备受关注的_L_ED_显示新技术

第36卷 第12期 激 光 与 红 外Vol . 36,No. 12 2006年12月 LASER 亮度;色度;一致性;嵌入式系统 中图分类号: TN873 文献标识码:A The Notable LED D isplay Technologies L IXi2lin (Nanjing Research Institute Of Electronic Technology,Nanjing 210013,China) Abstract: In this article some novel technologies of LED display are reviewed, to which many LED display screen manufacturers pay a deal of attention recently . Key words:LED display; luminance; chrominance; uniformity; embedded system LED显示屏和LED灯饰的应用越来越广泛,显 示技术也不断提高,总的目标是进一步提高显示图 像的质量,降低成本和开辟新的应用领域。本文讨 论了近期LED显示业界关注的新技术。 1 逐点校正技术 亮度色度一致性的提高 为了得到优质的画面,显示屏的一致性和均匀 性是首要目标。造成LED显示屏不均匀的原因是 多方面的,其中LED管的离散性和电路元器件的离 散性是最重要的原因,这种离散性随着时间、 环境温 度的变化还会加剧。此外显示屏制造工艺的偏差和 缺陷也是重要的因素。因此,必须在各个环节上精 心处理才能实现制造一个完美的显示屏的目的。为 了克服管子的离散性,筛选是一个有效的办法。通 过筛选,选择色坐标处于典型的一个档次、 亮度偏差 也在一个档次的管子,在随机分布的情况下,可以达 到使色差和亮度差在人眼可以容忍的范围内。如果 再进一步筛选到更细的范围内,可望得到更好的效 果。有一家国外公司就把同一档亮度的管子再细分 为两档,效果十分明显。当然成本也相应提高了。 国内使用相当普遍的深圳兰普公司的亚表贴模组, 也是一个成功例子,该公司生产矩形三基色管组成 的显示屏模组基本上没有马赛克现象,据了解主要 的手段是筛选。同样还得益于采用矩形管,矩形管 的方向性曲线一致性要比球面或椭圆形管子好得 多, S MDLED也是一样。天津星球光电公司最近建 成的点间距8mm的贴片全彩屏幕面积90多平米, 使用的S MDLED多达150kk,是OSRAM提供的同一 档次的产品,该厂以这些管子制成的显示屏均匀性 也非常令人满意。这当然也得益于模组制造和屏幕 安装技术。该公司是国内屏幕租赁最成功的厂商, 在工艺和架设拆收方面比较有经验。 为了达到更好的亮度和色度的均匀性,许多厂 商研究色度和亮度的修正技术,即逐点修正技术,这 也是目前业界关注最多的技术。 逐点修正方法,就是通过精确的控制像素的三 基色发光二极管的驱动电流的方法,控制像素的亮 度和三基色的配色关系,使得显示屏的所有像素的 光强和色调一致。逐点修正方法原理并不复杂,但 是实行起来却相当困难。必须测出每一个像素的三 作者简介:李熹霖(1939 - ) ,男,研究员级高级工程师, 1963年 毕业于清华大学无线电电子学系,长期进行数字信号处理和平板显 示技术的研究,中国电子学会高级会员, IEEE高级会员。lxl_mail sina. com 收稿日期: 2006210224;修订日期: 2006210227 基色LED的实际光强和色坐标,并进行亮度差和色 差的计算。从而计算出每一个像素的三基色驱动电 流的修正量,反馈到控制电路,实现对该像素的修正。 当选定屏幕或模组的一个像素,以它的亮度和色 度作为基准,可以计算出各个像素的亮度及色度与这 个基准像素的偏差。偏差容忍度的选定则要根据总 体考虑来确定。亮度和亮度差的计算应在CIEl931 色空间进行,而色度差的计算应在CIEl976LUV空间 中进行。 实现逐点校正有两个必要条件:第一,能够足够 精确地测出每一个像素点的亮度色度,并计算出其 偏差;第二,控制和驱动电路能够通过调整三基色的 驱动电流,使偏差减少到允许的范围内。 