LED顯示屏的灰階和刷新率技術解析

決定一塊LED顯示屏圖像質量的主要因素有：均勻性、灰階、刷新率、對比度、色域和色溫。

LED顯示屏的主要受眾有三類：人眼、照相機和攝像機。針對照相機和攝像機，“灰階”和“刷新率”這兩項指標尤為重要，不巧的是，它們是一對互為矛盾的指標。

因此，如何在一定的灰階下進一步提升顯示屏的刷新率，或者如何在一定的刷新率下進一步提升顯示屏的灰階，亦或是如何同時保證較高的灰階和刷新率，其實是同一個問題。

一、LED顯示屏的灰階

LED顯示屏的灰階越高，圖像就越細膩，層次感更分明。如下圖所示：

根據LED顯示屏的驅動原理，在刷新率確定后，顯示屏的灰階取決于以下兩個因素：

(1)驅動IC能響應的最窄OE脈寬。目前普遍做到的是70-100ns，少數比較優秀的驅動IC已經做到了20-50ns。OE脈寬越窄，控制系統所能實現的灰階就越細膩。

(2)控制系統的編碼方案。優秀的編碼方案在給定的驅動IC上可以進一步提高灰階的細膩度。

二、LED顯示屏的刷新率

LED顯示屏的刷新率嚴格定義為：1秒鐘內顯示屏圖像完整灰階呈現的次數。

LED顯示屏尤其是掃描顯示屏的刷新率嚴重不足時，人眼即可覺察。(一般人在刷新小于240Hz的時候，即可感受到屏幕的呼吸效應，以及滾行效應)。

對于具備高速快門的專業的相機和攝像機，非常容易拍攝到顯示屏的刷新率不足的缺陷。

下圖以一個4掃屏，1000Hz刷新率為例，對用相機曝光時間設置為1/1000、1/500、1/800、1/2000秒的拍照效果。

灰階和刷新率在掃描屏上的矛盾非常明顯。本文的討論主要集中在基本款的驅動IC上，不對PWM芯片做討論。

LED顯示屏的灰度通過子場做加權來實現，傳統的控制方式是先實現一行所有的子場后再實現下一行的所有子場。這種實現方式由于在每一行上停留的時間太長，視覺刷新率(等價于換行速度)很低，用相機拍照時容易出現黑線。下圖為一個8掃屏，單箱體128*128采用傳統方式實現14位灰度、300Hz刷新率效果后，用佳能7D相機曝光時間設置為1/1000秒的拍照效果。

傳統控制方式的換行速度太慢導致拍照時出現黑線。一種比較有效的方法是將要實現一個灰度的所有子場分成多個部分，先在第一行實現一個部分灰度后做換行，下一行同樣實現這個部分灰度，待一輪換行完成后，再實現一個灰度部分，這樣可以提高視覺刷新率。顯然對一個灰度實現的所有子場分的部分數越多能得到的視覺刷新率就越高。

目前這種技術比較流行，用相機拍照沒有黑線，但是會拍出灰度不完整的效果，俗稱“汗斑”或“水印”效果。下圖為一個8掃屏，單箱體128*128采用16倍打散方式實現14位灰度、3840Hz視覺刷新率效果后，用佳能7D相機曝光時間設置為1/1000秒的拍照效果。

三、Nova最新掃描屏控制方式

Nova于2011年通過控制系統的升級和改進，可以同時保證很高的灰階和刷新率，在高速快門拍攝下依然有非常出色的表現。

圖：NovaLCT顯示屏配置界面

掃描屏在實現了高刷新高灰階的效果后會出現非常嚴重的余輝(鬼影)。在顯示屏上打一道非常亮的斜線，在斜線上方的暗亮點，我們稱之為上行余輝，在斜線下方的暗亮點，我們稱之為下行余輝。

解決余輝需要從兩個方面入手：

(1) 針對上行余輝，需要在行線上做放電處理來消除。

(2) 針對下行余輝，需要使用帶預充電的驅動IC，通過控制系統的配合來消除;

目前市面已出現了多款驅動芯片帶預充電功能(如聚積MBI515X、MBI5042B/MBI5041B、明陽MY9266、日月成SUM2017/SUM2018等)，結合控制系統的時序調整，能有效消除下行余輝，下圖為兩個8掃模塊在視覺刷新率為3840Hz下，使用普通驅動芯片和帶預充電功能芯片的余輝效果對比。

可以看出在使用帶預充電功能的驅動芯片并且對行線做放電處理后，結合控制系統的時序調整，在非常高的刷新率下，也能徹底消除余輝。

以下是一組Nova控制系統控制的1/8掃描屏的專業相機拍照照片：

(1) 控制系統：Nova M3控制系統;

(2) 單張接收卡帶載面積：128*128點;

(3) 驅動IC：基本款，MBI5024;

(4) 掃描方式：1/8掃描;

(5) 拍照相機：Canon 7D;快門：最快1/8000秒可手動逐檔調節;

總結：

雖然LED顯示屏的灰階和刷新率是相互矛盾的，但針對基本款驅動IC的顯示屏，通過控制系統技術的升級，即便是在高達1/2000快門的專業相機和攝像機的拍攝情況下，依然可以保證畫面無黑線、無亮線、灰階基本完整;并且，通過控制系統和基本款驅動IC的配合，還突破了傳統顯示屏一直無法解決的余輝問題。筆者相信本文中所述的技術將會很快在行業中得到推廣應用。

審核編輯：湯梓紅

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