số chỉ phục vụ cho việc nhầm lẫn giữa khách hàng tiềm năng. Ví dụ, tỷ lệ làm mới của một vài kHz có nghĩa là phương pháp tạo PWM được sửa đổi sẽ được sử dụng (khi tỷ lệ refresh ở mức thực tế khác nhau đối với các mức độ sáng khác nhau) hoặc độ sâu màu không thể chấp nhận được.

Chúng ta nên nhớ rằng tốc độ làm tươi cao và các giá trị độ sâu màu cao chỉ có thể xảy ra ở các mức độ sáng cao mà bản thân nó là một quan niệm sai lầm, vì màn hình video LED không phải lúc nào cũng hoạt động với công suất 100%.

Đối với trường hợp quét quét xen kẽ, giá trị tốc độ làm tươi sẽ chỉ tương ứng với một chu kỳ PWM cho một nhóm LED, trong khi tỷ lệ thực sự làm tươi màn hình (ảnh hưởng đến nhận thức của chúng ta) sẽ thấp hơn nhiều lần.

Cần thêm thông tin và trung thực để đề cập đến độ sâu màu và tốc độ đồng hồ cho PWM và khoảng thời gian làm tươi của màn hình (ví dụ 200 -1000 Hz) trong trường hợp chức năng PWM được chỉnh sửa. Nếu một màn hình video LED dựa trên nguyên tắc phân chia thời gian (ví dụ, phân chia thời gian = 1: 1 - không có sự phân chia thời gian, phân chia thời gian = 1: 2 - PWM chỉ hoạt động trên một nửa màn hình vv).

Tham số trên không cần thiết cho sự nhận thức của chúng ta. Mắt người không ghi lại bất kỳ sự khác biệt về chất lượng hình ảnh ở tần số trên 100 Hz. Do đó, người ta nên quyết định nếu tỷ lệ làm tươi cao là thực sự cần thiết và nếu nó là giá trị trong khi trả thêm cho nó.

Tốc độ làm mới và tính đồng bộ của hình ảnh màn hình ghi lại chỉ quan trọng trong trường hợp màn hình LED thường trở thành đối tượng để ghi video (sân vận động và phòng hòa nhạc). Vì vậy, tốt hơn là trước tiên tiến hành một số bản ghi thử nghiệm trước khi ký hợp đồng mua.