显示屏有数以万计的像素,要在短时间内完成 测量计算反馈控制的任务是一个非常高的要求。已 经建成的大屏,大多数不具备实时校正的能力。因 此,实现逐点校正,必须在系统设计和工程实施中制 定出完整的解决方案。 必须说明,逐点校正既不能解决因三基色LED 方向性特性不一致导致的不均匀,也不能解决因管 子特性差异过大所产生不一致性,更不能解决因安 装或处理工艺不良(如管子法线方向的偏离)造成 的不均匀,相反,它是适用于其它制造和安装条件都 非常好,而仅仅是由于管子及其驱动电路的光电学 特性的不同所引起的亮度色度的不均匀。例如,深 圳雷曼光电子公司拥有的专利技术使生产的LED 管,其三基色的方向性一致性很好,用这样的管子做 成的显示屏,如果加上逐点修正技术,相信能够达到 非常好的一致性和均匀性。那种通过逐点校正技 术,用很差的管子造出优质的显示屏,从而降低管子 成本的想法是错误的,笔者认为,逐点校正技术是制 造高档全彩屏的重要技术手段,适用于用良好的元 器件和工艺制作的显示屏,进一步提高其均匀性的 作用,它特别适合于对出厂时一致性很好的显示屏, 在工作一段时间后因LED管的光电特性衰减差异 而引起的不一致性的现场校正。实际上由于LED 的衰减和环境温度等因素的变化,原先非常优秀的 显示屏性能变差的现象几乎是不可避免的。因此使 显示屏具有现场校正的能力,而不需再运回工厂进 行校正,是非常有价值的。 2 色域修正 改善色保真度 我们知道,在CIEl931图中LED三基色的色坐 标所构成的三角形代表着LED显示屏所能表现的 颜色,即它的色域。这个色域比现行的电视信号的 色域要大得多,特别是在蓝绿色范围内尤其明显。 很显然,如果在显示屏中直接用电视视频的 RGB三基色信号去控制LED三基色的发光,将产生 显著的色偏差,使得LED显示出来的图像与原图像 的颜色有明显的失真,其主要特点是景物会显得过 分鲜艳,这种现象在现场转播的情况下特别明显。 进行色域的修正,同样需要对色差进行定量的 分析,同时还需要确定修正的策略。这里包括显示 的具体内容、 观众的喜好、 成本以及其它的考虑因 素,笔者推荐的是在白平衡色温一致的条件下,使 红、 绿、 蓝、 青、 黄、 品红的色差最小的方法,也有人提 出采用仅进行人的肤色修正的方案,当然还会有各 种解决方案,不过,大多处于研究之中。 除了修正三基色的色域之外,还研究了多基色 显示技术,旨在扩大色域。例如,常用的三基色 LED,不能重现交通信号所需的黄色。上海三思公 司的高速公路可变情报板,在全彩显示模块中使用 四基色,在单色模块中使用单黄色,保证了在全屏显 示黄色文字的时候没有色差,该技术已获得国家专 利。 在大屏幕平板电视中,等离子、 背投影和液晶电 视机的竞争已持续多年。看来,液晶电视取得了优 势,超越了它的竞争对手。这里,用RGBLED取代 冷阴极荧光管作为背光源也是实现这一突破中的重 要的步骤。 更引人注目的是,由于LED的色域是现行的传 统的彩色电视的色域1. 8倍,也就是说,它能够表现 比传统电视丰富得多的颜色,为此有关组织已经制 定的新的电视标准xvYCC,可以预见,它将引起彩 色电视的革命性的变化。也给LED和LED显示技 术带来了前所未有的机会和挑战。应该说对于 LED和LED显示界而言,其意义也是不可估量的。 它开创了LED和LED显示技术进入千家万户的新 局面。 分析证明,为了用RGBLED作为大屏幕和超大 尺寸的液晶电视的背光源,必须解决的问题有: (1)超高亮度(超过10000cd/m2) (2)极高的亮度和色度均匀性 (3)自动补偿色温的漂移 (4)亮度的调整 (5)降低功耗和散热 目前超过100寸液晶电视机已经面世,并进一 步的完善和降低成本,LED和LED显示业界是可以 大有作为的。 3 新一代多媒体接口 使用完美的视频信号 在视频屏方面,对于图像质量的不懈的追求,也 是LED显示技术不断进步的动力。这就引起了对 信号源的改进的要求。 3901激 光 与 红 外 No. 12 2006 李熹霖 备受关注的LED显示新技术 迄今为止, LED的视频源绝大多数是PC的显 卡输出,VGA接口或DV I接口,一部分厂商使用外 购的或自己开发的视频处理器,但接口仍是DV I。 