提高LED显示屏显示效果的相关技术分析

　　近年来，全彩色LED显示屏在体育场馆、道路交通、广告宣传、租赁等方面的应用出现快速增长的趋势。据美国Standford Resources对led显示屏产品国际市场概况的预测，当前和未来市场上对LED显示屏产品的采用将会以全彩高画质为主，因此需要在LED大屏幕显示控制技术和新产品设计方面随时把握市场趋势，攻克高端产品的相应技术难关并完成高端新产品的研制。

　　本文结合国内外LED显示屏技术，重点阐述影响LED显示屏显示效果的相关指标及关键技术的发展趋势。

　　二、LED显示屏技术指标的提升

　　全彩色LED显示屏的灰度等级、对比度、刷新频率等技术指标的高低直接影响全彩色LED显示屏的显示效果。

　　1、灰度等级  

　　灰度等级是指LED显示屏单基色亮度中从最暗到最亮之间能区别的亮度级数，LED显示屏的灰度等级越高，颜色越丰富，色彩越艳丽；反之，显示颜色单一，变化简单。灰度等级的提高，能大大提升色彩深度，使得图像色彩的显示层次呈几何数量增加。Daktronics公司的LED灰度控制等级为14bit~16bit，使得高端显示产品的图像层次分辨细节和显示效果均达到了世界先进水平。随着硬件技术的发展，LED灰度等级还会不断的向更高的控制精度发展。

　　2、对比度的提高

　　对比度是影响视觉效果的关键因素之一，一般来说对比度越高，图像越清晰醒目，色彩越鲜明艳丽。高对比度对于图像的清晰度、细节表现、灰度层次表现都有很大帮助。在一些黑白反差较大的文本、视频显示中，高对比度LED显示屏在黑白反差、清晰度、完整性等方面都具有优势。对比度对于动态视频显示效果影响要更大一些，由于动态图像中明暗转换比较快，对比度越高，人的眼睛越容易分辨出这样的转换过程。

　提高显示屏对比度两种主要方法：

　　(1)  提高LED显示屏亮度

　　LED显示屏亮度在某些场合，并不是越高越好。比如室内显示屏，如果亮度过高，形成光污染，对观察者的视力造成伤害。

　　(2)  降低LED显示表面反射率

　　主要是在LED面板及LED发光管进行特殊工艺处理，降低LED面板反射率，从而提高LED显示屏对比度。

　　Barco公司推出NX系列点间距为4mm的LED全彩色高端显示屏，从原始工艺的950:1提升至4000:1，使产品在对比度这个关键指标上有了很大的提升。

　　如图1所示，（a）左侧为传统工艺的LED发光管。一般为黑色面碗LED发光管，管芯为白色。（a）右侧为Barco公司采用新技术，使用黑色管芯，有效提高了对比度指标。（b）图为采用新工艺的P4间距SMD显示屏模组。

图1

　　3、刷新频率

　　刷新频率是LED显示屏显示内容每秒被重复显示的次数。全彩显示屏刷新频率低，图像会出现闪烁现象，特别是在视频影像设备拍摄时，闪烁现象明显。因此，需要尽可能提高LED显示屏的刷新频率。

　　Daktronics公司ProTour® （PT）模块LED显示屏的刷新频率为2,400Hz，Barco公司NX-4系列显示屏的刷新频率已达到3,200Hz。

　　所以，提高刷新频率是技术发展趋势。

    三、提高显示屏均匀度技术

　　LED显示屏是由几百万上千万LED像素点组成，由于发光器件本身的离散性，致使显示屏产生亮色度不均匀的现象，严重影响显示屏的显示效果。因此，许多显示屏厂商采用不同的方法提高均匀性。

　　1、LED发光管筛选法

　　为了克服LED发光管的离散性，早期采用筛选办法，使LED发光管的亮度差和色差控制在人眼可以容忍的范围内，该方法造成LED显示屏的器件成本成倍增长，显示效果并不理想。

　　2、一致化校正技术

　　通过精确控制像素的三基色发光二极管的方法，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亮度和色度保持一致。该技术可以彻底解决LED显示屏亮度、色度不均匀的现象，使显示屏的显示效果有质的飞跃。

　　3、LED显示屏后期均匀性校正方法

　　均匀性校正概括为：出厂校正、维修校正、服务区校正及现场校正。从目前市场需求分析看，现场校正的必要性越来越突出。

　　一般来说，当LED显示屏运行到一定时间，所有的LED发光管都会出现亮度衰减，而且三基色管的衰减曲线不一致。因此，它们的亮度也会较出厂前的亮度有所降低。然而，每个LED发光管光电特性的差异，使它们亮度的下降程度产生偏差。于是，当显示屏使用一段时间后，发光管会出现不同程度的亮度衰减，使得像素之间显示不均匀，从而与最初出厂时的屏幕相比，整个图像会呈现一种粒状显示状态，或整体亮度下降。三基色管衰减曲线不一致使白平衡、色温等发生改变。

