Schermi video moderni a LED: caratteristiche, tecnologie, ragioni per scegliere

Oggi teniamo a prendere gli schermi video LED per scontati. In effetti, sono diventate caratteristiche comuni nelle nostre città e soprattutto ci prestiniamo attenzione ai loro parametri di qualità esteriori. Ma dal momento che la nostra rivista è specializzata in questa tecnologia, crediamo che sia giunto il momento di descrivere i principali principi tecnici degli schermi video moderni a LED, quei principi che in ultima analisi garantiscono ciò che milioni di persone vedono ogni giorno sugli schermi.

Lo schermo video LED moderno è un sistema complesso con un enorme numero di componenti. La qualità dell'immagine e i parametri operativi dipendono dalla qualità di ciascuno di questi componenti e dalla funzionalità del sistema di controllo dello schermo.

                                          Schema a blocchi tipico di uno schermo video LED

Le seguenti caratteristiche dello schermo video a LED sono essenziali dal punto di vista della qualità dell'immagine:

• La risoluzione dello schermo video LED (cosiddetta risoluzione spaziale ), nelle schermate video a LED è strettamente correlata alla distanza tra i pixel o la dimensione del passo;

• Massima luminosità (misurata in nidi);

• Gamma di luminosità dinamica intesa come il numero di livelli di luminosità che lo schermo è in grado di supportare (a volte è anche chiamato radiometrico o risoluzione di energia );

• Il frame rate misura come spesso una sorgente video può alimentare un intero fotogramma di nuovi dati ad un display, la frequenza di fotogrammi che cambiano al secondo (fps) (a volte definita come risoluzione temporale );

• La frequenza di aggiornamento (misurata in Hz) è il numero di volte in un secondo che un hardware di visualizzazione disegna i dati o aggiorna la cornice (anche definita come risoluzione temporale );

• Risoluzione spettrale: le immagini a colori distinguono la luce di diversi spettri. Le immagini multi-spettrali risolvono anche differenze più fini di spettro o lunghezza d'onda rispetto a quelle necessarie per riprodurre il colore. Il termine determina quante componenti spettrali creano un'immagine;

• Uniformità di colore per tutto lo schermo;

• Bilanciamento del bianco e possibilità di ottimizzazione;

• Percezione lineare della luminosità - qualità soggettiva della qualità dell'immagine che determina come l'occhio umano distingue tra i livelli adiacenti di luminosità sia sulle parti scure e luminose dello schermo;

• Contrasto di immagine;

• Qualità dell'immagine determinata dall'angolo di visualizzazione.

Oltre alla qualità dell'immagine è importante considerare alcuni parametri operativi chiave dello schermo video a LED:

• Sistema di feedback o di monitoraggio della condizione dello schermo;

• Software maturo e sistema di controllo completo che permettono di scalare il sistema e la costruzione di reti di schermo video LED e LCD con telecomando via Internet attraverso il sottosistema informativo di sicurezza integrato;

• Livello di radiazione elettromagnetica sotto forma di interferenza elettromagnetica (EMI) dallo schermo.

Prendiamo in considerazione alcuni dei parametri sopra descritti in modo più dettagliato.

Creazione di immagini sullo schermo video LED e controllo della luminosità

Modulazione larghezza impulso (PWM) e frequenza di aggiornamento

L'immagine iniziale da visualizzare viene creata come un file PC, di solito un clip * .avi o * .mpg. Il file viene decodificato dal PC di controllo (o dal controller video) e trasformato nel flusso video specializzato alimentato a microchip di driver costanti costanti. I driver IC avanzano corrente costante ai LED che li accendono in un certo spettro.

La modulazione PWM (Pulse-width) è una tecnica comunemente utilizzata per il controllo di diversi livelli di luminosità. A seconda del livello di luminosità richiesto, la corrente viene inoltrata a LED intermittente ruotando il commutatore tra alimentazione e caricamento e spegnimento ad un ritmo rapido. Ad esempio, per ottenere una luminosità del 50%, la corrente deve essere inoltrata solo la metà della durata del ciclo, per raggiungere la luminosità del 25%, la corrente verrà accesa solo per un quarto della durata del ciclo. In altre parole, un LED funziona in una modalità "on - off" in cui la durata del periodo "acceso" corrisponderà al livello di luminosità richiesto.

La tecnica PWM assicura che un LED (e l'intero schermo video) produca un'immagine ciclica. La durata del ciclo minimo (quando un LED è acceso e spento consecutivamente) viene definito periodo di aggiornamento o frequenza di aggiornamento.

