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LED顯示屏發展已經有20多年歷史，與其他LCD拼接、工程投影機等設備一樣，LED顯示屏從誕生開始，就伴隨着技術進步和升級換代，從起步時顯示文字內容為主，到之後的圖文並茂及動態視頻。目前廣泛應用在戶外廣告、舞台表演、展覽展示、球場賽事、會議中心和指揮中心等領域。  ...本文結合LED屏品牌廠家聯誠發10多年的工程經驗，全面地分析了室內LED顯示屏的設計、安裝、測試及維護等注意事項。這裏以多功能禮堂舞台演出實例作詳細說明： 一、項目基本情況 1.1 項目的建設需求 多功能禮堂舞台演出顯示系統分為主屏、輔屏和會標屏3個部分。主屏建設需求是建設大幅面、高清晰度的大螢幕，顯示多個計算機數碼訊號、本會場攝像、遠程監視或異地會商的視頻信號等，實現攝像、講解資料、視頻會議等畫面的顯示，同時還要兼顧舞台演出背景；輔屏建設需求是顯示一個標清信號，實現會議輔助內容的顯示，也可用作演出時的報幕、字幕等；會標屏則需要顯示多種顏色的文字。 禮堂舞台部分寬20m、深17m、高18m， 台口處寬15m、高7.8m ；舞台上方安裝燈光、幕布等舞台機械裝置；台口兩側耳牆距地面3m，寬8m，高6m。設計主屏顯示面積至少72㎡（12m×6m），屏前是主席台會議和演出的場所，屏後則是演員通過和維護空間，第一排觀眾距屏至少17m ；輔屏在耳牆上，顯示面積至少12㎡（4m×3m）。 二、影響室內LED顯示屏質量的關鍵技術 室內LED顯示屏在設計屏體時，要考慮顯示內容、場地空間條件、顯示屏尺寸或像素大三個重要因素，同時要確保生產工藝、技術指標等適合室內實際應用需求，再結合項目造價，進行合理設計。 2.1 顯示屏點間距 視覺顆粒感主要來自人眼有一定的分辨力，在一定距離觀看兩點，當兩點緊密到一定程度時，人眼將無法分辨。近兩年隨着LED顯示屏製造技術的提高，小間距LED屏體解像度不斷提升，室內顯示設計已從初始選擇最小的點距規格方案提升到選擇合適的點距規格方案。  ...表1 將比較典型的聯誠發室內LED顯示屏規格對比，P1.6、P2、P2.5、P3、P4、P5的規格為室內常用規格，「P3」表示像素點距為3mm，最小視距為人眼分辨不出像素點顆粒的距離，但這個距離長時間觀看會損傷視力，最佳視距為觀看螢幕舒適的距離，也是最清晰的距離。 通過表1 對比可以看出，P1.6、P2、P2.5 三種規格，最小視距和最佳視距非常接近大平板電視的觀看要求，整屏解像度高達4800×2400，在同樣的屏體上可以顯示更清晰的畫面，但在12m寬的螢幕上顯示一個高清信號需要放大3～4倍，顯示兩個高清畫面需要放大2 倍；同時高解像度顯示需要高性能的圖像處理設備，系統的整體造價會很高。P4、P5 兩種規格在12m 寬的螢幕上無法同時顯示兩個高清畫面，不能滿足高清會議電視畫面顯示要求。P3 即可滿足同時顯示兩個高清畫面的要求。根據顯示螢幕大小，最終選定性價比較高的P3 作為項目主屏和輔屏的顯示點距，選定P4 作為會標屏的顯示點距。 2.2 封裝技術 決定LED品質的一個因素是主要材料，如晶片、支架、膠水（環氧樹脂）、金線等，另一個因素是封裝工藝。像素封裝技術關係到整個顯示屏的色彩飽和度、視角等顯示效果和生產成本、質量穩定性等，是選擇LED顯示屏非常關鍵的指標之一。 室內LED主流封裝技術主要有表貼SMD、直插DIP模式。表貼是指將封裝好的發光管粘貼在電路板上，然後進行集成電路焊接工藝加工成屏體。它散熱性好、色彩均勻，整個顯示屏可以正面維護，大大減小了維護成本和難度；同時，在封裝過程中進行填充金屬化合物，混色效果好，發光柔和，更適合室內應用。直插模塊是將發光管封裝成長方型，然後把紅綠蘭3 個管拼在一起做成一個像素點模塊，直接安插在PCB 板上焊接，工藝相對簡單、成本較低，壞點率高，主要應用於戶外顯示屏。  ...比 室內屏的像素結構有表貼三合一和表貼三拼一（分離表貼）兩種方式。 