最新のLEDビデオスクリーン：特性、技術、選択理由

今日我々は、LEDビデオスクリーンを当然受け入れている傾向があります。 確かに、彼らは私たちの町の共通の機能となった彼らは、ほとんどが彼らの外向きの品質パラメータに注意を払う。 しかし、私たちの雑誌はこの技術を専門としているため、毎日何百万人もの人々が画面上で見ていることを最終的に保証する、最新のLEDビデオスクリーンの主要な技術原則を綴る時が来たと考えています。

最新のLEDビデオスクリーンは、膨大な数のコンポーネントを備えた複雑なシステムです。 画像品質および動作パラメータは、これらの構成要素のそれぞれの品質ならびにスクリーン制御システムの機能に依存する。

                                          LEDビデオスクリーンの典型的なブロック図

次のLEDビデオ画面の特性は、画質の観点から不可欠です。

• LEDビデオスクリーンの解像度（いわゆる空間分解能）LEDビデオスクリーンでは、ピクセル間またはピッチサイズ間の距離に密接に関連している。

• 最大輝度（Nitsで測定）;

• スクリーンがサポートすることができる輝度レベルの数として理解される動的な明るさの範囲（ときどき放射またはエネルギーの分解能とも呼ばれる）。

• フレームレートは、ビデオソースが新しいデータのフレーム全体をディスプレイに供給する頻度、1秒あたりに変化するフレームの頻度（fps）（ 時間分解能とも呼ばれる）を測定します。

• リフレッシュレート（Hzで測定）は、ディスプレイハードウェアがデータを描画するか、フレームをリフレッシュする時間 （秒単位の時間分解能）です。

• スペクトル分解能：カラー画像は、異なるスペクトルの光を区別する。 マルチスペクトル画像は、色を再現するのに必要なスペクトルまたは波長のより微細な差異をも解消する。 この用語は、イメージを作成するスペクトルコンポーネントの数を決定します。

• 画面全体の色の均一性。

• ホワイトバランスと微調整の可能性。

• 輝度の線形知覚 - 人間の目が画面の暗い部分と明るい部分の両方で隣接する輝度レベルをどのように区別するかを決定する画質の主観的な品質。

• 画像コントラスト;

• 視野角によって決まる画質。

画質とは別に、LEDビデオ画面の主要な操作パラメータを検討することが重要です。

• 画面状態のフィードバックまたは監視システム。

• 内蔵の情報セキュリティサブシステムを介してインターネットを介した遠隔制御によるLEDおよびLCDビデオスクリーンネットワークの構築およびシステムの拡張を可能にする、成熟したソフトウェアおよび包括的な制御システム。

• スクリーンからの電磁干渉（EMI）の形態の電磁放射のレベル。

上記のパラメータのいくつかをより詳細に考えてみましょう。

LEDビデオスクリーン上の画像の作成と輝度制御

パルス幅変調（PWM）およびリフレッシュレート

表示される最初の画像はPCファイルとして作成され、通常は* .aviまたは* .mpgのクリップになります。 ファイルは制御PC（またはビデオコントローラ）によってデコードされ、定電流ドライバのマイクロチップに供給される特殊なビデオストリームに変換されます。 ICドライバは定電流をLEDに転送して、特定のスペクトルで発光させます。

PWM - （パルス幅変調）は、さまざまな輝度レベルを制御するためによく使用される技術です。 必要な輝度レベルに応じて、スイッチを電源と負荷の間で高速ペースでオン/オフすることにより、電流が断続的にLEDに転送されます。 例えば、輝度を50％にするには、電流を25％の輝度に達するように、サイクル持続時間の半分の間だけオンにする必要があります。 換言すれば、LEDは、「スイッチオンオン」モードで動作し、「オン」期間は、必要な輝度レベルに対応する。

PWM技術は、LED（およびビデオスクリーン全体）が周期的な画像を生成することを保証する。 最小サイクルの持続時間（LEDが連続的にオンおよびオフに切り替えられる場合）は、リフレッシュ期間またはリフレッシュレートと呼ばれます。

例を考えてみましょう：LEDビデオ画面のリフレッシュレートが100 Hzに等しいとしましょう。 最大100％の輝度を保証するために、リフレッシュ期間全体の間に電流を転送する必要があります。この場合、この場合は1/100 s = 10 msに等しくなります。 輝度を半減するには、電流を5 ms間転送してから5 ms間スイッチを切る必要があります。 その後、同じようにサイクルが繰り返されます。 輝度レベルを1％にするには、電流は0.1msの間にLEDに転送され、スイッチオフ期間は9.9ms持続します。