　　实际上由于LED发光管的衰减以及环境温度等其它因素的变化，出厂时非常优秀的显示屏性能变差的现象几乎是不可避免的。将已安装好的LED显示屏再拆卸运回工厂进行校正，在工程上是不可实现的。鉴于这些特点，显示屏制造商必须进行基于现场的校正，以保证在显示屏的整个生命周期中，始终保持出厂时的显示效果。几种现场校正方法：

    (1)  根据LED运行时间的校正方法

　　这是一种早期现场校正方法，它是根据跟踪和记录每一个LED模块的运行时间来对显示屏进行现场校准。通过大致计算每个LED的工作时间，测定它们各自的平均亮度衰减，估算出不同的校正水平，然后发送至各个LED模块进行相应的调整。这种方法不需要任何人工输入。然而，这种方法忽略了一种很重要的问题，通过运行时间估算出的LED衰减频率并不适合于各个LED。随着运行时间的增加，LED衰减频率的幅度范围也越来越大，在平均基础上进行的校正使一部分LED接近校正水平，然而却使另一部分LED更加偏离。由于各个模块之间的亮度水平不一样，同时又没有有效的方法去调整这些亮度不匹配的模块，因而，在运行时间不同的模块之间进行均匀度的调整时，会产生一系列的问题，并且最为关键的是，这种方法不能实现像素之间的校准。所以，经过这种校正以后，显示屏给人的整体感觉呈现出马赛克现象，不能很好的改善后期显示屏均匀性问题。

图2 SMD三基色随工作时间亮度变化曲线

　　 (2)  基于现场的一致化校正方法

　　为了彻底改善显示显示屏均匀性的问题，需利用专用采集设备在现场对LED显示屏的每个像素点的光色信息进行快速准确的采集，通过相关算法对每个LED发光管的实际衰减程度进行补偿，从而实现真正意义上的一致化校正，即使对于运行不同时间的LED模块也能实现像素级别的校准。经过校正，使显示屏恢复至刚出厂时的均匀显示效果。

图3  户外显示屏现场校正前后比较

　　现场环境与工厂环境有很大的差别，要快速、准确的将LED显示屏上百万个LED发光管的光色信息采集、校正以及以后的LED显示屏的维修，还有很多技术难题需要解决。

　四、LED显示屏专用图像处理器

　　随着LED显示屏广泛应用在各种场合，以往单一的PC机控制LED显示屏显示已满足不了用户的需求。Daktronics公司、Lighthouse公司都已推出LED显示屏专用图像处理器，用以提高LED显示屏的提高显示效果。LED显示屏专用图像处理器主要包括以下几个功能：

　　1、视频信号转换功能

　　支持VGA、SVGA、XGA格式的数字信号或模拟信号转换成LED显示屏专用视频格式的信号。Daktronics公司DV-Link图像处理器的图像效果增强功能，能够将PAL信号转化为每秒50幅图像画面的图像信号，而NTSC信号转化的图像信号达到每秒60幅画面。经过提高的画面播放速度使屏幕上显示的快速运动变得连贯。

　　2、色空间转换功能

　　由于LED显示屏的色空间比现行的电视信号的色空间要大得多，因此，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，严重影响显示效果。图像处理器将NTSC和PAL色彩值转换为LED色彩值，从而保证了视频信号的完美重现。

　　3、可调的GAMMA校正功能

　　伽玛校正可以改善图像暗区和亮区，消除模糊或过渡反差。伽玛校正实现了对图像明暗度的调整，能够增强图像的暗区和亮区在LED显示屏上的效果。

　　4、图像处理技术

　　针对不同的场合，采用不同的图像处理技术对显示屏所要显示的图像进行预处理，用以提高显示屏的显示效果。例如：由于快速运动所引起的图像不连贯的问题，可采用运动图像处理技术，保证了显示屏平滑运动和最佳图像；对角线补偿技术检查视频图像的对角线模式，使图像的边沿变得平滑。图像锐化技术突出了图像的边沿，从而使显示效果更加清晰流畅。

　　五、结论

　　综上所述，提升LED显示屏的显示效果，不能单纯的由显示屏的几个技术指标的高低来决定，还需要有其它一些关键性技术做支撑。在高端产品技术上，国内企业与国际上一些知名LED显示屏生产商还有很大差距。国内企业需要加大在关键技术上的研发投入，打破国外关键技术的垄断，进入高端LED显示屏市场，获得更大的利润空间。