谈LED全彩色显示屏的应用和技术指标

形象工程：瞄准国际一流水平

    今年以来，LED全彩色大屏的市场需求呈现迅速上升的势头，春节刚过，大项目就开始招标。四五月份，虽然遭受非典的影响，但只是使实施计划推迟，而不是项目被撤销。非典过后，形成许多项目加紧实施的局面。各主要LED大屏厂家的签约金额与去年同期相比增长20％，有的甚至较去年几乎翻了一番。还有许多新进入全彩大屏领域的公司，成绩也很优异。与往年比较，今年市场萌动得早，大项目多，已经实施的千万元以上的项目就有十几个。进入三季度，许多重大项目进入招投标阶段。另一个特点就是由企业投资的项目明显增加，这些项目包括在商业广告方面的应用。可以说，LED大屏作为商业广告媒体，在沉寂了近十年以后，再一次受到广告界的青睐。同时，全彩屏出口的形势也令人鼓舞。九月初，在深圳举办了一年一度的光博会，这次展会，是一年来LED产业的大展示。LED大屏，LED照明，LED交通信号灯，LED生产设备、测试设备等琳琅满目，说明我国LED产业的新高潮已经到来。笔者认为，本次展会是一个标志，标志我国LED产业走到了一个国产化的转折点。国际知名的LED发光管厂家，屏幕厂家，也开始大规模地转到中国内地，中国内地将成为LED及其产品的制造中心。广阔的市场、良好的投资环境、低廉的劳动力成本，使得中国逐渐成为世界电子工业的制造中心。正如电脑，手机，电视机等电子产品一样，中国也是LED大屏业的制造中心。

    作为长期从事LED大屏研发的科技工作者，笔者一直关注我国LED大屏事业的发展，关注国际大屏显示业的新成果。三年前，笔者在《LED大屏发展刍议》一文中，谈到我国LED大屏的几个应用领域和特点，并提出全彩大屏在我国主要是形象工程。应当说这个总格局没有变化，但是商业广告的需求增加也是非常重要的发展趋势。可以说，我国LED全彩色大屏行业正在迎来一个新的高潮。认真地研究市场发展和技术进步的新情况，采取正确的对策，抓住机遇，迅速提高并持续发展，应是同行值得研究的问题。在这里冒昧地提出有关技术指标等问题，希望同行和专家指正。

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    形象工程就是指建造大屏的主要目的是为城市或某一个重大活动增添风采，它并不直接创造经济收益，但是能提升城市知名度，塑造城市形象，改善投资环境，营造商业氛围，有利于经济的发展，有良好的社会效益，从而间接地创造经济效益。形象工程主要是政府投资，着重于社会效益，而不是或主要不是通过商业运营取得经济效益。近年在全国许多地方建造的城市中心区大型广场或市民休闲广场的LED大屏，就是典型的形象工程。大量的体育场馆LED显示屏，是现代化体育场馆必备的配套设施，也属这一类。

    既是形象工程，就必然追求尽可能完美的性能和效果，特别是优质的视频图像。通俗地说就是要做成巨型彩色电视机，这也是国内许多厂商长期以来一直在努力的，而且也取得了相当大的进展，但是距离我们的理想的目标还很远，与国外的全彩大屏相比，差距还很大。

    今年年初，南京市湖南路商业一条街，投巨资建造了一座面积达114平方米的全彩大屏，该屏由英国UNITEK公司建造，至今已运行半年多，从效果来看，堪称目前国内最好的大屏。笔者参与了该屏技术指标的制定和最终的验收测试工作，感到有许多方面是值得国内同行学习和仿效的。

    作为全彩大屏，其关键技术指标有：足够高的亮度、观看距离及视角；良好的色还原度；足够高的灰度能力；足够高的扫描刷新速率。足够高的视频信号处理能力，特别是，一致性要好，结构工艺等也要下大功夫。湖南路大屏在招标时所定的技术指标是：

    白平衡亮度大于5000cd／m2；

    白平衡色温6500K；

    视频处理位数大于10bit；

    灰度级每种基色大于10bit，  能显示10．7亿色；

    刷新频率大于400Hz；

    显示屏无可觉察的色差，全屏各基色色差小于4nm；

    显示屏无可觉察的亮度差，相邻象素亮度差小于5％，显示红、绿、蓝单色灰度画面时，没有可觉察的马赛克现象；

    MTBF大于5000小时，MTTR小于30分钟；

    客观地说，这些指标，不仅在当时，就是在今天，国内厂商的产品还没有完全达到。在许多情况下，由于发光管水平的提高，正常设计的大屏亮度已不成问题，能够达到要求。但是亮度只是一个重要指标，而不是全部。现在大家普遍感觉到国内厂家的大屏亮度有余，柔和不足，总体效果不如国外知名厂家，原因就在于有更多技术问题还没有解决好。笔者认为，从技术角度，有必要在以下几方面下功夫。

