Pantalles de vídeo LED modernes: característiques, tecnologies, raons per triar

Avui dia solem tenir preses pantalles de video LED. De fet, es van convertir en trets comuns a les nostres ciutats i, sobretot, atenem els paràmetres externs de qualitat. Però des que la nostra revista està especialitzada en aquesta tecnologia, creiem que ha arribat el moment d'esbrinar els principals principis tècnics de les pantalles de vídeo moderns de LED, aquells que, en definitiva, asseguren el que milions de persones veuen a les pantalles cada dia.

La pantalla de vídeo LED moderna és un sistema complex amb gran nombre de components. La qualitat de la imatge i els paràmetres operatius depenen de la qualitat de cadascun d'aquests components, així com de la funcionalitat del sistema de control de pantalla.

                                          Diagrama de bloc típic d'una pantalla de vídeo LED

Les característiques següents de la pantalla de vídeo LED són essencials des del punt de vista de la qualitat de la imatge:

• Resolució LED de vídeo de pantalla (l'anomenada resolució espacial), en pantalles de vídeo LED que està estretament relacionada amb la distància entre píxels o mida de pas;

• Brillantor màxima (mesurat a Nits);

• Rang de brillantor dinàmic entesa com el nombre de nivells de brillantor que la pantalla és capaç de suport (de vegades també se l'anomena radiomètrica o resolució d'energia);

• Mesures de velocitat de quadre amb quina freqüència una font de vídeo pot alimentar una trama completa de dades noves a una pantalla, la freqüència de fotogrames canviants per segon (fps) (de vegades referit com resolució temporal);

• Freqüència d'actualització (mesura en Hz) és el nombre de vegades en un segon que un maquinari de visualització dibuixa les dades, o refresca el marc (també referit com resolució temporal);

• Resolució espectral: les imatges en color distingeixen la llum de diferents espectres. Les imatges multiespectrals resolen fins i tot diferències d'espectre o longitud d'ona més grans del que es necessita per reproduir el color. El terme determina quants components espectrals creen una imatge;

• Uniformitat del color a tota la pantalla;

• Balanç de blancs i possibilitat d'ajustar-lo;

• Percepció lineal de la brillantor: qualitat subjectiva de la qualitat de la imatge que determina com l'ull humà distingeix entre els nivells de brillantor adjacents tant a les parts fosques com a les brillants de la pantalla;

• Contrast d'imatge;

• Qualitat d'imatge determinada per l'angle de visió.

A més de la qualitat d'imatge, és important tenir en compte alguns paràmetres operatius clau de la pantalla de vídeo LED:

• Sistema de seguiment o monitorització de la condició de la pantalla;

• Software madur i un sistema de control complet que permeten ampliar el sistema i la construcció de xarxes de pantalla de video LED i LCD amb control remot a través d'Internet a través del subsistema informatiu de seguretat incorporat;

• Nivell de radiació electromagnètica en forma d'interferència electromagnètica (EMI) des de la pantalla.

Considerem alguns dels paràmetres anteriors amb més detall.

Creació d'imatge a la pantalla de vídeo LED i control de brillantor

Modulació d'amplada de pols (PWM) i velocitat d'actualització

La imatge inicial que es mostrarà es crea com un fitxer de PC, generalment un clip * .avi o * .mpg. L'arxiu és descodificat per la PC de control (o controlador de vídeo) i es transforma en la transmissió de vídeo especialitzada alimentada a microxips de controladors de corrent constant. Els controladors IC continuen constantment als LED que els fan brillar en un espectre determinat.

PWM (modulació d'amplada de pols) és una tècnica d'ús habitual per controlar diversos nivells de brillantor. Depenent del nivell de brillantor requerit, el corrent es reenvia als LED intermitentment, activant i desactivant l'interruptor entre l'oferta i la càrrega a un ritme ràpid. Per exemple, per aconseguir un 50% de brillantor, el corrent hauria de reenviar-se només la meitat de la durada del cicle, per assolir el 25% de brillantor, el corrent serà activat només durant un quart de durada del cicle. Dit d'una altra manera, un LED funcionarà en un mode "encès-apagat", on la durada del període "encès" correspon al nivell de brillantor requerit.

La tècnica PWM garanteix que un LED (i tota la pantalla de vídeo) produeixi una imatge cíclica. La durada del cicle mínim (quan un LED està encès i apagat consecutivament) s'anomena un període de refresc o una velocitat de refresc.

