淺析LED顯示屏

文/[美]鮑勃·科羅曼 編譯/施 端

（1.上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

近年來(lái)，LED視頻顯示屏已在舞臺(tái)劇、音樂(lè)會(huì)、體育賽事和廣告宣傳中被用作燈光效果、舞臺(tái)布景、背景光，甚至還被用作舞臺(tái)臺(tái)面。這些應(yīng)用大多數(shù)由視頻設(shè)計(jì)師、視頻顧問(wèn)和編程師指定使用，由租賃公司和傳媒公司（擁有廣告屏、電子顯示屏）提供器材及臨時(shí)安裝或固定安裝服務(wù)。

雖然LED顯示屏在演藝行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣，然而許多業(yè)內(nèi)人士依然對(duì)這一日新月異的技術(shù)知之甚少，即使人們每天都要在舞臺(tái)和街道上面對(duì)這種設(shè)備。

如今，許多人看到LED顯示屏?xí)r都會(huì)問(wèn)“這是高清的嗎”。答案并非“是”或“不是”那么簡(jiǎn)單，遠(yuǎn)遠(yuǎn)要復(fù)雜得多。由此，需要了解有關(guān)顯示屏方面的基礎(chǔ)知識(shí)，才能辨別它是高清的還是僅僅顯示高清圖像。

LED與像素

LED顯示屏由發(fā)光二極管構(gòu)成。顯示屏采用紅光、綠光和藍(lán)光LED管來(lái)做像素，以混合出數(shù)百萬(wàn)種顏色，這與其他的光混合現(xiàn)象類似。有些制造商宣稱其產(chǎn)品可以混合出數(shù)億甚至數(shù)萬(wàn)億種顏色，并指出更寬廣的色域能在一定程度上提升視覺(jué)效果。不過(guò)，人眼只能分辨約75萬(wàn)種顏色。

根據(jù)制作方法的不同，LED顯示屏被分為兩大類，這兩類顯示屏均采用成組的LED，以產(chǎn)生明亮、清晰的單個(gè)像素點(diǎn)。

直插式LED顯示屏采用單個(gè)LED管，其引腳穿過(guò)電路板，并被焊接在電路板背面。這類顯示屏的LED組合方式有多種，比如把3個(gè)和4個(gè)LED管作為一個(gè)像素，它們采用單個(gè)或多個(gè)紅光、綠光和藍(lán)光LED管，以提高顯示屏的混色效果和亮度。有些顯示屏甚至把5個(gè)或6個(gè)LED管作為一個(gè)像素，以滿足更為苛刻的室外環(huán)境對(duì)亮度、顏色和對(duì)比度的要求。

由于直插式LED顯示屏可發(fā)出非常明亮的光，且其電路板和LED可被封裝在一起，這樣就可防止其免受水和其他物體的侵害，因此，這類顯示屏常被用于室外。大多數(shù)室外顯示屏的亮度可達(dá)5 000 nt（cd/m2），雖然更新的LED的亮度可能要比這亮得多。

表貼式（SMD）LED顯示屏采用RGB LED芯片，焊接于電路板表面的單個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)有3個(gè)非常小的芯片。由于表貼式顯示屏的亮度不及直插式顯示屏，所以不久前其應(yīng)用領(lǐng)域還以室內(nèi)為主。典型的表貼式室內(nèi)顯示屏的亮度為1 000 nt～2 000 nt，這比亮度達(dá)400 nt的普通液晶電視要亮得多。

前些年，新型的表貼式顯示屏已投入市場(chǎng)，其亮度用于室外環(huán)境已綽綽有余，有些還具有防水功能，因此，無(wú)需為其配置額外的透鏡或保護(hù)層就可防止其免受外界物體的侵害。

近來(lái)，有些LED制造商也開(kāi)始生產(chǎn)四合一（RGGB或RRGB）或多合一的表貼式顯示屏，而之前他們?cè)诿總€(gè)節(jié)點(diǎn)處只采用單個(gè)紅光、綠光和藍(lán)光LED管來(lái)做像素。

像素間距

LED顯示屏通常用其像素間距來(lái)描述。它是指顯示屏上像素與像素之間的距離，單位為毫米（mm）。對(duì)直插式LED顯示屏而言，是指同一顏色的LED之間的距離；對(duì)表貼式LED顯示屏而言，是指表貼元件中心點(diǎn)之間的距離。

如：實(shí)像素間距為16 mm的（P16）LED顯示屏表示其像素間距離為16 mm，如圖1所示。有些制造商對(duì)測(cè)量結(jié)果做近似處理，對(duì)像素間距為15.5 mm甚至16.5 mm的顯示屏，仍稱其實(shí)像素間距為16 mm。有些制造商還給出虛擬像素間距或有效像素間距，它是通過(guò)壓縮源圖像信息并分享像素點(diǎn)之間的這些信息得到的。