Consideriamo un esempio: diciamo che la frequenza di aggiornamento di uno schermo video a LED è uguale a 100 Hz. Per garantire la luminosità massima del 100%, è necessario inoltrare la corrente durante tutto il periodo di aggiornamento che in questo caso è pari a 1/100 s = 10 ms. Per ridurre la luminosità per metà, la corrente deve essere inoltrata per 5 ms e poi spenta per 5 ms. Quindi il ciclo si ripete nello stesso modo. Per ottenere solo il livello di luminosità del 1%, la corrente verrà inoltrata ai LED durante 0,1 ms e il periodo di spegnimento dura 9,9 ms.

Il metodo PWM di base può essere modificato e aggiornato. Diversi produttori utilizzano terminologie diverse: PWM (Macroblocco), Modulazione Sequenziale Split (Silicon Touch) e Adaptive Pulse Density Modulation (MY's-Semi). Tutte queste funzioni tendono a "diffondere" l'interruttore di accensione del LED durante tutto il periodo di aggiornamento. Pertanto, l'azionamento dello schermo con una luminosità del 50% con frequenza di aggiornamento a 100 Hz risulterà simile a un ciclo "LED di 1 ms acceso - 1 ms LED spento" ripetuto. Significa che per una luminosità del 50% il periodo di aggiornamento è aumentato di cinque volte ed è pari a 2 ms. Di conseguenza, la frequenza di aggiornamento è aumentata a 500 Hz. Questo calcolo è vero solo per la luminosità del 50%. Per ogni modello di luminosità esiste una luminosità minima di un impulso (una durata minima) quando il LED è acceso, il resto del tempo è spento.

Così, i cicli rigorosi "tradizionali" di PWM sono distorti dai moderni metodi modificati. A seconda del livello di luminosità richiesto, possiamo identificare periodi più brevi con una frequenza di aggiornamento più elevata. Su una particolare frequenza di aggiornamento della schermata video a LED, può variare, ad esempio, 100 Hz e 1 kHz. Ciò significa che durante la luminosità minima o massima la frequenza di aggiornamento è di circa 100 Hz. Ma ad altri livelli di luminosità incontriamo periodi con frequenza di aggiornamento più elevata.

Pertanto, per i metodi PWM modificati il concetto di frequenza di aggiornamento diventa piuttosto fuorviante. Tuttavia, se definire la frequenza di aggiornamento come un periodo minimo necessario per rinnovare l'immagine per tutti i livelli di luminosità , evitiamo tutti i malintesi poiché in questa definizione la frequenza di aggiornamento non dipende dal processo PWM.

Immagini interlacciate a scansione e divisione di tempo sulle schermate video a LED

Alcune immagini a video a LED sono strutturate in modo da impedire l'alimentazione corrente a tutti i LED contemporaneamente. Tutti i LED di uno schermo video sono separati in gruppi (di solito, due, quattro o otto) che vengono accesi a sua volta. Ciò significa che i metodi di creazione dell'immagine sopra descritti vengono applicati a gruppi diversi di LED su uno schermo video. Se lo schermo ha due gruppi tali, la formazione dell'immagine è equivalente alla scansione interlacciata in una TV analogica.

Questo metodo è usato principalmente per rendere più economici le schermate video LED, poiché questo metodo di formazione delle immagini richiede una quantità minima di driver IC (rispettivamente due, quattro o otto volte). Poiché i conducenti IC contribuiscono approssimativamente al 15-20% al costo dello schermo, l'economia può essere significativa. Inoltre, il metodo di divisione temporale è praticamente inevitabile su schermi video a LED ad alta risoluzione poiché le piccole schermate a passo presentano gravi problemi nel posizionare un numero elevato di driver sui PCB e organizzare il trasferimento di calore appropriato dai driver IC.

Naturalmente, questa economia porta ad una luminosità dello schermo video inferiore e una frequenza di refresh più bassa (proporzionalmente al numero di gruppi di LED utilizzati).

Diciamo che abbiamo uno schermo con due gruppi LED che utilizzano il metodo di divisione temporale. La corrente viene fornita a un gruppo per garantire la luminosità richiesta. L'altro gruppo è disattivato. Dopo un periodo di aggiornamento i gruppi si alternano: ora il secondo gruppo viene alimentato mentre il primo va scuro. Pertanto, il periodo necessario per rinnovare tutte le informazioni sullo schermo diventa due volte più lungo.

Il concetto di frequenza di aggiornamento in questo caso diventa ancora più sottile. In modo rigoroso, il periodo di aggiornamento o un tempo minimo necessario per rinnovare l'immagine sullo schermo intero raddoppia. Tuttavia, per ogni gruppo la lunghezza del periodo di formazione delle immagini rimane invariata e possiamo sostenere che la frequenza di aggiornamento rimanga la stessa di quanto prima.

