全彩LED顯示屏發(fā)展已經(jīng)有20多年歷史，與其他LCD拼接、工程投影機(jī)等設(shè)備一樣，全彩LED顯示屏從誕生開始，就伴隨著技術(shù)進(jìn)步和升級換代，從起步時顯示文字內(nèi)容為主，到之后的圖文并茂及動態(tài)視頻。目前廣泛應(yīng)用在戶外廣告、舞臺表演、展覽展示、球場賽事、會議中心和指揮中心等領(lǐng)域。
本文結(jié)合全彩LED顯示屏廠家拓升光電10多年的工程經(jīng)驗，全面地分析了室內(nèi)全彩LED顯示屏的設(shè)計、安裝、測試及維護(hù)等注意事項。這里以多功能禮堂舞臺演出實(shí)例作詳細(xì)說明：
一、項目基本情況
1.1 項目建設(shè)需求
多功能禮堂舞臺演出顯示系統(tǒng)分為主屏、輔屏和會標(biāo)屏3個部分。主屏建設(shè)需求是建設(shè)大幅面、高清晰度的大屏幕，顯示多個計算機(jī)數(shù)字信號、本會場攝像、遠(yuǎn)程監(jiān)視或異地會商的視頻信號等，實(shí)現(xiàn)攝像、講解資料、視頻會議等畫面的顯示，同時還要兼顧舞臺演出背景;輔屏建設(shè)需求是顯示一個標(biāo)清信號，實(shí)現(xiàn)會議輔助內(nèi)容的顯示，也可用作演出時的報幕、字幕等;會標(biāo)屏則需要顯示多種顏色的文字。
禮堂舞臺部分寬20m、深17m、高18m， 臺口處寬15m、高7.8m ;舞臺上方安裝燈光、幕布等舞臺機(jī)械裝置;臺口兩側(cè)耳墻距地面3m，寬8m，高6m。設(shè)計主屏顯示面積至少72㎡(12m×6m)，屏前是主席臺會議和演出的場所，屏后則是演員通過和維護(hù)空間，第一排觀眾距屏至少17m ;輔屏在耳墻上，顯示面積至少12㎡(4m×3m)。
二、影響室內(nèi)全彩LED顯示屏質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)
室內(nèi)全彩LED顯示屏在設(shè)計屏體時，要考慮顯示內(nèi)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(chǎn)工藝、技術(shù)指標(biāo)等適合室內(nèi)實(shí)際應(yīng)用需求，再結(jié)合項目造價，進(jìn)行合理設(shè)計。
2.1 全彩LED顯示屏點(diǎn)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(diǎn)，當(dāng)兩點(diǎn)緊密到一定程度時，人眼將無法分辨。近兩年隨著全彩LED顯示屏制造技術(shù)的提高，小間距全彩LED顯示屏體分辨率不斷提升，室內(nèi)顯示設(shè)計已從初始選擇最小的點(diǎn)距規(guī)格方案提升到選擇合適的點(diǎn)距規(guī)格方案。
 將比較典型的拓升光電室內(nèi)全彩LED顯示屏規(guī)格對比，P1.6、P2、P2.5、P3、P4、P5為室內(nèi)常用規(guī)格，“P3”表示像素點(diǎn)距為3mm，最小視距為人眼分辨不出像素點(diǎn)顆粒的距離，但這個距離長時間觀看會損傷視力，最佳視距為觀看屏幕舒適的距離，也是最清晰的距離。
  平板電視的觀看要求，整屏分辨率高達(dá)4800×2400，在同樣的屏體上可以顯示更清晰的
  畫面，但在12m寬的屏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;同時高分辨率顯示需要高性能的圖像處理設(shè)備，系統(tǒng)的整體造價會很高。P4、P5 兩種規(guī)格在12m 寬的屏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(jù)顯示屏幕大小，最終選定性價比較高的P3 作為項目主屏和輔屏的顯示點(diǎn)距，選定P4 作為會標(biāo)屏的顯示點(diǎn)距。
2.2 封裝技術(shù)
決定LED品質(zhì)的一個因素是主要材料，如芯片、支架、膠水(環(huán)氧樹脂)、金線等，另
一個因素是封裝工藝。像素封裝技術(shù)關(guān)系到整個顯示屏的色彩飽和度、視角等顯示效果
和生產(chǎn)成本、質(zhì)量穩(wěn)定性等，是選擇LED顯示屏非常關(guān)鍵的指標(biāo)之一。
室內(nèi)全彩LED顯示屏主流封裝技術(shù)主要有表貼SMD、直插DIP模式。表貼是指將封裝好的發(fā)光管粘貼在電路板上，然后進(jìn)行集成電路焊接工藝加工成屏體。它散熱性好、色彩均勻，整個全彩LED顯示屏可以正面維護(hù)，大大減小了維護(hù)成本和難度;同時，在封裝過程中進(jìn)行填充金屬化合物，混色效果好，發(fā)光柔和，更適合室內(nèi)應(yīng)用。直插模塊是將發(fā)光管封裝成長方型，然后把紅綠蘭3個管拼在一起做成一個像素點(diǎn)模塊，直接安插在PCB 板上焊接，工藝相對簡單、成本較低，壞點(diǎn)率高，主要應(yīng)用于戶外全彩LED顯示屏。
室內(nèi)全彩LED顯示屏的像素結(jié)構(gòu)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(lán)3 個發(fā)光點(diǎn)封裝合成在同一個發(fā)光管里面，近看是一點(diǎn), 放大看就是3 個發(fā)光點(diǎn)分離的一條線，對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的材料和工藝要求高，主要用于小間距、高密度高端全彩LED顯示屏的生產(chǎn)。