这两种接口三基色的数位都是8位,这限制了图像 的颜色阶是8位,或能表现16. 7k色。在LED显示 中,常常有厂商宣称有10位或12位甚至更高的位 数,实际上是指在处理过程中的位数,如在伽玛修正 时可以用更长的位数。专用的视频处理器有可能将 信号量化到8位以上,并且用长的位数进行处理。 但是,从DV I取得的信号就只有8位,因此同屏能 够显示的颜色就是16. 7k色。 的确,现在的DTV和HDTV标准也是8位数 位,但是对于数字电视画质的追求,从一开始就研究 更多数位长度的问题。随着屏幕尺寸的加大和分辨 率的提高, 8位的字长已经不能满足需要;事实上, 在视频压缩和传输过程中不可避免的噪声引起的处 理杂点,各种信号处理技术在改善图像的某些方面 的同时也会引进杂点,有限字长在处理过程中的舍 尾造成的处理噪声,LED显示中最常遇到的图像缩 放处理等也造成图像质量的损失,等等。这些处理 噪声最终都会在屏幕上显示出来。对于大屏幕或超 大屏幕和高分辨率的平板电视,这些会变得更严重。 至于LED大屏把图像放大了数十甚至数百倍,图像 放大的同时图像源的缺陷,如噪声、 杂点、 抖动、 闪烁 等也被放大了。 为了得到更好的图像质量,已经推出两种显示 接口标准,即HDM I和D ISPLAYPORT标准,实现视 频画质清晰度的提高和音频/视频的安装简化。 高清晰度多媒体接口(HDM I, High Definition Multimedia Interface)是在DV I基础上发展起来的, 主要针对消费电子产品。特别是,今年6月推出的 HDM I V1. 3被认为是下一代PC和消费电子的共同 的显示标准。它用一根电缆把视频源的非压缩数字 视音频信号传送到HDTV, HDMl支持 ” 深色 ” (DeepColor)技术。能支持30bit、36bit甚至48bit RGB,把能够显示的颜色从16. 7M增加到10亿色 以上。能够准确地再现前所未有的丰富的颜色。有 更高的对比度和更高的灰度等级,使亮度和色度之 间的过渡更为平缓,消除了屏幕上的色斑,消除了视 频压缩解压和各种处理产生的杂点,因而图像更加 自然清晰。 VESA发布的D ISPLAY PORT主要是针对PC 和显示器的接口标准,带宽达到10. 8GHz,支持QX2 GA (20481536) ,色深为30位,D ISPLAY PORT还 是一个开放的无版权的标准,可以剪裁,能够集成到 显示器内部。同样也支持宽带无损失的音频和使用 小巧的接头。 目前HDM I已经在多家知名公司的HDTV中使 用。联想DELL SAMSUNG HP等的PC也支持D IS2 PLAYPORT接口。相信很快这两种接口标准会成为 通用的标准。新标准的采用,使得LED显示有了更 好的视频信号源,显示的画面质量会大幅度提升。 同时新标准的高的技术指标对于LED显示厂商也 是一个挑战,不仅接口,而且处理技术也会有许多新 的技术难点需要克服,获得先机的将赢得更多的机 会。 4 嵌入式系统 智能化和高可靠性 嵌入式系统正越来越广泛应用在各个领域,对 于大多数LED显示屏而言,采用嵌入式系统是最佳 解决方案,例如,对于图文显示屏,将控制器、 通讯接 口、 网络接口以及其他相关硬件与屏体集成在一起, 组成一个满足规定要求的可靠廉价的智能显示系 统。软件和显示节目内容或者固化为固件,或者在 启动的时候远程加载。实时显示各种信息。可以真 正实现无人值守。各种智能型LED显示屏,现在已 经广泛用于交通金融等领域。实际上,大多数商业 广告显示屏,包括播放事先制作的视频节目的全彩 屏,都可以采用嵌入式的解决方案,而且其性能价格 比将远高于现用的非智能型LED显示屏。对于要 求进行现场转播的全彩屏,可能难度会大一些。 目前作为LED显示屏的嵌入控制系统,基本上 有三种,即单片机、 工控机和基于ARM7处理器的 嵌入式系统。 (1)单片机是最简单最廉价的方案,在像素数 不是特别多或显示画面要求不太高的情况下,可以 获得最佳的性能价格比,今后在许多应用中仍然有 很大的使用空间; (2)使用工控机的解决方案。工控机是专为工 业环境设计的计算机,它的板卡、 电源、 机箱等都经 过加固设计,有较高的可靠性。系统的配置,可以根 据显示屏的性能要求,选择合适的部件实现。 