    (1)配色和混色

    大屏是由大量的发光二极管组成的，必须对所用发光二极管的光电参数进行设计、计算和测试，才能达到良好的白平衡。简单的估算和凭肉眼感觉判断是不可能有好效果的。这里涉及到发光二极管的选用和驱动设计，不仅影响屏幕的光电性能，而且影响可靠性。特别是在室内全彩屏的设计中，热设计应引起足够的重视，否则效果和可靠性都会成问题。

    (2)色差校正

    由于色坐标的差异，电视视频信号的色域与LED的色域存在差别，造成播出的电视节目颜色显得不真实。所以，色坐标的校正十分重要。校正的转换计算比较复杂，难于用软件完成，从各厂家的产品来看，尽管大家都声称有这种色校正功能，恐怕都没有做到色校正。

    (3)一致性

    全彩大屏的最大难点就是一致性，或者说最容易被观众觉察的毛病就是一致性不好，屏幕显得一块深一块浅，俗称马赛克现象，是最令人反感的。造成一致性不好的原因是多方面的，包括选用的发光二极管、驱动电路、结构设计和施工等。但是，除非所用发光二极管的离散性太大外，否则一致性的问题主要是设计和施工问题。湖南路大屏，观众的第一反映就是观察不到马赛克现象(严格地说，是很轻而不是没有，普通观众与专业人士的观察有一些差别)。这块大屏在结构工艺上非常有特点，没有采用国内普遍使用的模组灌胶等办法，值得研究。通常，发光二极管厂家把发光二极管按亮度和色品分成若干档，同一档的差异是可以通过精心地设计和调试解决的。结构设计和施工不良，是造成马赛克现象的另一大原因，而且往往到大屏安装完毕，投入运行时才会发现，已无法补救了，所以应当特别下功夫。如果说，国内厂家显示屏在电气指标上存在一定差距的话，那么在结构和工艺上的差距就大得多，这些往往严重地影响显示效果。

    (4)灰度等级

    湖南路大屏和国外众多大屏的经验证明，灰度级必须足够高。目前高档产品普遍为同屏

显示1024级，10．7亿色。国内大多是256级，差距甚远。许多厂家提1024／2048／4096甚至16384级编码，256级非线性显示16．7兆色。有一种意见认为，256级非线性灰度对于大屏应当足够，因为HDTV标准也是规定256级灰度。据笔者测试，并非如此，实际效果相差很大。事实上要实现1024级以上的灰度，技术难度会增加许多。简单地计算一下就会明白。当刷新频率为400Hz时，非线性灰度为1024级，亮度调整等级为32级，这时如果丫修正系数为2．8，PCM的最小调宽脉冲的宽度应为10ns左右，已经达到驱动电路的带宽极限。实际上是无法实现的，要考虑调幅与调宽复合使用的办法。同样还有传输带宽的问题，当屏幕行列数多，刷新频率要求高(例如400Hz以上)时，数据的传输难度也会增加，有时必须采用光纤传输，才能保证图像的质量。所以，灰度从非线性256级到非线性1024级，在技术上需要一个跨越。

    (5)数字处理能力

    要得到优质图像，必须有高质量的视频信号源。对于一般的大屏用户，所能得到的最好信号就是广播电视信号，DVD、VCD等只是家用级的。因此，对输入信号进行数字处理、提升图象质量就是必不可少的了。事实上大家都有这样的体会：播放经过挑选的节目时，显示效果是非常满意的，但如果是实况转播电视节目或放映VCD／DVD，难免有各种画面和镜头，例如夜景等暗画面或大面积的高亮度明亮画面，那时效果就要大打折扣了。怎样才能在各种画面和镜头下都有满意的效果呢?这就要靠数字信号处理，例如数字梳形滤波，滤波降噪，边缘锐化，远动预测和补偿，色度修正，非线性修正等等。特别值得一提的是比例缩放(SCALE)处理，是LED大屏的特殊问题，要由大屏业界下功夫研究。由于大屏象素总是少于视频信息源，在播放时必然遇到比例缩放问题，采样和重现中的损失以及造成的混迭和缺陷会造成图象质量下降。如何减少和降低损失，需要数字信号处理技术。数字图象处理技术已经取得很大的进展，有许多成果，例如大尺寸电视或投影中的技术成果，可以直接运用到大屏显示中来。数字处理系统的处理能力集中体现在处理位数和处理速度上，运用DSP或高档FPGA是必然趋势。