三并一表貼(分離表貼)是指紅綠藍(lán)3 個發(fā)光點(diǎn)是分開封裝的，封裝后排列成1 個像素點(diǎn)，再封裝1 個面罩保護(hù)，能防塵、防劃，并能保護(hù)發(fā)光晶片。三并一是分離表貼，三點(diǎn)分開供電，功耗小，且可實(shí)現(xiàn)單燈維修，成本較低。
一般來說，為了提升室內(nèi)全彩LED顯示屏的顯示效果，選用表貼三合一、黑燈技術(shù)、金線封裝等。
2.3 LED控制電路的設(shè)計
LED控制部分是決定顯示效果的核心部分，控制電路內(nèi)置高性能單片微型控制芯片?？刂破魍ㄟ^內(nèi)部控制程序向LED驅(qū)動芯片發(fā)送控制信號和數(shù)據(jù)，LED驅(qū)動芯片接收到信號后，產(chǎn)生相應(yīng)的動作，從而對每一路紅、綠、藍(lán)LED發(fā)光芯片實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。
2.3.1 驅(qū)動系統(tǒng)
LED驅(qū)動部分的功能是接收顏色數(shù)據(jù)并驅(qū)動LED顯示屏按該數(shù)據(jù)所表示的亮度值顯示，通常有恒流、穩(wěn)壓、恒壓-恒流3 種方式。
恒流驅(qū)動電路輸出的電流是恒定的，輸出的直流電壓隨負(fù)載阻值變化而變化，整個電路不怕負(fù)載短路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全開路。穩(wěn)壓電路輸出固定電壓，輸出電流隨負(fù)載的增減而變化，整個電路不怕負(fù)載開路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全短路。先恒壓再恒流方式是最理想的驅(qū)動電路，既要檢測LED電流，又要控制LED電壓，有利于提高LED壽命，減小功耗，一般用于高檔LED產(chǎn)品中。
2.3.2 控制系統(tǒng)
全彩LED顯示屏的顯示效果取決于通過它的電流與電壓的大小、時間等，所以控制系統(tǒng)主要是控制LED的電源輸出。目前，PWM(脈沖調(diào)制)控制方式設(shè)計的LED電源，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80%～90%，且輸出電壓或電流十分穩(wěn)定，屬于高可靠性電源。
PWM可以控制LED開和關(guān)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(yīng)數(shù)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(xiàn)的顏色數(shù)量，一般為256 級，顏色數(shù)達(dá)到16.7M，就可顯示24位真彩色的信息。
一般PWM 的頻率大于100Hz，否則在觀看時會有顯示的閃爍和掃描線?，F(xiàn)在灰度等級為10 位的大屏，刷新頻率大多為800 ～ 1000 Hz，LED行業(yè)最高刷新率為6800Hz。在攝像機(jī)正常取景及轉(zhuǎn)動下，LED屏體畫面顯示穩(wěn)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(qū)動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的組合
LED作為電路的負(fù)載，與驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的電路連接關(guān)系到整個顯示屏的穩(wěn)定性，一般有串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)3種方式。串聯(lián)方式是可靠性不高的連接方式，常用于低端產(chǎn)品中，在穩(wěn)壓驅(qū)動電路中，當(dāng)某一顆LED發(fā)生短路時，分配在其他LED的電壓將升高，容易造成更多損壞。
并聯(lián)方式適用于電源電壓較低的產(chǎn)品，恒流驅(qū)動電路中，當(dāng)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(chǎn)品的可靠性，一般采用混聯(lián)方式，串、并聯(lián)的LED數(shù)量平均分配，分組并聯(lián)，再將每組串聯(lián)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，同時最好在恒流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋，防止LED溫度過高。