实际上,许多LED显示屏都采用工控机做播放 控制机,主要是为了达到较高的可靠性。这时,它与 通常的PC机并无不同,但可靠性高,当然造价也 高,而机箱常做成标准尺寸,常常较普通的PC机更 大些。操作系统绝大多数使用M ICROSOFT W I N2 DOWS。 使用W I N PC作为显示屏的控制器有一半是出 于无奈,就LED显示屏的控制而言,其实处理和控 制都比较简单,而现在的PC集成了极其庞大的资 源,对显示来说都用不到,而且随着操作系统的提 升, PC的硬件配置越来越高,集成到W I NDOWS的 4901激 光 与 红 外 第36卷 软件也越来越多,这些都增加了系统的成本,以致于 在许多情况下PC机和操作系统的成本占整个显示 系统的比例过大。同时W I NDOWS的安全隐患也对 显示系统的正常运行形成威胁。因病毒攻击导致系 统无法工作的事情屡见不鲜。 开发以L I NUX操作系统的PC是一个好的解决 办法,L I NUX的核是开放的,L I NUX可以裁剪,可以 针对使用的需求进行配置,可靠性安全性也比W I N2 DOWS好; (3)基于ARM处理器的嵌入式系统,近两年在 嵌入式LED显示系统中得到大量的应用,主要使用 的是基于ARM7的。今年开始开发基于ARM9处 理器的应用,目标是高端应用。 ARM系列处理器的主要用途是网络设备(如路 由器)和个人移动通讯,也用于各种智能控制设备。 在显示屏中的应用,是我国LED显示业界努力探索 和开拓的成果,着眼点就是它的小体积、 低功耗、 低 成 本、高 性 能。基 于ARM7的S3C4510B和 LPC2210 - PACK应用最多。ARM9采用90nm工 艺,比ARM7有更多的门数。采用哈佛体系结构, 流水线从3级增加到5级,主频可达200MHz,因而, 处理能力提高1. 82倍。ARM9处理器还拥有 DSP处理能力,用于信号处理十分方便。有望用基 于ARM9的微处理器实现嵌入式的LED视频显示 屏。 ARM基嵌入系统的开发重点在于应用软件。 供应商提供了开发套件,但是具体的应用软件必须 开发和积累。令人鼓舞的是,在智能交通系统的应 用中,北京四通、 上海邦达、 深圳新洲等都取得很好 的成绩。南京德普达公司与江苏亿科达联合开发的 嵌入式银行信息显示屏,近百块双基色显示屏,有半 数使用ARM 7,运行一年多,故障率远比工控机系 统低。 5 曲面屏和异型屏 不仅仅是结构问题 传统的LED显示屏是平面型,但是有的应用要 求是曲面,例如建筑物外形是弧形,安装在上面的显 示屏必须也是相同的曲线。作为演出舞台美术的布 置的显示屏,造型必须满足整体布局的要求。大型 展览会(如汽车展)上作为背景布置,商业上用LED 做的店招或三维LOGO,等等,都是用的曲面屏或异 型屏。 国内已经建造了若干弧形屏,都是用平面的模 组来拼接的,如果曲率半径足够大,自然可以实现, 但效果不够理想,首先拼缝明显,而且视角变化不连 续,显得不自然。 实现曲面屏和异型屏的方法是开发很小的显示 结构单元,例如由4个像素组成一个小的单元。这 4个像素的12个LED及其驱动电路,或者还有某些 逻辑功能,集成起来,构成最小显示单元,由扁平电 缆连接,采用快锁装置,可以不用工具或只用简单的 专用工具就能迅速地拆装。将若干个这样的单元装 进所需形状的框架里,就组成特定形状的模组,与平 面结构一样,这种模组是基本的控制和分配单元。 这样就可以用它们组成任意形状的屏幕。 显然,这样的曲面或异型屏的解决方案,不仅是 结构问题,还要导致系统控制和驱动流程的变化,有 的还需要开发专用的控制软件。 把最小显示单元做成特殊的形状,如圆球形、 椭 圆形、 棒形、 星形灯,将它们组装起来,在软件的控制 下,中可以实现各种创意,用于灯饰(亮化工程)。 其效果是其它亮化器件无法达到的。其市场前景也 远大于狭义的图像显示(有时被称为图像放大)。 结构工艺方面,近年各主要厂商都有长足的进 步,目前值得关注的是室内屏的前维修和户外屏的 防护处理两个问题。此外, S MDLED在室内恶劣环 境(如游泳馆等)和户外的应用,如何进行防护也是 非常有意义的课题。 6 结 论 本文讨论了近年来LED显示的几个感兴趣的 技术问题。相