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Modernas pantallas de video LED: Características, Tecnologías, Razones para Elegir

Oct 11, 2011

Modernas pantallas de video LED: Características, Tecnologías, Razones para Elegir

Hoy en día tendemos a tomar las pantallas de vídeo LED por sentado. De hecho, se convirtieron en rasgos comunes en nuestras ciudades y en general prestamos atención a sus parámetros de calidad externa. Pero como nuestra revista se especializa en esta tecnología, creemos que ha llegado el momento de explicar los principales principios técnicos de las modernas pantallas de video LED, principios que en última instancia garantizan lo que millones de personas ven en las pantallas todos los días.

La moderna pantalla de vídeo LED es un sistema complejo con un enorme número de componentes. La calidad de imagen y los parámetros operativos dependen de la calidad de cada uno de esos componentes, así como de la funcionalidad del sistema de control de pantalla.

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                                          Diagrama de bloques típico de una pantalla de vídeo LED

Las siguientes características de pantalla de vídeo LED son esenciales desde el punto de vista de la calidad de imagen:

  • Resolución de pantalla de vídeo LED (denominada resolución espacial ), en pantallas de vídeo LED está estrechamente relacionada con la distancia entre píxeles o tamaño de tono;

  • Brillo máximo (medido en Nits);

  • El rango de brillo dinámico se entiende como el número de niveles de brillo que la pantalla es capaz de soportar (a veces también se llama resolución radiométrica o de energía );

  • La velocidad de fotogramas mide la frecuencia con la que una fuente de vídeo puede alimentar un cuadro entero de nuevos datos a una pantalla, la frecuencia de los fotogramas cambiando por segundo (fps) (a veces denominada resolución temporal );

  • La frecuencia de actualización (medida en Hz) es el número de veces en un segundo que un hardware de pantalla dibuja los datos, o refresca el marco (también denominado resolución temporal );

  • Resolución espectral: Las imágenes en color distinguen la luz de diferentes espectros. Las imágenes multiespectrales resuelven diferencias aún más finas del espectro o de la longitud de onda que las necesarias para reproducir el color. El término determina cuántos componentes espectrales crean una imagen;

  • Uniformidad del color a través de la pantalla;

  • Balance de blancos y posibilidad de ajuste fino;

  • Percepción lineal del brillo - calidad subjetiva de la calidad de imagen que determina cómo el ojo humano distingue entre niveles de brillo adyacentes tanto en partes oscuras como brillantes de la pantalla;

  • Contraste de la imagen;

  • Calidad de imagen determinada por el ángulo de visión.

Aparte de la calidad de la imagen, es importante considerar algunos parámetros operativos clave de la pantalla de vídeo LED:

  • Regeneración o sistema de supervisión de la condición de la pantalla;

  • Software maduro y sistema de control integral que permiten escalar el sistema y la construcción de redes de pantalla de vídeo LED y LCD con control remoto a través de Internet a través de un subsistema de seguridad informativa incorporado;

  • Nivel de radiación electromagnética en forma de interferencia electromagnética (EMI) de la pantalla.

Consideremos algunos de los parámetros anteriores con mayor detalle.

Creación de imagen en la pantalla de vídeo LED y control de brillo

Modulación de ancho de pulso (PWM) y frecuencia de actualización

La imagen inicial que se va a mostrar se crea como un archivo de PC, generalmente un clip * .avi o * .mpg. El archivo es decodificado por el PC de control (o controlador de vídeo) y transformado en el flujo de vídeo especializado alimentado a microchips de controladores de corriente constante. Los controladores de IC conducen la corriente constante a los LEDs causando que brillen en cierto espectro.

PWM - (Modulación de ancho de pulso) es una técnica comúnmente utilizada para controlar varios niveles de brillo. Dependiendo del nivel de brillo requerido, la corriente es transmitida a los LED intermitentemente girando el interruptor entre la fuente y la carga encendido y apagado a un ritmo rápido. Por ejemplo, para lograr un brillo del 50%, la corriente debe ser transmitida sólo la mitad de la duración del ciclo, para alcanzar el 25% de brillo, la corriente se encenderá sólo durante un cuarto de la duración del ciclo. En otras palabras, un LED funcionará en un modo "encendido - apagado" en el que la duración del período "encendido" corresponderá al nivel de brillo requerido.

La técnica PWM asegura que un LED (y toda la pantalla de vídeo) produzca una imagen cíclica. La duración del ciclo mínimo (cuando un LED se enciende y apaga consecutivamente) se denomina período de actualización o frecuencia de actualización.