整個全彩LED顯示屏由多個模組單元拼接而成，為了保證供電和數(shù)據(jù)的可靠性，也必須采用混聯(lián)方式，實(shí)現(xiàn)環(huán)路備份功能，當(dāng)某一路電源出現(xiàn)異常故障時，其他電源會自動進(jìn)行智能均流，從而不影響到系統(tǒng)的正常使用，更有效提升系統(tǒng)的無故障運(yùn)行時間，減少故障維護(hù)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(jī)的拍攝下，大屏幕仍能及時響應(yīng)，畫面轉(zhuǎn)換、過渡更平滑流暢 ;但在使用過程中會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攝像機(jī)鏡頭對準(zhǔn)全彩LED顯示屏?xí)r，偶爾會出現(xiàn)莫名其妙的水波一樣的條紋和奇怪的色彩，并且隨著拍攝角度的變化、攝像機(jī)鏡頭焦距的調(diào)節(jié)，水波紋還會發(fā)生一些變化，十分影響直播和錄制的顯示效果，這就是電視攝像數(shù)字化帶來的摩爾紋現(xiàn)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(chǎn)生摩爾紋。既然摩爾紋現(xiàn)象是由全彩LED顯示屏的固有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，如果使摩爾紋產(chǎn)生的條件——全彩LED顯示屏的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)或攝像機(jī) CCD(CMOS)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(nèi)公司在全彩LED顯示屏表面疊加一層光學(xué)處理幕，該幕由特定比例的特殊吸光材料與表面微珠透鏡涂層組成，通過光學(xué)幕的使用，使全彩LED顯示屏從原來的網(wǎng)格狀發(fā)光變?yōu)檫B續(xù)的面發(fā)光，通過對離散的全彩LED顯示屏像素點(diǎn)進(jìn)行放大顯示，最終在光學(xué)處理幕表面形成連續(xù)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(xiàn)象。
 三、室內(nèi)全彩LED顯示屏室內(nèi)安裝設(shè)計
3.1 確定安裝位置
主席臺寬15m，兩邊有側(cè)臺和側(cè)幕，設(shè)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，采用P3.1規(guī)格的產(chǎn)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。
全彩LED顯示屏的安裝位置與最佳視距、視角有直接關(guān)系。GB50464-2008《視頻顯示系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》中數(shù)據(jù)和像素中心距公式H=k ?d。其中H 為最大視距 ;k 為視距系數(shù)，一般取 345;d為字符高度，字符為16點(diǎn)陣漢字。根據(jù)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(jié)合主席臺的應(yīng)用情況、會議區(qū)攝像及電視的擺放位置，建議第一排首長觀看全彩LED顯示屏的最佳距離為18.3m。
根據(jù)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(jù)測算，第一排首長距離全彩LED顯示屏為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。
經(jīng)測算，全彩LED顯示屏安裝在主席臺上，屏后安裝維護(hù)空間及通道 5m，屏前距主席臺邊沿 12m，屏體安裝距地面 1.35m。
3.2 安裝基礎(chǔ)設(shè)計
全彩LED顯示屏都是由若干個箱體組成，業(yè)界分為簡易箱體和標(biāo)準(zhǔn)箱體(也叫防水箱體，有后蓋)。戶外的屏一般都用防水箱體，戶內(nèi)多用簡易箱體。 LED芯片封裝為像素后，按照一定規(guī)則排列在電路板上，封裝并進(jìn)行防水和加固處理，形成一個模組，模組分辨率一般為 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(dú)立的顯示單元進(jìn)行通電和數(shù)據(jù)顯示測試，以某品牌產(chǎn)品P3.1為例，箱體單元的參數(shù)如下 ：尺寸(W×H×D) 為0.4m×0.3m×0.1m，分辨率為 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(shè)計
禮堂屬于重要場所，按二級負(fù)荷設(shè)計。該項目采用兩路電源同時供電，當(dāng)發(fā)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(fù)擔(dān)全部負(fù)荷。根據(jù)《視頻顯示系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合廠方設(shè)計參數(shù)，全彩LED顯示屏滿負(fù)荷用電功率，按每平方米1000W計算。主屏、輔屏和會標(biāo)屏總負(fù)荷為 110kW，平均功率為 36.3kW。按照LED電源功耗設(shè)計安全規(guī)范，電源功率設(shè)計時要留有余量，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(shè)計時，一是要設(shè)計智能配電箱，能夠?qū)崟r監(jiān)測整個全彩LED顯示屏的負(fù)載運(yùn)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(jìn)行合理的規(guī)劃。項目的電源配置考慮到 UPS 的功率因數(shù)和最佳運(yùn)行效率，UPS 額定功率為 132/0.8=165kVA，電源型號為 GES-NT 160kV·A 模塊化 UPS。在地下一層配電室安裝160kV·AUPS和蓄電池柜(后備時間 0.5h)，從總配電匯流銅排壓線引接 120m㎡4+1電纜至UPS輸入輸出配電柜 350A 空開，直接引接至 UPS 輸入，UPS 輸出引接至 UPS 輸入輸出配電柜 300A 空開，下引90m㎡4+1 電纜引接至全彩LED顯示屏智能配電箱。