Schermo video LED, frequenza di aggiornamento e occhio umano

In primo luogo, la frequenza di aggiornamento influisce sulla percezione dell'immagine. Di solito percepiamo un'immagine su uno schermo come liscio e non si nota un effetto tremolante perché la frequenza di sfarfallio è piuttosto elevata. La nostra percezione visiva è una natura psicologica e fisica. I singoli lampi di luce vengono riassunti in un'immagine "liscia" del nostro cervello. Secondo la legge di Bloch, questa somma dura circa 10 ms e dipende dalla luminosità dei flash di luce. Se la luce lampeggia con frequenza sufficiente (cosiddetta soglia CFF - frequenza di sfarfallio critico), l'occhio umano non nota la pulsazione secondo la legge Talbot-Plateau. La soglia CFF dipende da molti fattori come lo spettro della sorgente luminosa, il posizionamento della sorgente luminosa rispetto all'occhio, il livello di luminosità. Tuttavia, in condizioni normali questa frequenza non supera mai 100 Hz.

Pertanto, un occhio umano non distingue le differenze nelle immagini a video a LED formate con un PWM o con metodi PWM modificati con frequenze di aggiornamento variabili da 100 Hz a 1 kHz.

Schermo LED, frequenza di aggiornamento e videocamera

Tuttavia, un occhio umano non è l'unico strumento che può percepire le immagini. A volte utilizziamo videocamere per registrare schermi video a LED, e l'apparecchiatura video si basa su principi drastici diversi da quelli utilizzati dal cervello umano. Questo è particolarmente importante per tutte le installazioni video a LED negli stadi sportivi, nelle fiere o nelle sale da concerto dove gli eventi sono registrati con telecamere. Il tempo di esposizione o la velocità dell'otturatore nelle videocamere moderne possono variare da secondi a millisecondi.

Diciamo che guardiamo uno schermo a LED dove viene formata l'immagine utilizzando il metodo tradizionale PWM con frequenza di aggiornamento a 100 Hz. La schermata video visualizza un'immagine statica. Se cerchiamo di registrare questa immagine con una videocamera usando una velocità dell'otturatore di 1/8 secondi (cioè tempi di esposizione di 125 millisecondi), il sensore fotografico registrerà la luce dall'immagine sullo schermo prodotta da 12,5 periodi di aggiornamento. Lo schermo del LED e la nostra videocamera non sono sincronizzati e ogni fotogramma registrato dalla fotocamera corrisponderà a diversi tempi relativi all'inizio e alla fine del ciclo di aggiornamento. Ma con questa alta velocità dell'otturatore non ci sarà conflitto e la fotocamera registrerà un'immagine liscia dello schermo video LED.

Se riduciamo la velocità dell'otturatore a 1/250 secondi quando il tempo di esposizione è uguale a 4 ms, un fotogramma della fotocamera sarà 2,5 volte più breve del periodo di aggiornamento sullo schermo video LED. Questa volta la discrepanza tra l'inizio della telecamera e l'inizio del ciclo PWM sarà significativa. Alcuni fotogrammi corrispondono all'inizio del ciclo PWM, altri al centro, altri ancora alla fine del ciclo. Ogni fotogramma registra diversi flussi luminosi e gradualmente si accumula l'errore. Quando vediamo il video registrato, la luminosità dei fotogrammi sarà notevolmente diversa. Tipicamente, tutti gli oggetti registrati con un breve tempo di esposizione appaiono meno luminosi. La fotocamera registrerà l'effetto "sfarfallio" sullo schermo video LED. Se il tempo di esposizione è ridotto ulteriormente, vedremo sicuramente alcuni fotogrammi neri (quando l'inizio della telecamera corrisponde al breve periodo PWM quando i LED sono spenti) e il video registrato lampeggerà ancora di più.

Quindi, se si utilizza una videocamera per registrare uno schermo a LED con funzione tradizionale PWM, la frequenza di aggiornamento deve essere compatibile con o superare l'esposizione della fotocamera.

Su schermi video a LED con funzione PWM modificata si applica la stessa logica. Poiché in modalità ad alta luminosità il tempo di accensione dei LED è "diffuso" sul ciclo PWM, l'immagine registrata sarà più stabile rispetto alla tradizionale funzione PWM. Ma a bassa luminosità la situazione rimarrà la stessa: l'immagine registrata perderà la luminosità o lampeggerà.

Come si vede senza una corretta sincronizzazione, qualsiasi registrazione video di uno schermo LED provocherà distorsioni nell'immagine registrata. Possiamo confrontarlo con la registrazione della TV analogica con una telecamera analogica: le differenze nelle modalità di scansione di entrambi i dispositivi portano ad un effetto di linee nere diagonali che separano i telai TV.

