LED顯示屏的灰階和刷新率技術(shù)解析

第第頁LED顯示屏的灰階和刷新率技術(shù)解析決定一塊（LED）顯示屏圖像質(zhì)量的主要因素有：均勻性、灰階、刷新率、對(duì)比度、色域和色溫。

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

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

一、LED顯示屏的灰階

LED顯示屏的灰階越高，圖像就越細(xì)膩，層次感更分明。如下圖所示：

根據(jù)LED顯示屏的驅(qū)動(dòng)原理，在刷新率確定后，顯示屏的灰階取決于以下兩個(gè)因素：

(1)驅(qū)動(dòng)（IC）能響應(yīng)的最窄OE脈寬。目前普遍做到的是70-100ns，少數(shù)比較優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)IC已經(jīng)做到了20-50ns。OE脈寬越窄，（控制系統(tǒng)）所能實(shí)現(xiàn)的灰階就越細(xì)膩。

(2)控制系統(tǒng)的編碼方案。優(yōu)秀的編碼方案在給定的驅(qū)動(dòng)IC上可以進(jìn)一步提高灰階的細(xì)膩度。

二、LED顯示屏的刷新率

LED顯示屏的刷新率嚴(yán)格定義為：1秒鐘內(nèi)顯示屏圖像完整灰階呈現(xiàn)的次數(shù)。

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

對(duì)于具備高速快門的專業(yè)的相機(jī)和攝像機(jī)，非常容易拍攝到顯示屏的刷新率不足的缺陷。

下圖以一個(gè)4掃屏，1000Hz刷新率為例，對(duì)用相機(jī)曝光時(shí)間設(shè)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(qū)動(dòng)IC上，不對(duì)PWM（芯片）做討論。

LED顯示屏的灰度通過子場(chǎng)做加權(quán)來實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的控制方式是先實(shí)現(xiàn)一行所有的子場(chǎng)后再實(shí)現(xiàn)下一行的所有子場(chǎng)。這種實(shí)現(xiàn)方式由于在每一行上停留的時(shí)間太長(zhǎng)，視覺刷新率(等價(jià)于換行速度)很低，用相機(jī)拍照時(shí)容易出現(xiàn)黑線。下圖為一個(gè)8掃屏，單箱體128*128采用傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)14位灰度、300Hz刷新率效果后，用佳能7D相機(jī)曝光時(shí)間設(shè)置為1/1000秒的拍照效果。

傳統(tǒng)控制方式的換行速度太慢導(dǎo)致拍照時(shí)出現(xiàn)黑線。一種比較有效的方法是將要實(shí)現(xiàn)一個(gè)灰度的所有子場(chǎng)分成多個(gè)部分，先在第一行實(shí)現(xiàn)一個(gè)部分灰度后做換行，下一行同樣實(shí)現(xiàn)這個(gè)部分灰度，待一輪換行完成后，再實(shí)現(xiàn)一個(gè)灰度部分，這樣可以提高視覺刷新率。顯然對(duì)一個(gè)灰度實(shí)現(xiàn)的所有子場(chǎng)分的部分?jǐn)?shù)越多能得到的視覺刷新率就越高。

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

三、Nova（最新）掃描屏控制方式

Nova于2023年通過控制系統(tǒng)的升級(jí)和改進(jìn)，可以同時(shí)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(xiàn)。

圖：NovaLCT顯示屏配置界面

掃描屏在實(shí)現(xiàn)了高刷新高灰階的效果后會(huì)出現(xiàn)非常嚴(yán)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(diǎn)，我們稱之為上行余輝，在斜線下方的暗亮點(diǎn)，我們稱之為下行余輝。

解決余輝需要從兩個(gè)方面入手：

(1)針對(duì)上行余輝，需要在行線上做放電處理來消除。

(2)針對(duì)下行余輝，需要使用帶預(yù)充電的驅(qū)動(dòng)IC，通過控制系統(tǒng)的配合來消除;

目前市面已出現(xiàn)了多款（驅(qū)動(dòng)芯片）帶預(yù)充電功能(如聚積MBI515X、MBI5042B/MBI5041B、明陽MY9266、日月成SUM2023/SUM2023等)，結(jié)合控制系統(tǒng)的時(shí)序調(diào)整，能有效消除下行余輝，下圖為兩個(gè)8掃模塊在視覺刷新率為3840Hz下，使用普通驅(qū)動(dòng)芯片和帶預(yù)充電功能芯片的余輝效果對(duì)比。

可以看出在使用帶預(yù)充電功能的驅(qū)動(dòng)芯片并且對(duì)行線做放電處理后，結(jié)合控制系統(tǒng)的時(shí)序調(diào)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(tǒng)控制的1/8掃描屏的專業(yè)相機(jī)拍照照片：

(1)控制系統(tǒng)：NovaM3控制系統(tǒng);

(2)單張接收卡帶載面積：128*128點(diǎn);

(3)驅(qū)動(dòng)IC：基本款，MBI5024;

(4)掃描方式：1/8掃描;

(5)拍照相機(jī)：（Can）on7D;快門：最快1/8000秒可手動(dòng)逐檔調(diào)節(jié);

總結(jié)：

雖然LED顯示屏的灰階和刷新率是相互矛盾的，但針對(duì)基本款驅(qū)動(dòng)IC的顯示屏，通過控制系統(tǒng)技術(shù)的升級(jí)，即便是在高達(dá)1/2000快門的專業(yè)相機(jī)和攝