LED显示屏的灰阶和刷新率技术解析

决定一块LED显示屏图像质量的主要因素有：均匀性、灰阶、刷新率、对比度、色域和色温。

LED显示屏的主要受众有三类：人眼、照相机和摄像机。针对照相机和摄像机，“灰阶”和“刷新率”这两项指标尤为重要，不巧的是，它们是一对互为矛盾的指标。

因此，如何在一定的灰阶下进一步提升显示屏的刷新率，或者如何在一定的刷新率下进一步提升显示屏的灰阶，亦或是如何同时保证较高的灰阶和刷新率，其实是同一个问题。

一、LED显示屏的灰阶

LED显示屏的灰阶越高，图像就越细腻，层次感更分明。如下图所示：

根据LED显示屏的驱动原理，在刷新率确定后，显示屏的灰阶取决于以下两个因素：

(1)驱动IC能响应的最窄OE脉宽。目前普遍做到的是70-100ns，少数比较优秀的驱动IC已经做到了20-50ns。OE脉宽越窄，控制系统所能实现的灰阶就越细腻。

(2)控制系统的编码方案。优秀的编码方案在给定的驱动IC上可以进一步提高灰阶的细腻度。

二、LED显示屏的刷新率

LED显示屏的刷新率严格定义为：1秒钟内显示屏图像完整灰阶呈现的次数。

LED显示屏尤其是扫描显示屏的刷新率严重不足时，人眼即可觉察。(一般人在刷新小于240Hz的时候，即可感受到屏幕的呼吸效应，以及滚行效应)。

对于具备高速快门的专业的相机和摄像机，非常容易拍摄到显示屏的刷新率不足的缺陷。

下图以一个4扫屏，1000Hz刷新率为例，对用相机曝光时间设置为1/1000、1/500、1/800、1/2000秒的拍照效果。

灰阶和刷新率在扫描屏上的矛盾非常明显。本文的讨论主要集中在基本款的驱动IC上，不对PWM芯片做讨论。

LED显示屏的灰度通过子场做加权来实现，传统的控制方式是先实现一行所有的子场后再实现下一行的所有子场。这种实现方式由于在每一行上停留的时间太长，视觉刷新率(等价于换行速度)很低，用相机拍照时容易出现黑线。下图为一个8扫屏，单箱体128*128采用传统方式实现14位灰度、300Hz刷新率效果后，用佳能7D相机曝光时间设置为1/1000秒的拍照效果。

传统控制方式的换行速度太慢导致拍照时出现黑线。一种比较有效的方法是将要实现一个灰度的所有子场分成多个部分，先在第一行实现一个部分灰度后做换行，下一行同样实现这个部分灰度，待一轮换行完成后，再实现一个灰度部分，这样可以提高视觉刷新率。显然对一个灰度实现的所有子场分的部分数越多能得到的视觉刷新率就越高。

目前这种技术比较流行，用相机拍照没有黑线，但是会拍出灰度不完整的效果，俗称“汗斑”或“水印”效果。下图为一个8扫屏，单箱体128*128采用16倍打散方式实现14位灰度、3840Hz视觉刷新率效果后，用佳能7D相机曝光时间设置为1/1000秒的拍照效果。

三、Nova最新扫描屏控制方式

Nova于2011年通过控制系统的升级和改进，可以同时保证很高的灰阶和刷新率，在高速快门拍摄下依然有非常出色的表现。

图：NovaLCT显示屏配置界面

扫描屏在实现了高刷新高灰阶的效果后会出现非常严重的余辉(鬼影)。在显示屏上打一道非常亮的斜线，在斜线上方的暗亮点，我们称之为上行余辉，在斜线下方的暗亮点，我们称之为下行余辉。

解决余辉需要从两个方面入手：

(1) 针对上行余辉，需要在行线上做放电处理来消除。

(2) 针对下行余辉，需要使用带预充电的驱动IC，通过控制系统的配合来消除;

目前市面已出现了多款驱动芯片带预充电功能(如聚积MBI515X、MBI5042B/MBI5041B、明阳MY9266、日月成SUM2017/SUM2018等)，结合控制系统的时序调整，能有效消除下行余辉，下图为两个8扫模块在视觉刷新率为3840Hz下，使用普通驱动芯片和带预充电功能芯片的余辉效果对比。

可以看出在使用带预充电功能的驱动芯片并且对行线做放电处理后，结合控制系统的时序调整，在非常高的刷新率下，也能彻底消除余辉。

以下是一组Nova控制系统控制的1/8扫描屏的专业相机拍照照片：

(1) 控制系统：Nova M3控制系统;

(2) 单张接收卡带载面积：128*128点;

(3) 驱动IC：基本款，MBI5024;

(4) 扫描方式：1/8扫描;

(5) 拍照相机：Canon 7D;快门：最快1/8000秒可手动逐档调节;

总结：

虽然LED显示屏的灰阶和刷新率是相互矛盾的，但针对基本款驱动IC的显示屏，通过控制系统技术的升级，即便是在高达1/2000快门的专业相机和摄像机的拍摄情况下，依然可以保证画面无黑线、无亮线、灰阶基本完整;并且，通过控制系统和基本款驱动IC的配合，还突破了传统显示屏一直无法解决的余辉问题。笔者相信本文中所述的技术将会很快在行业中得到推广应用。

审核编辑：汤梓红