圖2展示了像素共享示意圖，它通過(guò)LED四合一像素來(lái)共享圖像信息。

制造商通常宣稱其虛擬像素顯示屏能把分辨率提高到原來(lái)的2倍，并提供16/8 mm或24/12 mm LED顯示屏，它能在分辨率較低的情況下“有效地”再現(xiàn)圖像。事實(shí)上，有效分辨率能使顯示屏分辨率提高60%～75%，有些制造商在其技術(shù)資料中指出了這一點(diǎn)，而有些制造商依然引用翻倍后的分辨率。雖然有些產(chǎn)品的性能確有提升，但是人們依然對(duì)這類產(chǎn)品的真實(shí)性能持有不同的見(jiàn)解。

分辨率及其重要性

分辨率對(duì)顯示屏而言是一個(gè)非常重要的參數(shù)，視距就取決于它。無(wú)論對(duì)實(shí)像素顯示屏或虛擬像素顯示屏而言，像素都要達(dá)到一定數(shù)量才能使其顯示出可辨認(rèn)的字母或數(shù)字。大部分常用的字母和數(shù)字都可以通過(guò)一個(gè)小的矩陣顯示出來(lái)，七段數(shù)碼管就是曾經(jīng)常用的顯示器件，如圖3所示。

許多以燈泡作點(diǎn)陣的顯示屏采用3×3、4×4和5×5矩陣，以顯示更為清晰的字符。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：點(diǎn)數(shù)越多，字符越清晰。如果可用的像素?cái)?shù)量越多，那么，字符和數(shù)字的顯示就越清晰，甚至可顯示出各種字體。目前常用于顯示文字的點(diǎn)陣顯示屏的行列數(shù)至少要達(dá)到7×5。

有一些公式用于計(jì)算字符大小所對(duì)應(yīng)的視距。要準(zhǔn)確回答這些問(wèn)題需要某些代數(shù)方面的知識(shí)，筆者推薦字符高度為視距的1/200，這同樣是估算值。

許多智能手機(jī)和筆記本電腦的屏幕都很小，因此，在其顯示屏分辨率下觀看時(shí)效果相當(dāng)不錯(cuò)。根據(jù)制造商提供的規(guī)格參數(shù)，iPhone 4的顯示屏分辨率為960×640。大家都認(rèn)為這一分辨率已相當(dāng)不錯(cuò)，人們可以在上班途中（火車或公車上）閱讀手機(jī)信息和電子郵件，欣賞全家福照片，而且還能觀看視頻。但試想一下，假如有一個(gè)像素間距為10 mm的LED顯示屏，寬度和高度分別為9.6 m和6.4 m，位于體育場(chǎng)或購(gòu)物中心內(nèi)。它的面積很大，但眾所周知，大小并不能決定一切，而更重要的是分辨率。

分辨率為960×640的顯示屏為字母和數(shù)字字符提供了許多行數(shù)，但更為重要的是，它提供了許多像素，可以清楚地觀看廣告和即時(shí)重放信息，就像查看手機(jī)一樣。就這方面來(lái)說(shuō)，觀眾所看到的圖像及其產(chǎn)生和分辨率轉(zhuǎn)換方式變得至關(guān)重要。

視距

筆者現(xiàn)介紹像素間距與視距（觀眾與顯示屏之間的距離）之間的關(guān)系。觀看者所在位置可使相鄰像素在人眼視覺(jué)器官內(nèi)很好地實(shí)現(xiàn)顏色混合，那么，LED顯示屏與觀看者之間的這段距離就是理想視距，這時(shí)人眼已無(wú)法分辨獨(dú)立的像素，畫面效果如同家中的電視畫面一樣。

大多數(shù)制造商是憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)評(píng)估最近視距的，即用1 000（距離因數(shù)）乘以像素間距得到所要的結(jié)果。例如：從至少10 m（10 mm×1 000=10 000 mm=10 m）遠(yuǎn)處觀看P10顯示屏?xí)r，視覺(jué)效果最佳。這一結(jié)論基于：在乘以該距離因數(shù)后得到的視距處（或其附近處），普通人的眼睛和大腦就會(huì)“填滿”像素之間的空隙，以產(chǎn)生單個(gè)圖像（而不是點(diǎn)）的視覺(jué)感受。

此外，還必須考慮保證觀看者能看見(jiàn)顯示屏畫面內(nèi)容的最遠(yuǎn)視距。分辨率與前文提到的iPhone 4相同的P20顯示屏的尺寸約為19.2 m×12.8 m，面積為245.7 m2。最遠(yuǎn)視距可用面積數(shù)值乘以20得到（在本例中約為4 900 m）?；蛟S在該視距處可以看見(jiàn)畫面內(nèi)容，但事實(shí)上卻無(wú)法看清。