基本的なPWM方式は変更してアップグレードすることができます。 異なるメーカーでは、スクランブルPWM（マクロブロック）、シーケンシャルスプリット変調（シリコンタッチ）、および適応パルス密度変調（MY's-Semi）という異なる用語が使用されています。 これらの機能はすべて、リフレッシュ期間全体にわたってLEDスイッチを「拡散」させる傾向があります。 したがって、100Hzのリフレッシュレートで50％輝度での画面操作は、「1ms LEDオン - 1ms LEDオフ」サイクルのようになります。 これは、50％の明るさに対して、リフレッシュ期間が5回増加し、2msに等しいことを意味する。 その結果、リフレッシュレートは500 Hzに増加しました。 この計算は、50％の輝度に対してのみ当てはまります。 各明るさパターンについて、LEDがスイッチオンされたときに1インパルス（最小持続時間）の最小輝度が存在し、それがスイッチオフされた残りの時間である。

したがって、厳密な "従来の" PWMサイクルは、現代の修正された方法によって歪められる。 必要な輝度レベルに応じて、より高いリフレッシュレートでより短い期間を識別することができます。 特定のLEDビデオ画面では、リフレッシュレートは、100Hzと1kHzの間で異なる場合があります。 これは、最小輝度または最大輝度の間、リフレッシュレートが約100Hzであることを意味します。 しかし、他の輝度レベルではリフレッシュレートが高いピリオドが発生します。

したがって、修正されたPWM方法の場合、リフレッシュレートの概念はむしろ誤解を招くようになる。 ただし、リフレッシュレートをすべての輝度レベルで画像を更新するために必要な最小期間と定義すると、この定義でリフレッシュレートはPWMプロセスに依存しないため、すべての誤解を避けることになります。

インターレーススキャンベースの画像とLEDビデオ画面の時分割

いくつかのLEDビデオスクリーンイメージングは、一度にすべてのLEDへの電流供給を防止するように構成されている。 ビデオ画面上のすべてのLEDは、2つ、4つ、または8つのグループに分けられ、順番にオンになります。 つまり、上記の画像を作成する方法は、ビデオ画面上の異なるLEDのグループに順番に適用されます。 画面にこのようなグループが2つある場合、画像形成は類似のTVでのインターレース走査と同等です。

この方法は、LEDビデオスクリーンをより安価にするために主に使用される。なぜなら、この画像形成方法は、より少ない量のICドライバを必要とするからである（それに対応して、2倍または4倍だけ）。 ICドライバはスクリーン・コストに約15〜20％寄与するため、経済性が重要になる可能性があります。 さらに、高精細LEDビデオスクリーンでは、小さなピッチスクリーンがPCB上の多数のドライバを位置決めし、ICドライバからの適切な熱伝達を構成するために深刻な問題を抱えているため、時分割方法は事実上避けられない。

当然のことながら、この経済性は、ビデオ画面の輝度を低下させ、リフレッシュレートを低下させる（使用されるLEDグループの数に比例する）。

私たちは時分割法を使って2つのLEDグループを持つ画面を持っているとしましょう。 電流は1つのグループに供給され、必要な輝度を確保します。 もう一方のグループはオフになっています。 1回のリフレッシュ期間の後、グループが交互に切り替わります。最初のグループが暗くなってから2番目のグループに電力が供給されます。 したがって、画面上のすべての情報を更新するのに必要な期間が2倍長くなります。

この場合のリフレッシュレートの概念はさらに微妙になります。 厳密に言えば、リフレッシュの期間または画面全体の画像を更新するために必要な最小時間は2倍になります。 しかしながら、各グループについて、画像形成期間の長さは変わらず、リフレッシュレートは以前と同じままであると主張することができる。

LEDビデオスクリーン、リフレッシュレートおよび人間の目

主に、リフレッシュレートは画像の知覚に影響します。 私たちは通常、画面上の画像を滑らかなものとして認識し、ちらつきの頻度がかなり高いため、ちらつき効果に気付かない。 私たちの視覚は、本質的に物理的なものだけでなく、心理的なものです。 光の個々のフラッシュは、私たちの脳によって「滑らかな」画像にまとめられます。 ブロッホの法則によれば、この合計は約10ms持続し、明滅の明るさに依存する。 十分な頻度で光がちらつく場合（いわゆる閾値CFF-クリティカルフリッカー周波数）、人間の目はTalbot-Plateau法に従って脈動に気付かない。 閾値CFFは、光源のスペクトル、目に対する光源の位置、輝度レベルなどの多くの要因に依存する。 しかし、通常の状態では、この周波数は決して100Hzを超えることはない。

したがって、人の目は、100Hzから1kHzまで変化するリフレッシュレートを有するPWMまたは修正されたPWM方法で形成されたLEDビデオスクリーン画像の差異を区別しない。