Considere un ejemplo: Digamos que la tasa de actualización de una pantalla de vídeo LED es igual a 100 Hz. Para garantizar el máximo de 100% de luminosidad necesitamos transmitir la corriente durante todo el período de actualización que es en este caso igual a 1/100 s = 10 ms. Para reducir el brillo a la mitad, la corriente debe ser transmitida durante 5 ms y luego apagada durante 5 ms. Entonces el ciclo se repite de la misma manera. Para alcanzar sólo un 1% de nivel de brillo, la corriente se reenviará a los LEDs durante 0,1 ms y el período desactivado durará 9,9 ms.

El método PWM básico puede ser modificado y actualizado. Diferentes fabricantes usan terminología diferente: PWM codificado (Macroblock), Modulación de división secuencial (Silicon Touch) y Modulación de densidad de pulso adaptativa (MY's-Semi). Todas estas funciones tienden a "extender" el periodo de encendido del LED durante todo el período de actualización. Por lo tanto, el funcionamiento de la pantalla al 50% de brillo con una frecuencia de actualización de 100 Hz se parecerá a un "LED de 1 ms encendido - 1 ms LED apagado". Esto significa que para un brillo del 50% el período de actualización aumentó cinco veces y es igual a 2 ms. Por consiguiente, la frecuencia de actualización aumentó a 500 Hz. Este cálculo sólo es válido para el brillo del 50%. Para cada patrón de brillo existe un brillo mínimo de un impulso (una duración mínima) cuando se enciende el LED, el resto del tiempo se apaga.

Por lo tanto, estrictos "tradicionales" PWM ciclos son distorsionados por modernos métodos modificados. Dependiendo del nivel de brillo requerido, podemos identificar períodos más cortos con una frecuencia de actualización más alta. En una determinada velocidad de actualización de la pantalla de vídeo LED puede variar entre, digamos, 100 Hz y 1 kHz. Esto significa que durante el brillo mínimo o máximo la frecuencia de refresco es alrededor de 100 Hz. Pero en otros niveles de brillo encontramos períodos con mayor frecuencia de refresco.

Por lo tanto, para los métodos modificados PWM el concepto de tasa de actualización se vuelve bastante engañosa. Sin embargo, si definimos la tasa de actualización como un período mínimo necesario para renovar la imagen para todos los niveles de brillo , evitaremos todos los malentendidos ya que en esta definición la frecuencia de actualización no depende del proceso PWM.

Imágenes entrelazadas basadas en escaneo y división de tiempo en pantallas de video LED

Algunas imágenes de pantalla de vídeo LED están estructuradas de tal manera que impiden el suministro de corriente a todos los LEDs a la vez. Todos los LED de una pantalla de vídeo se dividen en grupos (normalmente, dos, cuatro u ocho) que se activan a su vez. Esto significa que los métodos de creación de imagen descritos anteriormente se aplican a su vez a diferentes grupos de LEDs en una pantalla de vídeo. Si la pantalla tiene dos grupos de este tipo, la formación de imagen es equivalente a la exploración entrelazada en un televisor análogo.

Este método se utiliza principalmente para hacer más barato las pantallas de vídeo LED, ya que este método de formación de imagen necesita una cantidad menor de controladores de IC (por dos, cuatro u ocho veces, de manera correspondiente). Dado que los controladores IC contribuyen aproximadamente 15-20% al costo de la pantalla, la economía puede ser significativa. Por otra parte, el método de división de tiempo es prácticamente inevitable en pantallas de video LED de alta resolución porque las pantallas de paso pequeño presentan serios problemas al posicionar un gran número de controladores en PCB y disponer la transferencia de calor adecuada desde los controladores de IC.

Naturalmente, esta economía conduce a un menor brillo de la pantalla de vídeo ya una menor velocidad de actualización (proporcionalmente al número de grupos de LED empleados).

Digamos que tenemos una pantalla con dos grupos de LED usando el método de división de tiempo. La corriente se suministra a un grupo para garantizar el brillo necesario. El otro grupo está desconectado. Después de un período de actualización, los grupos se alternan: ahora el segundo grupo se enciende mientras el primero se oscurece. Por lo tanto, el período necesario para renovar toda la información en la pantalla se vuelve dos veces más largo.

El concepto de tasa de actualización en este caso se vuelve aún más sutil. Estrictamente hablando, el período de refresco o un tiempo mínimo necesario para renovar la imagen en toda la pantalla se duplica. Sin embargo, para cada grupo la duración del período de formación de la imagen permanece sin cambios, y podemos argumentar que la tasa de actualización sigue siendo la misma que antes.