為了能看清顯示屏的畫面內(nèi)容，取10或比它小的數(shù)字作因數(shù)，這表示當(dāng)字符高度約為視距的1/200時(shí)（在本例中約為2 450 m），觀眾開(kāi)始可以辨認(rèn)出字符和圖像。

這些公式確實(shí)非常好用，在計(jì)算路邊和建筑物上的廣告屏以及體育場(chǎng)、游樂(lè)場(chǎng)和舞臺(tái)上所用的顯示屏的視距確定常常依據(jù)這些公式。當(dāng)然，根據(jù)條件不同，這些公式應(yīng)得到相應(yīng)修正，比如：LED顯示屏是直插式的還是表貼式的，顯示屏的亮度情況，采用的是虛擬像素還是實(shí)像素，像素與背景之間的對(duì)比度等因素。

值得注意的是，所顯示的圖像也會(huì)對(duì)像素間距和顯示屏分辨率有所要求。輸入的圖像質(zhì)量越好，顯示出來(lái)的圖像質(zhì)量就越佳。

這個(gè)顯示屏是高清的嗎？

當(dāng)購(gòu)買電視機(jī)時(shí)，高清這一概念常常會(huì)被提及。銷售人員會(huì)說(shuō)它是“全高清”的，可以顯示高清圖像。這并不是一眼就能看出來(lái)的，許多“全高清”產(chǎn)品是把圖像經(jīng)過(guò)處理后降低到其實(shí)際的物理分辨率后顯示出來(lái)。分辨率轉(zhuǎn)換是高清的關(guān)鍵所在。

當(dāng)高清圖像以1 920×1 080的分辨率拍攝或制作時(shí)，通常認(rèn)為它的質(zhì)量是最佳的。比如，藍(lán)光DVD是全高清的，現(xiàn)在有些電影和電視節(jié)目也是全高清的，尤其是體育賽事和重大活動(dòng)的轉(zhuǎn)播。而傳輸?shù)男畔⒘吭蕉?，所需的帶寬就越大。這就是為什么高清節(jié)目和3D高清節(jié)目依然沒(méi)有普及的原因所在。

被稱為“全高清”的視頻顯示屏的分辨率有三個(gè)，分別是：720 p、1080 p和1 080 i。字母和“p ”和“i ”與顯示屏的圖像掃描方式有關(guān)（p表示逐行掃描、i表示隔行掃描）。數(shù)字與垂直像素的數(shù)量有關(guān)，由此可見(jiàn)，固定分辨率為1 920×1 080的顯示屏被視為高清，同樣，本機(jī)分辨率為1 280×720的顯示屏也被視為高清。其他“準(zhǔn)”高清顯示屏的分辨率可為1 366×768，甚至分辨率為1 024×768的老式計(jì)算機(jī)顯示器也可被視為“準(zhǔn)”高清。

因此，所有一切都?xì)w結(jié)為：顯示屏的實(shí)像素是否達(dá)到了高清顯示屏的要求，或者顯示屏是否能把高清圖像轉(zhuǎn)換到顯示屏實(shí)際的物理分辨率上顯示。

前文提到的iPhone 4并不是高清。因?yàn)閳D像被壓縮到該顯示屏上，才使其視覺(jué)效果相當(dāng)不錯(cuò)。

分辨率轉(zhuǎn)換

圖像的分辨率轉(zhuǎn)換是其關(guān)鍵所在，大多數(shù)數(shù)字視頻系統(tǒng)可以通過(guò)提高低分辨率圖像的像素或者降低高分辨率圖像的像素來(lái)適應(yīng)屏幕的尺寸。讀者可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)像素映射——源圖像被匹配或被映射到輸出顯示屏上；這常使圖像達(dá)到最清晰的狀態(tài)，這是由于圖像與像素之間沒(méi)有進(jìn)行信息共用或插值。

如果輸入的源圖像分辨率要比顯示屏實(shí)際的物理分辨率高，那么，它會(huì)損失一些圖像細(xì)節(jié)，雖然最終的觀看效果依然不錯(cuò)。如果源圖像分辨率要比顯示屏實(shí)際的物理分辨率低，那么，圖像質(zhì)量不會(huì)因顯示屏的高分辨率而得到任何改善。

因此，體育場(chǎng)或購(gòu)物中心內(nèi)閃閃發(fā)光的LED顯示屏是否是高清的？答案就取決于像素……

（本文編譯自《Lighting &Sound International》2012年5月刊《LED Screens Simplified》一文，http://www.lsionline.co.uk/digital/。）