三合一表貼是指紅綠藍3 個發光點封裝合成在同一個發光管裏面，近看是一點, 放大看就是3 個發光點分離的一條線，對生產環節的材料和工藝要求高，主要用於小間距、高密度高端LED顯示屏的生產。 三並一表貼（分離表貼）是指紅綠藍3 個發光點是分開封裝的，封裝後排列成1 個像素點，再封裝1 個面罩保護，能防塵、防劃，並能保護髮光晶片。三並一是分離表貼，三點分開供電，功耗小，且可實現單燈維修，成本較低。 一般來說，為了提升室內屏的顯示效果，選用表貼三合一、黑燈技術、金線封裝等。 2.3 LED控制電路的設計 LED控制部分是決定顯示效果的核心部分，控制電路內置高性能單片微型控制晶片。控制器通過內部控制程序向LED驅動晶片發送控制信號和數據，LED驅動晶片接收到信號後，產生相應的動作，從而對每一路紅、綠、藍LED發光晶片實現單獨控制。 2.3.1 驅動系統 LED驅動部分的功能是接收顏色數據並驅動LED顯示屏按該數據所表示的亮度值顯示，通常有恆流、穩壓、恆壓－恆流3 種方式。 恆流驅動電路輸出的電流是恆定的，輸出的直流電壓隨負載阻值變化而變化，整個電路不怕負載短路，但嚴禁負載完全開路。穩壓電路輸出固定電壓，輸出電流隨負載的增減而變化，整個電路不怕負載開路，但嚴禁負載完全短路。先恆壓再恆流方式是最理想的驅動電路，既要檢測LED電流，又要控制LED電壓，有利於提高LED壽命，減小功耗，一般用於高檔LED產品中。 2.3.2 控制系統 LED的顯示效果取決於通過它的電流與電壓的大小、時間等，所以控制系統主要是控制LED的電源輸出。目前，PWM（脈衝調製）控制方式設計的LED電源，轉換效率高達80%～90%，且輸出電壓或電流十分穩定，屬於高可靠性電源。 PWM可以控制LED開和關的時間比例，通過將時間比例劃分為若干等級，使LED顯示出相 應數量的灰度等級（灰階）。三基色的灰度等級的乘積，是顯示屏理論上可以再現的顏色數量，一般為256 級，顏色數達到16.7M，就可顯示24位真彩色的信息。 一般PWM 的頻率大於100Hz，否則在觀看時會有顯示的閃爍和掃描線。現在灰度等級為10 位的大屏，刷新頻率大多為800 ～ 1000 Hz， LED行業最高刷新率為6800Hz。在攝像機正常取景及轉動下，LED屏體畫面顯示穩定無閃爍，而且在最高刷新率下灰階過度順滑，沒有串色。  ...2.3.3 驅動系統與控制系統的組合 LED作為電路的負載，與驅動系統、控制系統的電路連接關係到整個顯示屏的穩定性，一般有串聯、並聯、混聯3種方式。串聯方式是可靠性不高的連接方式，常用於低端產品中，在穩壓驅動電路中，當某一顆LED發生短路時，分配在其他LED的電壓將升高，容易造成更多損壞。 並聯方式適用於電源電壓較低的產品，恆流驅動電路中，當某一顆LED斷開時，分配在 其他LED的電流將增大，容易損壞電路上所有的LED。 目前為了提高產品的可靠性，一般採用混聯方式，串、並聯的LED數量平均分配，分組並聯，再將每組串聯在一起，這樣分配在一串LED上的電壓相同，通過每一顆LED的電流也基本相同，LED亮度一致，同時最好在恆流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過高。 整個顯示屏由多個模組單元拼接而成，為了保證供電和數據的可靠性，也必須採用混聯方式，實現環路備份功能，當某一路電源出現異常故障時，其他電源會自動進行智能均流，從而不影響到系統的正常使用，更有效提升系統的無故障運行時間，減少故障維護時間。 2.4 會議攝像對屏體的特殊要求 雖然高刷新率能夠保證即使在高速攝影機的拍攝下，大螢幕仍能及時響應，畫面轉換、過渡更平滑流暢 ；但在使用過程中會發現，當攝像機鏡頭對準 LED 顯示屏時，偶爾會出現莫名其妙的水波一樣的條紋和奇怪的色彩，並且隨着拍攝角度的變化、攝像機鏡頭焦距的調節，水波紋還會發生一些變化，十分影響直播和錄製的顯示效果，這就是電視攝像數字化帶來的摩爾紋現象。 