LED顯示屏的室內(nèi)場所應用設計方案

房　勇，張　琦，王茁語

（中國人民解放軍72671部隊）

LED顯示屏的室內(nèi)場所應用設計方案

房勇，張琦，王茁語

（中國人民解放軍72671部隊）

論文以某禮堂LED顯示屏的建設為例， 分析了 LED顯示屏的關(guān)鍵參數(shù)和技術(shù)指標，探討了LED顯示屏的選型設計、安裝過程、對整個系統(tǒng)穩(wěn)定性和可維護性的影響等多個事項，對室內(nèi)場館顯示屏的建設規(guī)劃有著借鑒意義。

LED顯示屏；像素

1　引言

LED顯示屏發(fā)展至今已歷20余年。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，被廣泛應用在戶外大型廣告、舞臺表演、展覽展示、賽事運動等各種場合。與其他顯示設備一樣，LED顯示屏從誕生開始，就伴隨著技術(shù)進步和升級換代，相比其他顯示設備的大尺寸、超輕薄、高分辨率，LED顯示屏在近距離觀看的畫面顆粒感、長時間觀看的舒適度等方面技術(shù)上也有很大改進；并且隨著小間距高密度、低亮度顯示屏等技術(shù)的快速突破，促使LED顯示屏進入室內(nèi)，與DLP拼接、LCD拼接、PDP拼接、工程投影機等一起成為室內(nèi)大型顯示主流方式，越來越廣泛地應用到室內(nèi)多功能禮堂、會議中心和調(diào)度指揮中心。本文結(jié)合工程建設較全面地分析了某禮堂LED顯示屏的設計、安裝、測試及維護等注意事項。

2　項目基本情況

2.1項目的建設需求

多功能禮堂的顯示系統(tǒng)分為主顯示屏（以下簡稱“主屏”）、輔顯示屏（以下簡稱“輔屏”）和會標屏3個部分。主屏建設需求是建設大幅面、高清晰度的大屏幕，顯示多個計算機數(shù)字信號、本會場攝像、遠程監(jiān)視或異地會商的視頻信號等，實現(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；輔屏建設需求是顯示一個標清信號，實現(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、幕布等舞臺機械裝置；臺口兩側(cè)耳墻距地面3m，寬8m，高6m。設計主屏顯示面積至少72m2（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空間，第一排觀眾距屏至少17m；輔屏在耳墻上，顯示面積至少12m2（4m×3m）。

2.2顯示技術(shù)的確定

對于DLP拼接顯示墻、LCD拼接顯示墻和LED電子屏，不管采用何種方式，都要滿足禮堂視頻會議和現(xiàn)場演出的顯示需求，結(jié)合現(xiàn)場情況，對3種顯示方式進行分析比較。

1）DLP拼接顯示墻

DLP拼接系統(tǒng)的優(yōu)點是對比度高、色彩細膩、分辨率高，拼縫小于0.25mm；缺點是顯示效果受舞臺燈光影響較大，亮度和色彩會因投影設備的衰耗不同而難以均勻，燈泡壽命短，維護耗材費用高。

2）LCD拼接顯示墻

LCD拼接單元尺寸一般為為1397mm、1524mm，單元亮度小于1000cd/m2，拼縫最小為2.4mm，壽命6萬小時，優(yōu)點是體輕薄、噪音低、散熱少、易維護，適合近距離觀看；缺點是因單元尺寸小，拼接大屏后拼縫多且明顯。

3）LED顯示屏

LED顯示屏室內(nèi)屏亮度大于1500cd/m2，可以以任意面積拼接為無縫的顯示墻，色彩一致性好，壽命10萬小時，對應用環(huán)境要求低；缺點是近距離觀看顆粒明顯，如果顯示面積不夠大，圖像需要壓縮，影響畫面顯示的清晰度。

相比較3種顯示技術(shù)，對于DLP方式，為了在17m的距離清晰地觀看屏幕顯示內(nèi)容，要求采用高亮度、高對比度的激光光源DLP投影進行多屏的拼接，工程造價較高，并且演出應用可能會產(chǎn)生灰塵和道具觸碰，因此DLP拼接顯示墻不是理想選擇；對于LCD方式，顯示視頻會議圖像會出現(xiàn)人的面部分割的不良顯示效果，同時，對于禮堂環(huán)境在距17m處觀看屏幕亮度不夠高；對于LED顯示方式，由于觀看距離最小是17m， 顯示面積在72 m2左右，所以LED拼接墻的缺點完全可忽略，并且隨著電子產(chǎn)品成本下降，整體造價也不高，系統(tǒng)有超長壽命、低應用環(huán)境，維護容易，適合會議電視和舞臺演出。

3　影響顯示屏體質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)

