小间距LED显示屏解决方案

1.概述

        小间距LED显示屏是指LED点间距在P2.5以下的室内LED显示屏。小间距LED显示屏与其他室内显示设备相比，具有无缝拼接、模块化维护、色彩自然真实、显示均匀性更好，色域空间更宽等优点，小间距LED显示屏在室内显示市场具有巨大潜力。

        但同时，小间距显示屏也面临众多挑战。显示效果（如余辉、第一扫偏暗、低灰处发红、低灰亮度不均匀等）、大分辨率带载、拼接缝隙一直是高密度小间距LED显示屏的瓶颈，限制了小间距LED显示屏的应用。针对以上问题，本文分析了各个问题的成因，并提出了相应的解决方案。

2.小间距显示屏之图像显示

        小点间距显示屏的图像显示效果受余晖、第一扫偏暗、低灰处发红、低灰亮度不均匀等等问题的影响严重。

        余辉是由于扫描屏在扫瞄过程中，电荷在灯板寄生电容中逐渐积累，导致 LED 非预期的出现微亮。透过斜线图案测试，可以观察到点亮的 LED 附近灯点也会微微地被点亮。余辉现象会造成图像模糊。

        第一扫偏暗的成因于在换行扫时，灯板寄生电容中累积电荷，在第一行扫开启时，累积的电荷影响 LED 电流，导致 LED 亮度偏暗。

       低灰白平衡色偏则是因为R、G、B 三色 LED 的寄生效应不同，通常RLED受的影响较小，R LED亮度会略大于 G/B LED，以致产生低灰处发红现象。

        低灰亮度不均匀的成因主要来自LED的不一致性，以及驱动芯片自身的差异。

        上述问题，可以通过驱动IC与控制系统配合进行抑制。目前，已经有高端驱动IC集成了针对上述问题的处理功能和调节接口。利用控制系统进行参数调整，即可有效改善显示屏的显示效果。

3.小间距显示屏之大面积带载

        大分辨率带载是小间距显示屏必然面临的另一个问题。小间距显示屏LED灯点间距小，在相同的面积内有更大的分辨率。分辨率提高了，如果还是用一张接收卡带载，显示性能指标会变低；而在空间有限的箱体里，又不能安装多张接收卡带载一个箱体。

为了解决以上问题，我们有以下思路及方案：

        1)   在不影响目前已有功能的前提下，缩小接收卡的尺寸，使得在空间有限的箱体中，能够安装多张接收卡。该方案的优点为：除尺寸不一样外，接收卡的其它方面均不受影响，兼容性也不受影响，投入时间短。缺点为：所需要的接收卡数量较多，成本较高，安装较复杂。

        2)   提高接收卡的处理能力，让接收卡能够带载更多的点数，而不影响刷新与灰度性能。该方案的优点为：一张接收卡能够带载更多的点数，安装方便。缺点为：由于不能影响刷新及灰度性能，接收卡必然需要更高的处理速度与处理带宽，由之带来的是，接收卡处理平台的升级，因此，接收卡的制造成本会随之上升，投入时间长，且与当前正在使用的接收卡不兼容。

        3)   第1、2点同时具备，既缩小接收卡尺寸，又提高接收卡处理能力。该方案的优点为：一张接收卡能够带载更多的点数，且尺寸小，安装方便。缺点为：由于尺寸要更小，又要提高处理能力，这对接收卡而言，开发难度高，制造成本也高。

        4)   根据箱体结构，定制化接收卡，使接收卡与模块完美配合，实现大带载、高性能。该方案的优点非常明显，量身定做，不同的LED规格都有相应的接收处理板，而接收处理板又与灯板设计以及箱体的设计匹配，达到性能与结构的完美。这个方案前期投入较大，需要LED屏体厂商与LED显示屏系统厂商双方合作，投入研发，但一旦产品量产，成本会随着产量相应下降。

4.小间距显示屏之逐点校正技术

        小间距显示屏的快速发展给逐点校正技术带来了的挑战在于两方面：一方面是高密度、高分辨率下的校正；另一方面是拼接缝隙校正。

本文提出两种新技术，以应对上面两个问题。

1)   大视角逐点校正技术

        常规逐点校正技术由于受到相机分辨率的限制，一次能够校正的点数非常有限，通常需要对显示屏进行分区校正。校正每个分区时都需要校正人员重新调节长焦镜头对指定区域进行清晰成像以采集数据，这就严重降低了校正的效率。

        而大视角逐点校正技术规避了这种繁琐的分区采集方式，直接使用中短焦距的镜头对大视角内的LED显示屏进行成像，在具体测量时，巧妙的利用LED显示屏的分立显示可控性，将相邻的LED像素进行分立显示，分多次自动完成采集，实现高密度、高分辨率的校正。其原理图如图1所示。

        图1  LED显示屏分立显示示意图

        这种校正技术能够使得单次校正分区的大小扩充为原先的25倍乃至更多，从而大幅度提升了校正效率，并显著减少了人工操作环节。更难得的是，这种测量方式避免了相邻LED灯点之间的光串扰，能够达到更高的测量精度。

2)   拼接缝隙校正技术

        拼接缝是小间距显示屏的顽疾。其对显示屏的影响主要表现为在拼接缝处出现亮线或者暗线，而它本身的几何错位问题并不容易被察觉。在这里我们提出一种基于机器视觉技术和人眼视觉特性的缝隙检测和校正技术：

        a)   基于机器视觉技术的缝隙检测

        用相机对LED显示屏进行实时数据采集，利用图像处理技术智能识别每一颗LED灯点的坐标，再采用灰度重心法（式1和式2），对每一颗LED灯点进行亚像素级别的中心定位，进而计算出其与周围灯点的间距，最后根据间距的大小判断缝隙的所在位置。

        其中，、分别为质心（LED灯点亚像素级别的中心位置）的行、列坐标，为灯点区域的大小，为像素时的灰度值。

       b)   基于人眼视觉特性的缝隙校正

        人眼实质上是一个光学器件，其MTF具有低通滤波器的特性（图2），当观察者由近到远观看LED显示屏的时候，在近距离处其频谱基本上都被保存下来，看到的是一个一个分离的像素点，随着距离增大，高频成分逐渐被滤除，直至看到连续的图像。

        拼接缝本身并没有导致LED灯点发光强度的变化，但由于其改变了单位面积内的LED分布密度，在人眼低通滤波后，即呈现出明显的亮暗线特征。

        结合第一步机器视觉获得的缝隙信息，再配合人眼的低通滤波过程，可以仿真得到人眼视网膜上真实的投影图像，如图3、图4所示。图3为有拼接缝隙的LED灯点分布图，图4为人眼模糊图像，可以明显看到一条垂直亮线和一条水平暗线。

        在得到视网膜的投影图之后，通过调节缝隙周围LED的亮度就可以削弱其亮度不一致的现象。调节参数可以利用数值计算的方法求得最优解。

5.小结

        针对小间距显示屏面临的显示效果、大分辨率带载以及校正问题，本文分析了问题的成因，并探讨了解决问题的途径。通过高端专用驱动芯片与控制系统的配合，可以解决了余辉、第一扫偏暗、低灰处发红、低灰亮度不均匀的问题；高性能的接收卡，为小间距显示屏的应用提供了完备的带载方案；大视角逐点校正技术使得高密度、高分辨率的显示屏校正精度和校正效率更高；采用基于机器视觉技术和人眼视觉特性的缝隙检测和校正技术，解决了拼接缝隙校正问题。