Pantalla de video LED, frecuencia de refresco y ojo humano

En primer lugar, la frecuencia de actualización afecta a la percepción de la imagen. Por lo general percibimos una imagen en una pantalla como suave y no notar un efecto de parpadeo porque la frecuencia de parpadeo es bastante alto. Nuestra percepción visual es una naturaleza tanto psicológica como física. Los destellos individuales de luz se resumen en una imagen "suave" por nuestro cerebro. De acuerdo con la Ley de Bloch, este resumen dura aproximadamente 10 ms y depende del brillo de los destellos de luz. Si la luz parpadea con suficiente frecuencia (el llamado umbral CFF - Frecuencia de Parpadeo Crítico), el ojo humano no observa la pulsación de acuerdo con la Ley Talbot-Plateau. El umbral CFF depende de muchos factores tales como el espectro de la fuente de luz, el posicionamiento de la fuente de luz en relación con el ojo, el nivel de brillo. Sin embargo, en condiciones normales esta frecuencia nunca supera los 100 Hz.

Por lo tanto, un ojo humano no distinguirá ninguna diferencia en las imágenes de pantalla de vídeo LED formadas con un PWM o métodos PWM modificados con tasas de actualización que varían de 100 Hz a 1 kHz.

Pantalla LED, frecuencia de actualización y una cámara de vídeo

Sin embargo, un ojo humano no es el único instrumento que puede percibir imágenes. A veces usamos cámaras de video para grabar pantallas de video LED, y el equipo de video se basa en principios drásticamente diferentes de los utilizados por el cerebro humano. Esto es especialmente importante para todas las instalaciones de pantalla de vídeo LED en los estadios deportivos, ferias comerciales o salas de conciertos donde los eventos se registran con cámaras. El tiempo de exposición o la velocidad de obturación en las cámaras de video modernas pueden variar de segundos a milisegundos.

Digamos que nos fijamos en una pantalla de LED donde la imagen se forma utilizando el método tradicional PWM con frecuencia de actualización de 100 Hz. La pantalla de vídeo muestra una imagen estática. Si intentamos grabar esta imagen con una cámara de vídeo con una velocidad de obturación de 1/8 de segundo (es decir, tiempo de exposición de 125 milisegundos), el sensor de foto grabará la luz de la imagen de la pantalla producida por 12.5 períodos de actualización. La pantalla de LED y nuestra cámara de video no están sincronizadas y cada fotograma grabado por la cámara corresponderá a un tiempo diferente relacionado con el inicio y el final del ciclo de actualización. Pero con esta alta velocidad de obturación no habrá conflicto y la cámara grabará una imagen suave de la pantalla de vídeo LED.

Si reducimos la velocidad de obturación a 1/250 segundos cuando el tiempo de exposición es de 4 ms, un fotograma de cámara será 2,5 veces más corto que el período de actualización en la pantalla de vídeo LED. Esta vez, la discrepancia entre el comienzo del fotograma de la cámara y el comienzo del ciclo PWM será significativa. Algunos marcos corresponden al comienzo del ciclo PWM, otros al medio y otros al final del ciclo. Cada fotograma registrará el flujo de luz diferente y gradualmente el error se acumulará. Cuando vemos el video grabado, el brillo de los fotogramas será notablemente diferente. Normalmente, todos los objetos grabados con tiempo de exposición corto aparecen menos brillantes. La cámara grabará el efecto de "parpadeo" en la pantalla de vídeo LED. Si el tiempo de exposición se reduce aún más, definitivamente veremos algunos marcos negros (cuando el comienzo del marco de la cámara corresponde al período PWM corto cuando los LEDs se apagan) y el video grabado parpadeará aún más.

Por lo tanto, si usamos una videocámara para grabar una pantalla de LED con la función PWM tradicional, la frecuencia de actualización debe ser compatible con o exceder la exposición de la cámara.

En las pantallas de video LED con función PWM modificada se aplica la misma lógica. Dado que en el modo de alto brillo el tiempo de encendido de los LEDs se "difunde" durante el ciclo PWM, la imagen grabada será más estable en comparación con la función PWM tradicional. Pero con un brillo bajo, la situación seguirá siendo la misma: la imagen grabada perderá brillo o parpadeará.

Como se ve sin la sincronización adecuada de cualquier grabación de vídeo de una pantalla LED dará lugar a distorsiones en la imagen grabada. Podemos comparar esto con la grabación de un televisor análogo con una cámara análoga: las diferencias en los modos de exploración de ambos dispositivos conducirán a un efecto de líneas diagonales negras que separan los marcos de TV.

Otra cuestión importante es la sincronización de controladores de pantalla de vídeo LED. Las grandes pantallas de LED están hechas de bloques (módulos de LED y / o gabinetes) que muestran imágenes generadas por diferentes controladores. Si estos controladores no sincronizan el inicio del ciclo PWM (es decir, el inicio del ciclo en diferentes partes de la pantalla), podemos encontrar el siguiente problema: el ciclo de actualización en algunas partes de la pantalla LED corresponderá a los fotogramas de la cámara y en otros Partes de la pantalla no lo hará. Si la exposición es compatible con el ciclo de renovación, parte de la pantalla de vídeo parecerá más brillante y otra más oscura. La imagen entera consistirá de rectángulos oscuros y brillantes y será incómodo de mirar.