3.2.2 LED箱體安裝
全彩LED顯示屏箱體有鐵箱體、鋁箱體和壓鑄鋁箱體，3種箱體應(yīng)用于不同場合。壓鑄鋁箱體主要用于高端和租賃，其特點(diǎn)是 ：模塊化，連接簡單，無風(fēng)扇自然散熱，超靜音，效果較好，本項目采用的是壓鑄鋁箱體。箱體安裝維護(hù)支架為寬 12m、高 6.85m、深 0.8m，主屏箱體重量為 2 976kg，箱體維護(hù)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，因為舞臺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(chǔ)，擴(kuò)大承重面積。輔屏重量為 480kg, 耳墻中部有橫梁，填充部分為空心磚，先在橫梁上安裝承重框架，而后把箱體固定到框架上。
LED顯示屏鋼結(jié)構(gòu)架體應(yīng)嚴(yán)格按照確認(rèn)后的設(shè)計圖紙、《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB 50205-2001)及其他現(xiàn)行施工驗收規(guī)范要求進(jìn)行施工，框架、支撐架、顯示屏箱體、控制器箱體等產(chǎn)品構(gòu)件應(yīng)安裝牢固、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、邊角過渡圓滑，無飛邊、無毛刺，各種固定螺栓緊固，金屬構(gòu)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(shí)現(xiàn)工作接地，把數(shù)字電路等電位與大地相接，建立全彩LED顯示屏系統(tǒng)靜電荷泄放通道。
3.3 系統(tǒng)安裝調(diào)試
LED顯示屏發(fā)展到小間距、高密度TV屏，物理像素間距已經(jīng)不是制約其顯示清晰度的主要因素，不能用高顯示分辨率替代清晰度。全彩LED顯示屏的清晰度是人眼對顯示屏分辨率、均勻性、亮度、對比度等多項因素綜合的主觀感受，而要達(dá)到主觀感受的一致性，首先要全彩LED顯示屏各項性能參數(shù)一致。這就要在前期元器件篩選、全彩LED顯示屏參數(shù)細(xì)分的基礎(chǔ)上，進(jìn)行后續(xù)的精確校正。
3.3.1 屏體像素亮度、色度均勻性要求
全彩LED顯示屏在生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)，對LED參數(shù)的均一性會產(chǎn)生不同的影響，同時在故障板更換后，不進(jìn)行調(diào)整會出現(xiàn)明顯的亮區(qū);為使各種顯示圖像平滑、色彩還原真實(shí)、亮度均勻，需要對特定區(qū)域特定像素進(jìn)行逐點(diǎn)亮度、色度均勻性的調(diào)整。
3.3.2 色彩還原技術(shù)要求
目前各種LED顯示技術(shù)盡管一般都采用RGB作為三基色，但是三基色對應(yīng)的色坐標(biāo)是不完全相同的，部分產(chǎn)品存在色彩飽和度高和色域不完整的問題，需要嚴(yán)格按照色彩理論進(jìn)行光強(qiáng)和色坐標(biāo)校正，確保顯示出理想純凈的顏色，實(shí)現(xiàn)顯示屏的動態(tài)白平衡。
3.3.3 快速運(yùn)動圖像補(bǔ)償技術(shù)
全彩LED顯示屏是按逐行方式進(jìn)行顯示的，而攝像機(jī)視頻信號采用隔行掃描方式，在隔行向逐行轉(zhuǎn)換中對靜止畫面和運(yùn)動畫面應(yīng)采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(yùn)動畫面的拖尾現(xiàn)象。
3.3.4 單點(diǎn)校正技術(shù)
單模塊亮度、色度校正技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對單個模塊進(jìn)行亮度和色度的校正，該技術(shù)很好地解決了屏體更換模塊后，新模塊與舊模塊之間的色差問題。單點(diǎn)校正系統(tǒng)會對每個顯示屏單元板中的每個像素進(jìn)行單獨(dú)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(jié)
本文針對多功能禮堂舞臺演出和高清視頻會議顯示需求，從點(diǎn)距選定、像素封裝、視距確定、電路設(shè)計、安裝基礎(chǔ)及系統(tǒng)調(diào)試等方面入手，分享關(guān)于室內(nèi)全彩LED顯示屏設(shè)計經(jīng)驗，希望對從業(yè)人員、工程商等朋友們有所幫助，促進(jìn)交流進(jìn)步。