    (6)可靠性和寿命

    可靠性是显示屏的生命，无论是用于形象工程，还是用于商业运行，稳定可靠都是至关重要的。可靠性指标由平均无故障时间(MTBF)和平均修复时间(MTTR)来表述。MTBF10000小时是一个非常高的指标，实际上也不一定需要。不少厂家下了大功夫提高系统的可靠性，但是究竟达到了什么水平，并不能提供有说服力的数据。目前，国内还没有对大屏进行过可靠性测试。可靠性的基础是严密的可靠性设计和严格的质量管理控制。显示屏是一个大型电子设备，在保证有良好的日常维护和定期保养的条件下，可以把MTBF指标要求降低，从而节省成本。道理很简单，如果不要求大屏长期连续运行，而是间歇工作，而在间歇期，通过维护保养，把故障苗头消灭，使系统始终处于良好的状态下，那么，就可以保证正常工作期间不发生故障。这样，1000小时的MTBF也能使系统稳定可靠地运转。湖南路大屏，从开通以来，已经正常运行了八个月，主要指标没有明显的下降。这不仅是因为系统可靠性较高，还因为维护保养做得好。更为突出的是，大屏的结构设计和备件配备得好，MTTR可以达到15分钟，这一点特别值得我们效法。

2商业广告：力争最佳的性能价格比

2  商业广告：力争最佳的性能价格比

    最引人注目和令人鼓舞的是，用于商业广告等的全彩大屏正在兴起一轮新的热潮，这既是经济发展的要求，也是技术进步的结果。笔者认为，在这高潮面前，采取正确的经营策略和技术策略是保证可持续发展的关键。首先，应对用户和受众进行必要的引导，以保证持续发展和更上一层楼。

    从技术角度来说，笔者认为，不是追求画面的最佳，而是追求性能价格比的最佳。以文字，动画和经过处理的图像画面为主，不要把重点放在视频上，甚至不要求播放实时电视节目。

    商业运营讲究的是经济效益，作为广告媒体，要能吸引受众的注意力，得到广告主的认可。一句话，必须是大屏制造商，广告经营商，和广告主都从中获益。在各种广告媒体中，大屏的优点是它的变化快，鲜艳夺目；缺点是投资大，成本高，价格贵。如何降低成本，降低造价，近年有许多很好的方法，这里想就技术指标的问题提出一些看法。

    (1)功能：广告的目的是宣传，吸引眼球，给受众建立深刻的印象，画面精美是重要的，但并不是只有视频或电视节目才是最好的。通过各种创意，变化等手段同样可以收到好的效果。霓虹灯的变化就很有限，而且就那么几种花样变来变去，效果并不差。大屏的表现形式多于霓虹灯，足以做广告用途。那种必须有全彩色视频效果，才能表现大屏的想法是片面的。事实上，在美国，视频大屏也并不多，集中在某些地方，例如纽约时代广场，赌城拉斯韦加斯等。为了避免分散驾车人的注意力，美国法律不允许快速变化的广告。文字和简单图形配合变化应该是更有销路的广告。动画(如FIASH)可能是最好的表现方法。在我国，习惯上把大屏分为同步屏和异步屏两类。同步屏就像计算机的监视器，变化多，功能全，但效率低，工作时需要一台计算机和通讯始终运转。异步屏是单片机或嵌入式系统控制，显示的内容一次写入，直到下次更新时为止。高档处理机同样能实现灰度和视频效果，异步屏在许多情况下更适用于广告和信息变化较慢的情况，但还没有为广大用户接受。