Un altro problema importante è la sincronizzazione dei controllori video a LED. Grandi schermi a LED sono costituiti da blocchi (moduli LED e / o armadi) che visualizzano l'imaging generato da diversi controller. Se questi controller non sincronizzano l'inizio del ciclo PWM (cioè l'inizio del ciclo su diverse parti dello schermo) si può verificare il seguente problema: il ciclo di aggiornamento su alcune parti dello schermo a LED corrisponderà a telecamere e su altri Parti dello schermo non lo farà. Se l'esposizione è compatibile con il ciclo di aggiornamento, una parte dello schermo video apparirà più luminosa, altrimenti più scura. L'intera immagine sarà costituita da rettangoli scuri e luminosi e sarà scomodo da guardare.

Il costo dello schermo video LED ad alta aggiornamento

Indipendentemente dal metodo di generazione PWM, tutti hanno caratteristiche comuni. La generazione PWM opera su un certo tempo di clock F pwm . Supponiamo che dobbiamo generare un certo numero N di livelli di luminosità. In questo caso la frequenza di aggiornamento F r non può superare F pwm / N.

Ecco alcuni esempi per illustrare l'affermazione precedente:

Questi numeri dimostrano che ogni LED dello schermo video segue un processo di generazione PWM indipendente, cioè il metodo di generazione PWM è programmato direttamente nei driver IC.

Con i driver IC semplici e economici, PWM viene generato su un controller per lo schermo video LED. Dovremmo poi considerare quanti driver sono collegati consecutivamente e sono serviti da un processo di generazione PWM. Se uno schema di generazione PWM richiede driver di canale M 16, la frequenza di aggiornamento non può superare F pwm / (N * M * 16 , altrimenti porta ad una frequenza di aggiornamento significativamente inferiore o alla necessità di aumentare la frequenza di clock.

In caso di divisione del tempo (scansione interlacciata) la frequenza di aggiornamento scende in proporzione al coefficiente di divisione.

Pertanto, per aumentare la frequenza di aggiornamento sulle schermate video LED sono disponibili le seguenti opzioni:

• Utilizzo di driver "intelligenti" (costosi);

• Aumento del tasso di clock nel processo di generazione PWM;

• Ridurre il numero di livelli di luminosità (profondità di colore).

Ogni metodo ha vantaggi e carenze. I conducenti intellettuali sono molto più costosi di semplici driver IC; L'aumento del tasso di clock porta ad un consumo di energia superiore (richiede pertanto ulteriori misure per il trasferimento di calore al fine di evitare il surriscaldamento); Il basso numero di livelli di luminosità influisce negativamente sulla qualità dell'immagine.

Conclusione: Aggiorna su schermate video a LED

I produttori di videoproiettori a LED utilizzano frequentemente la frequenza di aggiornamento come strumento di marketing quando vanta un'eccellente qualità dello schermo. Il presupposto è che più alta è la frequenza di aggiornamento, migliore è la qualità dell'immagine. Tuttavia, spesso i numeri servono solo a confondere i potenziali clienti. Ad esempio, la frequenza di aggiornamento di più kHz significa che viene utilizzato il metodo di generazione PWM modificato (quando la frequenza di aggiornamento è in realtà diversa per diversi livelli di luminosità) o che la profondità del colore è inaccettabilmente bassa.

Dobbiamo ricordare che l'alta frequenza di aggiornamento e valori di profondità di colore elevati possono verificarsi solo a livelli di luminosità elevati che in sé sono un errore, poiché uno schermo video LED non deve sempre funzionare a 100% di capacità.

Nel caso della scansione interlacciata, il valore della frequenza di aggiornamento corrisponderà solo a un ciclo PWM per un gruppo LED, mentre la frequenza di aggiornamento effettiva dello schermo (che influenza la nostra percezione) sarà più volte inferiore.

È più informativo ed onesto menzionare la profondità del colore e il tasso di clock per PWM e la gamma approssimativa di frequenza di aggiornamento dello schermo (ad esempio 200-1000 Hz) in caso di funzione di schermo PWM modificata. Se uno schermo video a LED è basato sul principio del divisione temporale (ad esempio, divisione temporale = 1: 1 - assenza di divisione temporale, divisione di tempo = 1: 2 - PWM funziona solo in metà dello schermo ecc.).

Il parametro sopra indicato non è essenziale per la nostra percezione. L'occhio umano non registra alcuna differenza nella qualità dell'immagine a frequenze superiori a 100 Hz. Di conseguenza, si dovrebbe decidere se l'alta frequenza di aggiornamento è veramente necessaria e se ne vale la pena pagare ulteriormente.

La frequenza di aggiornamento e l'uniformità dell'immagine schermata registrata sono importanti solo nei casi in cui uno schermo LED diventa spesso oggetto di registrazione video (stadi e sale da concerto). Pertanto, è meglio prima condurre una registrazione di prova prima di firmare il contratto di acquisto.