如果感光元件 CCD（或 CMOS）像素的空間頻率與影像中（LED）條紋的空間頻率接近，就會產生摩爾紋。既然摩爾紋現象是由 LED 顯示屏的固有結構產生的，如果使摩爾紋產生的條件——LED 顯示屏的網格結構或攝像機 CCD（CMOS）的網格結構的其中之一消失，理論上就可以完全消除摩爾紋干擾 [3]。國內公司在 LED 顯示屏表面疊加一層光學處理幕，該幕由特定比例的特殊吸光材料與表面微珠透鏡塗層組成，通過光學幕的使用，使 LED 螢幕從原來的網格狀發光變為連續的面發光，通過對離散的 LED 像素點進行放大顯示，最終在光學處理幕表面形成連續的高清晰圖像，在提高對比度的同時，保留了較高的清晰度，而且消除了摩爾紋現象。 三、室內LED 顯示屏室內安裝設計 3.1 確定安裝位置 主席台寬 15m，兩邊有側台和側幕，設定寬 12m、高 6.2m的顯示屏，既不影響視頻會議顯示，又不影響演出背景顯示，採用 P3.1 規格的產品，可以顯示 1 個滿屏的全高清視頻圖像，也可以同時無損顯示 4 個高清視頻圖像。 屏體的安裝位置與最佳視距、視角有直接關係。GB50464-2008《視頻顯示系統工程技術規範》中數據和像素中心距公式H=k ?d。其中H 為最大視距 ；k 為視距係數，一般取 345；ｄ為字符高度，字符為 16 點陣漢字。根據公式計算，理想視距H ＝ 345×16×3.125 ＝ 17.25m ；最小視距為＝ 1/2理想視距＝ 8.6m。綜合兩個距離，結合主席台的應用情況、會議區攝像及電視的擺放位置，建議第一排首長觀看 LED 大螢幕的最佳距離為 18.3m。 根據人眼的視覺特性，人眼對垂直視角 15°、水平視角30°的長方體看得最清晰，不易疲勞。根據測算，第一排首長距離 LED 螢幕為 18.3m，屏高 6.2m，屏寬 12m，垂直視角α=16°，水平視角β 為 36.3°，效果比較理想。視覺計算如圖 1、圖 2 所示。 經測算，大螢幕安裝在主席台上，屏後安裝維護空間及通道 5m，屏前距主席台邊沿 12m，屏體安裝距地面 1.35m。  ...3.2 安裝基礎設計 LED大顯示屏都是由若干個箱體組成，業界分為簡易箱體和標準箱體（也叫防水箱體，有後蓋）。戶外的屏一般都用防水箱體，戶內多用簡易箱體。 LED 晶片封裝為像素後，按照一定規則排列在電路板上，封裝並進行防水和加固處理，形成一個模組，模組解像度一般為 64×48，多個模組組合封裝在一個箱體中，就形成了箱體單元。每個箱體單元可作為獨立的顯示單元進行通電和數據顯示測試，以某品牌產品 P3.1 為例，箱體單元的參數如下 ：尺寸 (W×H×D) 為0.4m×0.3m×0.1m，解像度為 128×96，重量為 5kg（40 kg/㎡），平 整 度 ≤ 0.2mm， 峰 值 功 耗 120W（1000W/㎡）， 平 均 功 耗40W（330W/㎡）。 3.2.1 電源設計 禮堂屬於重要場所，按二級負荷設計。該項目採用兩路電源同時供電，當發生電力變壓器故障或線路故障時，不致中斷供電，另一路電源能負擔全部負荷。根據《視頻顯示系統工程技術規範》，結合廠方設計參數，LED 顯示屏滿負荷用電功率，按每平方米 1000W 計算。主屏、輔屏和會標屏總負荷為 110kW，平均功率為 36.3kW。按照 LED 電源功耗設計安全規範，電源功率設計時要留有餘量，一般電源的功率＝ LED 的功率 ×1.2，則項目中 LED 顯示屏的總功耗為 132kW。 LED器件抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓的能力。在電源設計時，一是要設計智能配電箱，能夠實時監測整個 LED 顯示屏的負載運行情況，二是在配電前端安裝UPS 或凈化電源，三是對電源線進行合理的規劃。項目的電源配置考慮到 UPS 的功率因數和最佳運行效率，UPS 額定功率為 132/0.8=165kV · A，電源型號為 GES-NT 160kV · A 模塊化 UPS。