LED顯示屏在設計屏體時，要考慮顯示內(nèi)容的需要、場地空間條件、顯示屏單元模組尺寸或像素大小三個重要因素［1］，同時還要確保生產(chǎn)工藝、技術(shù)指標等適合室內(nèi)實際應用需求，再結(jié)合整個項目的造價，進行合理設計。

3.1顯示點距的選擇

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，當兩點緊密到一定程度時，人眼將無法分辨。近兩年隨著LED顯示屏制造技術(shù)的提高，小間距LED屏體分辨率不斷提升，室內(nèi)顯示設計已從初始選擇最小的點距規(guī)格方案提升到選擇合適的點距規(guī)格方案。一般從最小視距、最佳視距、系統(tǒng)造價和屏幕顯示分辨率等方面綜合比較，確定系統(tǒng)采用的顯示屏規(guī)格。

表1將比較典型的顯示屏規(guī)格進行對比，P5、P4、P3、P2.5、P2、P1.6的規(guī)格為室內(nèi)常用規(guī)格，“P4”表示像素點距為4mm，最小視距為人眼分辨不出像素點顆粒的距離，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。

通過表1對比可以看出，P2.5、P2、P1.6三種規(guī)格，最小視距和最佳視距非常接近大平板電視的觀看要求，整屏分辨率高達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備，系統(tǒng)的整體造價會很高。P5、P4兩種規(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。P3.1和P3兩種規(guī)格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P3.1作為項目主屏和輔屏的顯示點距，選定P4作為會標屏的顯示點距；LED燈芯選擇國內(nèi)一線品牌，如士蘭、晶元、乾照、三安等。

表1　典型的顯示屏規(guī)格比較

3.2像素封裝技術(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)鍵的指標之一。

LED室內(nèi)主流封裝技術(shù)主要有表貼、直插模式。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，整個顯示屏可以正面維護，大大減小了維護成本和難度；同時，在封裝過程中進行填充金屬化合物，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模塊，直接安插在PCB板上焊接，工藝相對簡單、成本較低，壞點率高，主要應用于戶外顯示屏。

室內(nèi)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3個發(fā)光點封裝合成在同一個發(fā)光管里面，近看是一點， 放大看就是3個發(fā)光點分離的一條線，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LED顯示屏的生產(chǎn)。 三并一表貼（分離表貼）是指紅綠藍3個發(fā)光點是分開封裝的，封裝后排列成1個像素點，再封裝1個面罩保護，能防塵、防劃，并能保護發(fā)光晶片。三并一是分離表貼，三點分開供電，功耗小，且可實現(xiàn)單燈維修，成本較低。一般來說，為了提升室內(nèi)屏的顯示效果，選用表貼三合一、黑燈技術(shù)、金線封裝；比較大型的封裝品牌有臺灣億光、大族激光、佛山國星、深圳路升、浙江英特來、重慶四聯(lián)等。

3.3LED控制電路的設計

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)生相應的動作，從而對每一路紅、綠、藍LED發(fā)光芯片實現(xiàn)單獨控制［1］。

3.3.1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載阻值變化而變化，整個電路不怕負載短路，但嚴禁負載完全開路。穩(wěn)壓電路輸出固定電壓，輸出電流隨負載的增減而變化，整個電路不怕負載開路，但嚴禁負載完全短路。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。

3.3.2控制系統(tǒng)

LED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）控制方式設計的LED電源，轉(zhuǎn)換效率高達80%～90%，且輸出電壓或電流十分穩(wěn)定［1］，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［2］， LED行業(yè)最高刷新率為6800Hz。在攝像機正常取景及轉(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。

3.3.3驅(qū)動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的組合

LED作為電路的負載，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溫度負反饋，防止LED溫度過高。

整個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，實現(xiàn)環(huán)路備份功能，當某一路電源出現(xiàn)異常故障時，其他電源會自動進行智能均流，從而不影響到系統(tǒng)的正常使用，更有效提升系統(tǒng)的無故障運行時間，減少故障維護時間。

3.4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的拍攝下，大屏幕仍能及時響應，畫面轉(zhuǎn)換、過渡更平滑流暢；但在使用過程中會發(fā)現(xiàn)，當攝像機鏡頭對準LED顯示屏時，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——LED顯示屏的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)或攝像機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LED顯示屏表面疊加一層光學處理幕，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，通過光學幕的使用，使LED屏幕從原來的網(wǎng)格狀發(fā)光變?yōu)檫B續(xù)的面發(fā)光，通過對離散的LED像素點進行放大顯示，最終在光學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。

4　LED顯示屏室內(nèi)安裝設計

4.1確定安裝位置

主席臺寬15m，兩邊有側(cè)臺和側(cè)幕，設定寬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。

屏體的安裝位置與最佳視距、視角有直接關(guān)系。GB 50464-2008《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LED大屏幕的最佳距離為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LED屏幕為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。視覺計算如圖1、圖2所示。