Considereu un exemple: diguem que la velocitat d'actualització d'una pantalla de vídeo LED és igual a 100 Hz. Per garantir el 100% de brillantor màxim, necessitem reenviament actual durant tot el període d'actualització que en aquest cas és igual a 1/100 s = 10 ms. Per reduir la brillantor a la meitat, el corrent hauria de reenviar-se durant 5 ms i apagar-lo després de 5 ms. A continuació, el cicle es repeteix de la mateixa manera. Per aconseguir només un 1% de nivell de brillantor, el corrent es reenviarà als LED durant 0,1 ms i el període de commutació serà de 9,9 ms.

El mètode PWM bàsic es pot modificar i actualitzar. Els diferents fabricants utilitzen diferents terminologia: PWM (Macroblock), Modulació de divisió seqüencial (Silicon Touch) i Modulació de densitat de pols adaptativa (MY's-Semi). Totes aquestes funcions tendeixen a "estendre" el interruptor de LED durant el període de restauració complet. D'aquesta manera, l'operació de pantalla amb una brillantor del 50% amb una velocitat de refresc de 100 Hz tindrà un cicle repetit de "1 ms LED en - 1 ms LED fora". Això significa que per a un 50% de brillantor el període de refresc augmenta cinc vegades i és igual a 2 ms. En conseqüència, la taxa de refresc augmenta a 500 Hz. Aquest càlcul només és veritable per al 50% de brillantor. Per cada patró de brillantor, hi ha una brillantor mínima d'un impuls (una durada mínima) quan el LED està encès, la resta del temps que està apagat.

Per tant, els estrictes cicles "tradicionals" PWM es distorsionen amb mètodes moderns modificats. Depenent del nivell de brillantor requerit, podem identificar períodes més curts amb una taxa d'actualització més alta. En una determinada velocitat de refresc de la pantalla de LED pot variar entre, diguem, 100 Hz i 1 kHz. Significa que durant la lluentor mínima o màxima la velocitat d'actualització és d'uns 100 Hz. Però, en altres nivells de brillantor, ens trobem amb períodes amb major freqüència de refresc.

Per tant, per a mètodes PWM modificats, el concepte de taxa d'actualització esdevé prou enganyós. No obstant això, si definim freqüència d'actualització com un període mínim necessari per renovar la imatge de tots els nivells de brillantor, anem a evitar tots els malentesos ja que en aquesta freqüència d'actualització definició no depèn del procés de PWM.

Imatges entrellaçades entre imatges i divisió de temps en pantalles de video LED

Algunes imatges de pantalla de vídeo LED estan estructurades de manera que s'evita el subministrament actual a tots els LEDs alhora. Tots els LEDs en una pantalla de vídeo estan separats en grups (generalment, dos, quatre o vuit) que es connecten al seu torn. Això vol dir que els mètodes de creació de la imatge descrits anteriorment s'apliquen, al seu torn, a diferents grups de LEDs en una pantalla de vídeo. Si la pantalla té dos grups d'aquest tipus, la formació d'imatges equival a l'escaneig entrellaçat en un TV anàleg.

Aquest mètode s'utilitza principalment per fer que les pantalles de video LED siguin més barates, ja que aquest mètode de formació d'imatges necessita una quantitat menor de controladors IC (per dos, quatre o vuit vegades, corresponent). Atès que els controladors IC contribueixen aproximadament un 15-20% a la pantalla de costos, l'economia pot ser significativa. A més, el mètode de divisió temporal és pràcticament inevitable a les pantalles de vídeo LED d'alta resolució, ja que les pantalles de petites pantalles presenten problemes greus en la posició de gran nombre de controladors a PCB i disposen de la transferència de calor apropiada dels controladors IC.

Naturalment, aquesta economia comporta una menor brillantor de la pantalla de vídeo i una menor taxa de refresc (proporcionalment al nombre de grups de LED emprats).

Suposem que tenim una pantalla amb dos grups LED utilitzant el mètode de divisió temporal. El corrent es subministra a un grup per garantir la brillantor necessària. L'altre grup està desactivat. Després d'un període d'actualització, els grups s'alternen: ara el segon grup funciona mentre el primer es fa fosc. Per tant, el període necessari per renovar tota la informació a la pantalla es fa dues vegades més llarg.

El concepte de taxa d'actualització en aquest cas es fa encara més subtil. En sentit estricte, es duplica el període d'actualització o un temps mínim necessari per renovar la imatge a tota la pantalla. Tanmateix, per a cada grup, la durada del període de formació de la imatge roman sense canvis, i podem argumentar que la taxa d'actualització continua sent la mateixa que abans.

