世博中心大堂通透式LED顯示屏的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文｜上海大晨顯示技術(shù)有限公司 潘尚法

華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 林海雄

世博中心大堂通透式LED顯示屏的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文｜上海大晨顯示技術(shù)有限公司 潘尚法

華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 林海雄

經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展使人們對(duì)快速與便捷的信息傳播媒體的要求越來(lái)越高，加之智能化建筑的大量出現(xiàn)，原有傳統(tǒng)的LED顯示屏已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)新奇美觀并能適合各種極具創(chuàng)意的外觀需求。LED顯示屏的個(gè)性化、藝術(shù)化及與各種建筑環(huán)境相諧調(diào)變得越來(lái)越重要。這樣的新情況無(wú)論對(duì)建筑設(shè)計(jì)師或LED顯示屏的設(shè)計(jì)工程師都提出了更高的要求。

1 需求的提出

世博中心是世博園區(qū)內(nèi)四館一軸永久性場(chǎng)館的重要建筑。在世博期間，世博中心將是接待國(guó)家元首級(jí)貴賓，舉辦慶典活動(dòng)和會(huì)議論壇的重要場(chǎng)所。世博會(huì)后，世博中心一方面將轉(zhuǎn)型為具有國(guó)際一流水平的高端會(huì)議中心，具備舉辦“上合峰會(huì)”、“APEC”會(huì)議功能的建筑；另一方面將成為上海每年舉行“兩會(huì)”及其他重要政務(wù)會(huì)議的上海政務(wù)中心。因此安裝在該大堂內(nèi)的LED顯示屏必須體現(xiàn)藝術(shù)性、與周邊環(huán)境的諧調(diào)性和創(chuàng)新性。

世博中心大堂面積為 3000m2，大堂內(nèi)北側(cè)2樓、3樓、4樓各有一塊1000m2的活動(dòng)區(qū)域。設(shè)計(jì)者在世博中心大堂的北側(cè)中央設(shè)計(jì)安裝一塊約400m2的LED顯示屏，作為世博中心主要公共中心傳播的媒體。如果采用傳統(tǒng)的LED顯示屏，它就顯得比較古板就像一堵黑色的墻，將2樓、3樓、4樓的通廊活動(dòng)區(qū)域與大堂完全分割成兩個(gè)獨(dú)立的壓抑的空間，體現(xiàn)不出原本精心設(shè)計(jì)裝潢施工的效果，這顯然是設(shè)計(jì)師們不愿意看到的。

世博中心的建設(shè)方及建筑設(shè)計(jì)師們經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲，對(duì)超大型的LED顯示屏提出了如下特殊需求：

（1）LED顯示屏必須是鏤空通透的，它不點(diǎn)亮?xí)r，2樓、3樓、4樓的通廊活動(dòng)區(qū)域與大堂在視覺(jué)上應(yīng)是通透的，就像一塊薄薄的透明絲織物懸掛在大廳中央。

（2）顯示屏不但能播放各種公共信息、圖片和電視，而且還能播放高清數(shù)字視頻。

（3）不論是播放節(jié)目或是停止播放時(shí)，2樓、3樓、4樓通廊活動(dòng)區(qū)域的人們都能清晰地看到大堂里的活動(dòng)景象，反之大堂的人們也能看到2樓、3樓、4樓通廊區(qū)域的活動(dòng)景象。

（4）該LED顯示屏的主要顯示性能及技術(shù)參數(shù)應(yīng)在國(guó)內(nèi)是領(lǐng)先的，接近或達(dá)到國(guó)外著名品牌的水平。

2 通透率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)

2.1 播放高清功能的實(shí)現(xiàn)

（1） 分辨率設(shè)計(jì)

LED顯示屏與電腦的顯示屏一樣，它們所顯示的圖像都是由像素點(diǎn)組成，每個(gè)像素點(diǎn)由紅、綠、藍(lán)顏色元組成。像素與像素之間有一定的距離，這個(gè)距離我們稱為點(diǎn)間距PH。電腦顯示屏的分辨率是可以設(shè)定的，如1024×768、1280×960、1600×1200等。