在地下一層配電室安裝 160 kV · A UPS 和蓄電池櫃（後備時間 0.5h），從總配電匯流銅排壓線引接 120m㎡4 1電纜至 UPS 輸入輸出配電櫃 350A 空開，直接引接至 UPS 輸入，UPS 輸出引接至 UPS 輸入輸出配電櫃 300A 空開，下引90m㎡4 1 電纜引接至 LED 大屏智能配電箱。 3.2.2 LED箱體安裝 LED顯示屏箱體有鐵箱體、鋁箱體和壓鑄鋁箱體，3 種箱體應用於不同場合。壓鑄鋁箱體主要用於高端和租賃，其特點是 ：模塊化，連接簡單，無風扇自然散熱，超靜音，效果較好，本項目採用的是壓鑄鋁箱體。箱體安裝維護支架為寬 12m、高 6.85m、深 0.8m，主屏箱體重量為 2 976kg，箱體維護支架重量與箱體重量大致相同，整個屏體安裝總重量為 6t，承重面積為 9.6㎡（12m×0.8m），每平方米要承受 625kg 的重量，因為舞台下面為沒有支撐立柱的地下室，所以需要在LED 屏體下面安裝一個 12m×1.2m 的承載基礎，擴大承重面積。輔屏重量為 480kg, 耳牆中部有橫樑，填充部分為空心磚，先在橫樑上安裝承重框架，而後把箱體固定到框架上。 LED顯示屏鋼結構架體應嚴格按照確認後的設計圖紙、《鋼結構工程施工質量驗收規範》（GB 50205-2001）及其他現行施工驗收規範要求進行施工，框架、支撐架、顯示屏箱體、控制器箱體等產品構件應安裝牢固、結構穩定、邊角過渡圓滑，無飛邊、無毛刺，各種固定螺栓緊固，金屬構件需接地良好。在北方，人體靜電、電路靜電都會給 LED顯示屏帶來意外傷害，要可靠地實現工作接地，把數字電路等電位與大地相接，建立 LED顯示屏系統靜電荷泄放通道。 3.3 系統安裝調試 LED顯示屏發展到小間距、高密度 TV 屏，物理像素間距已經不是制約其顯示清晰度的主要因素，不能用高顯示解像度替代清晰度。顯示屏的清晰度是人眼對顯示屏解像度、均勻性、亮度、對比度等多項因素綜合的主觀感受，而要達到主觀感受的一致性，首先要 LED各項性能參數一致。這就要在前期元器件篩選、LED參數細分的基礎上，進行後續的精確校正。 3.3.1 屏體像素亮度、色度均勻性要求 在生產製造各環節，對 LED參數的均一性會產生不同的影響，同時在故障板更換後，不進行調整會出現明顯的亮區；為使各種顯示圖像平滑、色彩還原真實、亮度均勻，需要對特定區域特定像素進行逐點亮度、色度均勻性的調整。 3.3.2 色彩還原技術要求 目前各種LED顯示技術儘管一般都採用 RGB 作為三基色，但是三基色對應的色坐標是不完全相同的，部分產品存在色彩飽和度高和色域不完整的問題，需要嚴格按照色彩理論進行光強和色坐標校正，確保顯示出理想純凈的顏色，實現顯示屏的動態白平衡。 3.3.3 快速運動圖像補償技術 LED顯示屏是按逐行方式進行顯示的，而攝像機視頻信號採用隔行掃描方式，在隔行向逐行轉換中對靜止畫面和運動畫面應採取不同處理方法才能既保證靜止畫面的清晰度，又能去除運動畫面的拖尾現象。 3.3.4 單點校正技術 單模塊亮度、色度校正技術可以實現對單個模塊進行亮度和色度的校正，該技術很好地解決了屏體更換模塊後，新模塊與舊模塊之間的色差問題。單點校正系統會對每個顯示屏單元板中的每個像素進行單獨控制，包括其亮度和顏色的控制，以獲得前所未有的均勻度，生成最為清晰的圖像。同時，為了提高色彩還原度，減小圖像在處理與傳輸過程中的衰減和失真，選用性能可靠的圖像處理器和光纖傳輸器也是很有必要的。 四、總結 本文針對多功能禮堂舞台演出和高清視頻會議顯示需求，結合聯誠發室內LED顯示屏設計經驗，從點距選定、像素封裝、視距確定、電路設計、安裝基礎及系統調試等方面入手，希望對從業人員、工程商等朋友們有所幫助，促進交流。 |
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