Pantalla de vídeo LED, velocitat de refresc i ull humà

Principalment, la taxa d'actualització afecta la percepció de la imatge. En general, percebem una imatge en una pantalla tan suau i no observem un efecte de parpelleig perquè la freqüència de parpelleig és bastant alta. La nostra percepció visual és una naturalesa tant psicològica com física. Els flaixos individuals de llum es resumeixen en una imatge "suau" pel nostre cervell. Segons la Llei de Bloch, aquesta resum té una durada aproximada de 10 ms i depèn de la brillantor dels llums de llum. Si la llum parpelleja amb freqüència suficient (l'anomenat llindar CFF - Freqüència de parpelleig crític), l'ull humà no veu pulsacions d'acord amb la Llei Talbot-Plateau. El llindar CFF depèn de molts factors com l'espectre de la font de llum, el posicionament de la font de llum en relació amb l'ull, el nivell de brillantor. Tanmateix, en condicions normals aquesta freqüència no supera els 100 Hz.

D'aquesta manera, un ull humà no distingirà cap diferència en les imatges de pantalla de vídeo LED que es formen amb un mètode PWM o PWM modificat, amb taxes d'actualització que varien de 100 Hz a 1 kHz.

Pantalla LED, velocitat d'actualització i càmera de vídeo

Tanmateix, un ull humà no és l'únic instrument que pot percebre imatges. De vegades fem servir càmeres de vídeo per gravar pantalles de video LED, i els equips de vídeo es basen en principis dràsticament diferents de la utilitzada pel cervell humà. Això és especialment important per a totes les instal·lacions de pantalla de video LED en estadis esportius, fires o sales de concerts on es registren esdeveniments amb càmeres. El temps d'exposició o la velocitat de l'obturador a les càmeres de vídeo modernes poden variar de segons a un mil·lisegon.

Suposem que mirem una pantalla LED on es forma la imatge amb el mètode PWM tradicional amb una velocitat de refresc de 100 Hz. La pantalla de vídeo mostra una imatge estàtica. Si intentem gravar aquesta imatge amb una càmera de vídeo amb una velocitat d'obturació de 1/8 segons (és a dir, el temps d'exposició de 125 mil·lisegons), el sensor fotogràfic registrarà la llum de la imatge de la pantalla produïda per 12.5 períodes d'actualització. La pantalla LED i la nostra càmera de vídeo no estan sincronitzats i cada fotograma registrat per la càmera es correspon amb un temps diferent relacionat amb el començament i el final del cicle d'actualització. Però amb aquesta alta velocitat de l'obturador no hi haurà conflicte i la càmera registrarà una imatge suau de la pantalla de vídeo LED.

Si reduïm la velocitat de l'obturador a 1/250 segons quan el temps d'exposició és igual a 4 ms, un fotograma de càmera serà 2,5 vegades més curt que el període de refresc a la pantalla de vídeo LED. En aquesta ocasió, la discrepància entre el principi del marc de la càmera i el començament del cicle PWM serà significatiu. Alguns marcs es corresponen amb el començament del cicle PWM, d'altres a la meitat i d'altres fins al final del cicle. Cada fotograma registrarà un flux de llum diferent i poc a poc l'error s'acumula. Quan veiem el vídeo gravat, la brillantor dels marcs serà notablement diferent. Normalment, tots els objectes registrats amb temps d'exposició curts semblen menys brillants. La càmera gravarà efecte "parpelleig" a la pantalla de vídeo LED. Si el temps d'exposició es redueix encara més, definitivament veurem alguns marcs negres (quan el començament del marc de la càmera correspon al curt període de PWM quan els LED estan apagats) i el vídeo gravat parpellejarà encara més.

Per tant, si utilitzem una càmera de vídeo per gravar una pantalla LED amb una funció PWM tradicional, la freqüència de refresc hauria de ser compatible amb l'exposició de la càmera o superar-la.

A les pantalles de vídeo LED amb una funció PWM modificada, s'aplica la mateixa lògica. Atès que en el mode d'alta brillantor, el temps d'activació dels LED es "estesa" al llarg del cicle PWM, la imatge gravada serà més estable en comparació amb la funció PWM tradicional. Però a baixa brillantor, la situació continuarà igual: la imatge gravada perdrà la brillantor o parpellejarà.

Com veieu sense una correcta sincronització, qualsevol enregistrament de vídeo d'una pantalla LED provocarà distorsions en la imatge gravada. Podem comparar-ho amb la gravació del televisor anàleg amb una càmera anàloga: les diferències en els modes d'escaneig d'ambdós dispositius conduiran a un efecte de les línies negres diagonals que separen els fotogrames de TV.