經(jīng)測算，大屏幕安裝在主席臺上，屏后安裝維護空間及通道5m，屏前距主席臺邊沿12m，屏體安裝距地面1.35m。

4.2安裝基礎設計

LED大顯示屏都是由若干個箱體組成，業(yè)界分為簡易箱體和標準箱體（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立的顯示單元進行通電和數(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/m2），平整度≤0.2mm，峰值功耗120W（1000W/m2），平均功耗40W（330W/m2）。

圖2　水平視覺計算圖

4.2.1電源設計

禮堂屬于重要場所，按二級負荷設計。該項目采用兩路電源同時供電，當發(fā)生電力變壓器故障或線路故障時，不致中斷供電，另一路電源能負擔全部負荷。根據(jù)《視頻顯示系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合廠方設計參數(shù)，LED顯示屏滿負荷用電功率，按每平方米1000W計算。主屏、輔屏和會標屏總負荷為110kW，平均功率為36.3kW。按照LED電源功耗設計安全規(guī)范，電源功率設計時要留有余量，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。

圖1　設備管理信息系統(tǒng)總體框架

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。在電源設計時，一是要設計智能配電箱，能夠?qū)崟r監(jiān)測整個LED顯示屏的負載運行情況， 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)和最佳運行效率，UPS額定功率為132/0.8=165kV?A，電源型號為GES-NT 160kV?A模塊化UPS。在地下一層配電室安裝160 kV?A UPS和蓄電池柜（后備時間0.5h），從總配電匯流銅排壓線引接120mm24+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90mm24+1電纜引接至LED大屏智能配電箱。

4.2.2箱體安裝

LED顯示屏箱體有鐵箱體、鋁箱體和壓鑄鋁箱體，3種箱體應用于不同場合。壓鑄鋁箱體主要用于高端和租賃，其特點是：模塊化，連接簡單，無風扇自然散熱，超靜音，效果較好，本項目采用的是壓鑄鋁箱體。箱體安裝維護支架為寬12m、高6.85m、深0.8m，主屏箱體重量為2 976kg，箱體維護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9.6m2（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，擴大承重面積。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)架體應嚴格按照確認后的設計圖紙、《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，要可靠地實現(xiàn)工作接地，把數(shù)字電路等電位與大地相接，建立LED顯示屏系統(tǒng)靜電荷泄放通道。

4.3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。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，而要達到主觀感受的一致性，首先要LED各項性能參數(shù)一致。這就要在前期元器件篩選、LED參數(shù)細分的基礎上，進行后續(xù)的精確校正。

4.3.1屏體像素亮度、色度均勻性要求

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、亮度均勻，需要對特定區(qū)域特定像素進行逐點亮度、色度均勻性的調(diào)整。

4.3.2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，但是三基色對應的色坐標是不完全相同的，部分產(chǎn)品存在色彩飽和度高和色域不完整的問題，需要嚴格按照色彩理論進行光強和色坐標校正，確保顯示出理想純凈的顏色，實現(xiàn)顯示屏的動態(tài)白平衡。

4.3.3快速運動圖像補償技術(shù)

LED顯示屏是按逐行方式進行顯示的，而攝像機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動畫面應采取不同處理方法才能既保證靜止畫面的清晰度，又能去除運動畫面的拖尾現(xiàn)象。

4.3.4單點校正技術(shù)

單模塊亮度、色度校正技術(shù)可以實現(xiàn)對單個模塊進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。單點校正系統(tǒng)會對每個顯示屏單元板中的每個像素進行單獨控制，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。

5　結(jié)束語

本文針對多功能禮堂舞臺演出和高清視頻會議顯示需求，從點距選定、像素封裝、視距確定、電路設計、安裝基礎及系統(tǒng)調(diào)試等方面較為全面地介紹了室內(nèi)LED顯示屏的設計方法和注意事項，能夠提升從業(yè)人員室內(nèi)LED顯示屏的規(guī)劃設計能力，對于LED顯示屏在室內(nèi)的應用有很大的推動作用。

【1】王賜然.大話LED［M］.北京：中國電力出版社，2011.

【2】李熹霖.談LED大屏的刷新頻率和換幀頻率［J］.現(xiàn)代顯示，2004.（41）：22-26.

【3】栗小斌. LED顯示屏摩爾紋的消除方法［J］.視頻技術(shù)，2013，（8）：44-47.

Indoor Places Application Design Scheme of LED Display Screen

FANG Yong ， ZHANG Qi ，WANG Zhuo-yu
（The Chinese People's Liberation Army 72671 Troops）

LED display； pixel

【 Abstract】 This article takes the construction of an auditorium LED display as an example ， analyzed the key parameters and technical indicators of LED display screen，discussed a number of issues installation design， LED display process， affecting the entire system stability and maintainability， with reference to indoor venues display construction planning.