El costo de la pantalla de vídeo LED de alta actualización

Independientemente del método de generación PWM, todos ellos tienen características comunes. La generación de PWM funciona con una velocidad de reloj determinada Fpwm . Supongamos que tenemos que generar un cierto número N de niveles de brillo. En ese caso, la frecuencia de renovación F r no puede superar F pwm / N.

Aquí hay algunos ejemplos para ilustrar la declaración anterior:

Velocidad de reloj PWM Niveles de brillo Frecuencia de actualización
F _ { pwm } = 10 MHz N = 256 (8 bits por canal) F _ { r } = 39 kHz
F _ { pwm } = 10 MHz N = 1024 (10 bits por canal) F _ { r } = 9,8 kHz
F _ { pwm } = 10 MHz N = 2048 (11 bits por canal) F _ { r } = 4,9 kHz
F _ { pwm } = 10 MHz N = 65536 (16 bits por canal) F _ { r } = 152 Hz
F _ { pwm } = 20 MHz N = 65536 (16 bits por canal) F _ { r } = 305 Hz

Estos números demuestran que cada LED de la pantalla de vídeo sigue algún proceso independiente de generación PWM, es decir, el método de generación PWM se programa directamente en los controladores de IC.

Con controladores IC simples y baratos, PWM se genera en un controlador para la pantalla de vídeo LED. Debemos entonces considerar cuántos conductores están conectados consecutivamente y son atendidos por un proceso de generación PWM. Si un esquema de generación de PWM requiere M 16 controladores de canal de salida, la frecuencia de actualización no puede exceder Fpwm / (N * M * 16 , de lo contrario conduce a una velocidad de actualización significativamente menor oa la necesidad de aumentar la frecuencia de reloj.

En caso de división de tiempo (exploración entrelazada), la frecuencia de actualización disminuye en proporción al coeficiente de división.

Por lo tanto, para aumentar la frecuencia de actualización en las pantallas de vídeo LED, las siguientes opciones están disponibles:

  • Uso de conductores "inteligentes" (caros);

  • Aumento de la frecuencia de reloj en el proceso de generación PWM;

  • Reducción del número de niveles de brillo (profundidad de color).

Cada método tiene ventajas y deficiencias. Los controladores intelectuales son mucho más caros que los simples controladores de IC; El aumento de la velocidad de reloj conduce a un mayor consumo de energía (por lo tanto requiere medidas adicionales para la transferencia de calor para evitar el sobrecalentamiento); El bajo número de niveles de brillo afecta negativamente a la calidad de la imagen.

Conclusión: Actualizar en pantallas de video LED

LED fabricantes de pantalla de vídeo utilizan con frecuencia frecuencia de actualización como herramienta de marketing cuando gozan de excelente calidad de pantalla. La presuposición es que cuanto más alta es la tasa de actualización, mejor es la calidad de la imagen. Sin embargo, a menudo los números sólo sirven para confundir a los clientes potenciales. Por ejemplo, la frecuencia de actualización de varios kHz significa que se utiliza el método de generación PWM modificado (cuando la frecuencia de actualización es diferente para diferentes niveles de brillo) o que la profundidad de color es inaceptablemente baja.

Debemos recordar que la alta tasa de refresco y los valores altos de profundidad de color sólo pueden ocurrir en niveles de alto brillo que en sí mismos son un error, ya que una pantalla de vídeo LED no siempre debe funcionar a 100% de su capacidad.

Para el caso de la exploración entrelazada, el valor de la frecuencia de refresco sólo corresponderá a un ciclo PWM para un grupo de LED, mientras que la velocidad de actualización actual para la pantalla (que afecta a nuestra percepción) será varias veces menor.

Es más informativo y honesto mencionar profundidad de color y velocidad de reloj para PWM y rango aproximado de frecuencia de actualización para la pantalla (por ejemplo, 200-1000 Hz) en caso de función de pantalla PWM modificada. Si una pantalla de vídeo LED se basa en el principio de división de tiempo (por ejemplo, división de tiempo = 1: 1 - ausencia de división de tiempo, división de tiempo = 1: 2 - PWM sólo funciona en la mitad de la pantalla, etc.).

El parámetro anterior no es esencial para nuestra percepción. El ojo humano no registra ninguna diferencia en la calidad de la imagen a frecuencias superiores a 100 Hz. En consecuencia, uno debe decidir si la tasa de actualización alta es realmente necesario y si vale la pena pagar extra por ello.

La velocidad de actualización y la uniformidad de la imagen de pantalla grabada sólo son importantes en los casos en que una pantalla de LED con frecuencia se convierte en un objeto para la grabación de vídeo (estadios y salas de conciertos). Por lo tanto, es mejor realizar primero una prueba de grabación antes de firmar el contrato de compra.