Un altre aspecte important és la sincronització de controladors de pantalla de video LED. Les grans pantalles LED estan fetes de blocs (mòduls LED i / o armaris) que mostren imatges generades per diferents controladors. Si aquests controladors no sincronitzen el començament del cicle PWM (és a dir, l'inici del cicle en diferents parts de la pantalla), podem trobar el següent problema: el cicle d'actualització en algunes parts de la pantalla LED es correspon amb fotogrames de càmera i d'altres Parts de la pantalla no ho farà. Si l'exposició és compatible amb el cicle de refresc, part de la pantalla de vídeo semblarà més brillant, una altra més fosca. La imatge sencera consistirà en rectangles foscos i brillants i serà incòmode de mirar.

El cost de la pantalla de vídeo LED es refresca

Independentment del mètode de generació PWM, tots tenen característiques comunes. Generació PWM opera a una certa taxa de rellotge F pwm. Suposem que hem de generar un nombre determinat N de nivells de brillantor. En aquest cas la taxa de refresc F r no pot excedir F pwm / N.

Aquests són alguns exemples per il·lustrar l'afirmació anterior:

Aquests números demostren que cada LED de la pantalla de vídeo segueix un procés de generació de PWM independent, és a dir, el mètode de generació PWM està programat directament als controladors IC.

Amb controladors IC simples i barats, PWM es genera en un controlador per a la pantalla de vídeo LED. A continuació, hauríem de considerar quants conductors estan enllaçats de forma consecutiva i que es realitzen amb un procés de generació de PWM. Si esquema de generació d'un PWM requereix M drivers de canal de 16 de sortida, la freqüència d'actualització no pot excedir F pwm / (N * M * 16, en cas contrari porta a significativament menor freqüència d'actualització o la necessitat d'augmentar la freqüència de rellotge.

En cas de divisió de temps (escaneig entrellaçats), la velocitat d'actualització cau proporcionalment al coeficient de divisió.

Per tant, per augmentar la velocitat d'actualització a les pantalles de vídeo LED, hi ha disponibles les següents opcions:

• Ús de controladors "intel·ligents" (cars);

• Increment de la velocitat del rellotge en el procés de generació PWM;

• Reducció del nombre de nivells de brillantor (profunditat de color).

Cada mètode té avantatges i deficiències. Els controladors intel·lectuals són molt més cars que simples controladors IC; L'augment de la velocitat del rellotge comporta un major consum d'energia (per tant, requereix mesures addicionals per a la transferència de calor per evitar un sobreescalfament); El baix nombre de nivells de brillantor afecta negativament la qualitat de la imatge.

Conclusió: Actualitza les pantalles de vídeo LED

Els fabricants de pantalla de vídeo LED utilitzen freqüentment la velocitat d'actualització com a eina de màrqueting amb qualitat de pantalla excel·lent. La suposició és que, com més alta sigui la velocitat d'actualització, millor serà la qualitat d'imatge. Tanmateix, sovint els números només serveixen per confondre clients potencials. Per exemple, la freqüència d'actualització de diversos kHz significa que s'utilitza el mètode de generació PWM modificat (quan la taxa de refresc és de fet diferent per a diferents nivells de brillantor) o que la profunditat del color és inacceptablement baixa.

Recordem que la freqüència de refresc elevada i els valors de profunditat de color elevats solen produir-se en nivells de brillantor elevats que en si mateixos són una idea errònia, ja que una pantalla de vídeo LED no sempre ha de funcionar al 100% de capacitat.

En el cas de l'escaneig entrellaçat, el valor de la taxa de refresc només es correspon amb un cicle PWM per a un grup LED, mentre que la velocitat actual de la pantalla (que afecta la nostra percepció) serà diverses vegades menor.

És més informatiu i honest per esmentar la profunditat de color i la velocitat de rellotge de PWM i el rang aproximat de velocitat d'actualització de la pantalla (per exemple, 200-1000 Hz) en cas de funció de pantalla PWM modificada. Si una pantalla de vídeo LED es basa en el principi de divisió temporal (per exemple, divisió horària = 1: 1 - absència de divisió horària, divisió horària = 1: 2 - PWM només funciona a la meitat de la pantalla, etc.).

El paràmetre anterior no és essencial per a la nostra percepció. L'ull humà no registra cap diferència en la qualitat d'imatge en freqüències superiors a 100 Hz. En conseqüència, cal decidir si la taxa d'actualització alta és realment necessària i si val la pena pagar més.

La velocitat i la uniformitat de la imatge de la pantalla registrada només són importants en els casos en què la pantalla LED es converteix sovint en un objecte de gravació de vídeo (estadis i sales de concerts). Per tant, és millor realitzar una primera gravació de prova abans de signar el contracte de compra.