    简单的单片机或小型嵌入系统处理能力低，在显示的灰度级和刷新速度方面也会低一些。但在表现文字、动画以及画面的多种变化方面，仍然有足够的能力。

    (2)亮度：众所周知，在户外阳光直射的条件下，需要5000nit的亮度，在室内1000nit左右就够了，还有半户外的介乎中间，这些已是业界的共识。可以想见，户外大屏如果只在夜间工作，亮度指标就可以大大下降，造价当然大幅下降。这就是说，如果大屏，白天不工作，晚上显示，作为商业广告，应该是好主意。事实上，霓虹灯就是目前应用最多的户外广告媒体。霓虹灯的亮度比LED大屏高得多，但是人们并不要求霓虹灯白天开，那末为什么要求大屏白天工作?而且要在阳光直射下播发视频节目清晰可见呢，其实这里就有引导用户的问题。况且夜间的受众比白天多得多，岂不是事半功倍。台湾．一家公司推出的一种广告牌，白天是固定画面，晚上是全彩活动画面，成本只有常见的户外全彩屏的三分之一，就是一种聪明的做法。

    (3)分辨率：分辨率或称解析度取决于象素密度，显示屏的成本中，象素的成本占到一半以上。因此，减少象素成本是最有吸引力的，象素分裂技术或动态象素技术就是常用的办法。动态象素技术并不是新技术，至少已用了十年以上，它通过对象素的组成共享的办法，使视觉分辨率提高若干倍。例如，最常用的2R1G1B的共享，可使间距为d的大屏的视觉分辨率提高到d／4的效果，其结果是可以用较少的像素显示较大的画面。但必须指出的是，视觉分辨率为d／4的动态象素屏并不等同于d／4物理分辨率的大屏，国内许多厂家在宣传动态象素技术时，有时是言过其实的。动态象素技术的实现方法多种多样，都是利用残象原理，就是利用人眼的视觉暂留，可以用较少的像素显示较大的活动画面。但必须指出，动态象素技术用较少的像素显示较大的画面时，由于混迭的影响图象会模糊，清晰度差，有时会闪烁，不可能和实象素一样好。

    去年，日本东京涩谷一座大型商厦，建立了一座大小有六层楼高的电子显示屏。该屏装在玻璃幕墙内侧，不影响大楼的外形和采光。晚上播放视频广告时，透过显示单元的间隙，可以看到大楼内部的灯光。由于避开了户外工作的苛刻条件，造价也大大降低。其点间距很大，采用了残象技术，象素数仅为实象素的四分之一。  效果虽不能与全点阵屏相比，但比纽约纳斯达克大屏，省钱又有新意，值得在有条件的地方推广。

    值得一提的是深圳天辉公司的混色全彩屏，不是用减少象素的方法，而是用减少价格高的纯绿纯蓝管的办法，再通过巧妙的结构安排，获得了相当不错的混色的效果，其性能价格比较高，有利于全彩屏的普及应用。这种方法的理论是根据人眼对于亮度的分辨率力高，而对于颜色的分辨力低，彩色电视就是利用这个原理减少带宽的。不过，众所周知，在三基色达到白平衡时，绿色的贡献最大，因此减少绿色管，势必影响屏幕的亮度，所以这种方法不适用于要求高亮度的场合。

    (4)可靠性和寿命：关于可靠性，前面已经讨论过，这里谈一下寿命问题。寿命是指系统到了不能恢复到规定的技术指标的时间，它与可靠性有关，但不是同一个概念。大屏的寿命主要取决于发光管的寿命。发光管的寿命是指发光管的光强下降到标称值一半的时间。长寿命发光管，如同电子器件中的军用品一样，价格要高得多。发光管光强的衰减与管子的品质、工作电流和工作环境关系很大，即使是名牌长寿命管，若工作状态不恰当，寿命也会缩短，这些都与成本有关。几乎所有的厂家都把发光管的寿命当作大屏的寿命，实际上是不对的。大屏的寿命究竟应当是多少，也是一个性能价格比的问题。计算商业运营屏的投资和回报，有一个最佳的比例。多数情况下，要求100000小时的寿命不仅是不现实的，也是不必要的。

    (5)其余的技术指标，例如灰度级，刷新频率和动态范围等：数据带宽对于商业广告用的屏，都应当从性能价格比的角度来选择，这里就不多说了。有人把大屏分为广播级，专业级，多媒体级，和简易级四个层次，从功能和视频效果来分，是比较科学的。应当根据实际应用要求和投资水平来选择最适合使用的大屏。形象工程选用广播级或专业级的，商业广告以多媒体级的为主，简单的文字图形可以用简易级的。由于大屏工程通常都要招标，业主在招标前应当确定建造什么样的大屏，在一个切实的基础上进行竞争。有的厂家提出不切实际的指标，有哄抬指标和误导业主的嫌疑。厂商以科学、诚信的态度和经营作风对待业主，对待产品，才是真正的发展之路。相信我国显示行业会健康持续发展，我们对未来充满信心。