拿1280×960舉例：電腦顯示屏的水平方向有1280顆像素水平排列，垂直方向有960顆像素垂直排列，總共有1228800顆像素，它足夠表達(dá)一幅非常細(xì)膩的圖像。

如果電腦顯示屏垂直方向的尺寸為300mm，那么電腦顯示屏上的像素點(diǎn)間距PH=300/1280=0.234mm，如圖1所示。PH是任何數(shù)字式顯示屏的一個(gè)重要參數(shù)。

我們假定：人眼到電腦顯示屏的距離為D=450mm，那么兩個(gè)相鄰的像素與人眼的夾角為θ，那么有等式θ=Arctg0.234/450。

如果我們將電腦顯示屏放大到400m2左右，人眼到顯示屏的距離也按此比例放大，如果要求感知像素點(diǎn)的數(shù)量不變，那么它的PH值也要求隨之放大。由此可見(jiàn)，為保證圖像像素點(diǎn)的感知量不變（或分辯率不變），那么θ的夾角也應(yīng)該不變，如圖2所示。

據(jù)此有等式 ：0.234/450=PH/35000，由此求得PH=18.2mm，即我們?cè)O(shè)計(jì)的LED顯示屏的像素間距應(yīng)設(shè)為18mm。

世博中心大堂大門到顯示屏距離為50m，人們從大門進(jìn)入到大堂到離顯示屏35m處的這一人群所觀看到的大屏圖像效果應(yīng)與人們?cè)陔娔X邊看到的電腦顯示屏圖像效果是相當(dāng)?shù)摹?/p>

根據(jù)大堂的實(shí)際尺寸，我們將LED顯示屏設(shè)計(jì)成寬度為25344mm，高度為14976mm，那么它的水平方向像素點(diǎn)25344/18=1408，垂直方向像素點(diǎn)14976/18=832，則分辯率為1408×832=1171456。

（2） LED顯示屏的底色選擇

因?yàn)槿魏伟l(fā)光體只要發(fā)光就無(wú)法表達(dá)黑色，LED顯示屏表達(dá)黑色的辦法是靠黑色的底色來(lái)表現(xiàn)，所以LED顯示屏的底色應(yīng)設(shè)為黑色。如果從圖像質(zhì)量來(lái)講，LED顯示屏的底色不是黑色的LED顯示屏所顯示的圖像反差會(huì)較小，但是我們考慮到LED顯示屏要與大堂的環(huán)境相諧調(diào)。世博中心大堂左側(cè)是通透的垂直電梯，它的鋼結(jié)構(gòu)顏色是深灰色，大堂地面也為灰色的大理石，因此我們選擇了灰色作為顯示屏底色，它的圖像反差略次于黑色。

（3） 通透率的設(shè)計(jì)

通透率太大也會(huì)使圖像的反差變小，而使圖像質(zhì)量下降。另一方面通透率太大，顯示屏的機(jī)械強(qiáng)度也會(huì)下降?？紤]到結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，我們采用鋁合金作為發(fā)光二極管的載體，鋁條的寬度為11mm，將焊有發(fā)光二極管的PCB板裝入鋁條內(nèi)，安裝好以后，它的通透率為（18-11）/18=38%。

（4） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)通透LED顯示屏只有2種主要零件構(gòu)成，即18304根1152×11×10鋁燈條與23根60×300×14976的龍骨支架組成，舍棄了傳統(tǒng)LED顯示屏的笨重外框。從外觀上看，它沒(méi)有其他贅物與線纜等雜物，非常簡(jiǎn)潔與美觀。為實(shí)現(xiàn)通透率和強(qiáng)度的統(tǒng)一，單元箱體的面積為普通通透LED顯示屏單元的4倍，因此在材料的選用與工藝結(jié)構(gòu)上都有所創(chuàng)新，并采用模具化生產(chǎn)，其制造精度≤0.3mm，一舉解決了大型顯示屏的拼裝有明顯縫隙的難題。單元箱體設(shè)計(jì)如圖3所示。

3 提高LED顯示屏的灰度等級(jí)和掃描速率

前述內(nèi)容完成了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和符合高清要求所需分辨率的硬件設(shè)計(jì)，其分辨率已達(dá)到了1.17百萬(wàn)像素。然而描述LED顯示屏的性能還有兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)即灰度等級(jí)和掃描速率，它們也是衡量LED顯示屏質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。它們的效果可以用攝像機(jī)或照相機(jī)拍攝的圖像表現(xiàn)出來(lái)。如果掃描速率不夠，則對(duì)LED顯示屏動(dòng)態(tài)圖像與靜態(tài)圖像拍攝的圖像效果較差，最常見(jiàn)的是會(huì)出現(xiàn)波紋（莫爾紋）或黑屏現(xiàn)象。用相同的攝像機(jī)或照相機(jī)拍攝著名品牌的LED顯示屏（如巴可、達(dá)科、lighthouse等）時(shí)，效果較好，不會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。這主要是由于后者LED顯示屏的掃描速率較高的緣故。另一方面，顯示屏的主要功能是如實(shí)表現(xiàn)真實(shí)的圖像源，而大自然中的真實(shí)圖像源的顏色與亮度，它有無(wú)窮個(gè)等級(jí)的灰度，人類眼睛在數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化中，已具備了辨別這些細(xì)微差別的能力，即能辨別出LED顯示屏在表現(xiàn)自然界色彩的逼真程度，也就是說(shuō)LED顯示屏灰度等級(jí)越高，越能真實(shí)地表現(xiàn)出自然界的圖像源。

世博中心啟用后，會(huì)有大量的中外記者拿著攝像機(jī)、照相機(jī)蜂擁而至，甚至連普通與會(huì)者也會(huì)將攝像機(jī)、照相機(jī)對(duì)這個(gè)通透的LED顯示屏進(jìn)行拍攝，因此該LED顯示屏的掃描速率與灰度等級(jí)這兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)也要接近或到達(dá)著名同類產(chǎn)品的水平。提高這兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)與LED顯示屏采用的驅(qū)動(dòng)芯片和控制器直接有關(guān)。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)主流LED顯示屏的灰度等級(jí)在12位左右，掃描速率在700Hz左右。他們采用的是臺(tái)灣聚積公司的MBI5024、東芝的T62726或16位恒流驅(qū)動(dòng)芯片，它們與美國(guó)德州儀器公司5942、點(diǎn)晶的PM632、PM634和中慶的9721不同，后者采用PWM技術(shù)，掃描速率與灰度等級(jí)極高。我們?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品要接近著名品牌的產(chǎn)品所顯示的效果，因此采用了PWM技術(shù)。

臺(tái)灣聚積公司在原有的PWM芯片的基礎(chǔ)上推出了新的產(chǎn)品MBI5042，它是16位驅(qū)動(dòng)芯片，采用的是其專利S-PWM技術(shù)，其主要性能與傳統(tǒng)款芯片比較，如表1所示。

表1

該芯片應(yīng)用靈活，南京德普達(dá)公司迅速推出了與之配套的LED顯示屏控制器，世博中心LED顯示屏采用了聚積公司的MBI5042驅(qū)動(dòng)芯片與德普達(dá)的控制器，使其顯示效果達(dá)到了著名品牌的水平。

4 效果

世博中心大堂LED顯示屏于2009年11月30日安裝調(diào)試結(jié)束投入試用，得到了各界的好評(píng)，于2010年3月正式通過(guò)驗(yàn)收并移交上展集團(tuán)，完全達(dá)到建設(shè)方及設(shè)計(jì)方的全部要求。主要性能技術(shù)指標(biāo)也已達(dá)到著名品牌LED顯示屏的水平。效果如圖4所示。