LED画面、リフレッシュレート、ビデオカメラ

しかしながら、人間の目だけが画像を知覚する唯一の手段ではない。 ビデオカメラを使用してLEDビデオスクリーンを記録することがあり、ビデオ機器は人間の脳が採用している原理とは大幅に異なる原則に基づいています。 これは、イベントがカメラで録画されるスポーツスタジアム、トレードショー、コンサートホールのすべてのLEDビデオスクリーンの設置に特に重要です。 現代のビデオカメラの露出時間またはシャッター速度は、数秒から数ミリ秒まで変化し得る。

100 Hzリフレッシュレートの従来のPWM方式を使用して画像が形成されるLEDスクリーンを見てみましょう。 ビデオ画面に静止画が表示されます。 1/8秒のシャッタースピード（すなわち、125ミリ秒の露出時間）を使用してビデオカメラでこの画像を記録しようとすると、フォトセンサーは12.5リフレッシュ周期で生成された画像からの光を記録します。 LEDスクリーンとビデオカメラは同期しておらず、カメラによって記録された各フレームは、リフレッシュサイクルの開始および終了に関連する異なる時間に対応する。 しかし、この高いシャッタースピードでは矛盾はなく、カメラはLEDビデオスクリーンの滑らかな画像を記録します。

露出時間が4 msに等しいときにシャッタースピードを1/250秒に下げると、LEDビデオスクリーン上で1つのカメラフレームがリフレッシュ期間の2.5倍短くなります。 今回は、カメラフレームの開始とPWMサイクルの開始との間の相違が重要になります。 いくつかのフレームは、PWMサイクルの始めに対応し、他のフレームは中間に、そして他のフレームはサイクルの最後に対応します。 各フレームは異なる光の流れを記録し、徐々に誤差が累積する。 記録されたビデオを見ると、フレームの明るさが大きく異なってきます。 通常、短い露光時間で記録されたすべてのオブジェクトは、あまり明るく表示されません。 カメラはLEDビデオ画面に「ちらつき」効果を記録します。 露出時間をさらに短くすると、黒いフレームがいくつか見えます（LEDがオフになっている短いPWM期間にカメラフレームの先頭が対応するとき）、記録されたビデオはさらにちらつきます。

したがって、ビデオカメラを使用して従来のPWM機能を備えたLED画面を記録する場合、リフレッシュレートはカメラの露出と同等またはそれ以上でなければなりません。

PWM機能を変更したLEDビデオ画面では、同じロジックが適用されます。 高輝度モードでは、LEDのターンオン時間はPWMサイクルにわたって「広がる」ため、記録された画像は従来のPWM機能に比べてより安定します。 しかし、明るさが低い場合、状況は変わりません。記録された画像は明るさを失うか、ちらつきます。

適切な同期が取られていないので、LEDスクリーンをビデオ録画すると、録画された画像に歪みが生じます。 類似のカメラで類似のTVを録画することと比較することができます。両デバイスのスキャンモードの違いは、TVフレームを分離する斜めの黒線の効果につながります。

もう1つの重要な問題は、LEDビデオ・スクリーン・コントローラーの同期です。 大型LEDスクリーンは、異なるコントローラによって生成された画像を表示するブロック（LEDモジュールおよび/またはキャビネット）でできています。 これらのコントローラがPWMサイクルの開始（つまり、画面の異なる部分でのサイクルの開始）を同期させない場合、LED画面の一部のリフレッシュ・サイクルはカメラ・フレームに対応します。画面の一部は表示されません。 露出がリフレッシュサイクルと互換性がある場合、ビデオ画面の一部が明るく見え、暗いです。 画像全体が暗くて明るい矩形で構成されており、見るのが苦手です。

LEDビデオスクリーン高リフレッシュのコスト

PWM生成方法にかかわらず、それらはすべて共通の特徴を有する。 PWM生成は特定のクロックレートF pwmで動作します。 ある数Nの輝度レベルを生成しなければならないと仮定しよう。 この場合、リフレッシュレートF rはF pwm / Nを超えることはできない。

上記のステートメントを説明するいくつかの例を次に示します。

これらの数字は、ビデオ画面の各LEDが独立したPWM生成プロセスに従うことを示しています。つまり、PWM生成メソッドがICドライバに直接プログラムされています。

シンプルで安価なICドライバを使用すると、LEDビデオ画面のコントローラでPWMが生成されます。 次に、連続してリンクされるドライバの数と、1つのPWM生成プロセスによって処理されるドライバを考慮する必要があります。 1つのPWM生成スキームがM 16出力チャネルドライバを必要とする場合、リフレッシュレートはF pwm /（N * M * 16 ）を超えてはならない。そうしないと、リフレッシュレートが大幅に低下するか、クロック周波数を増加させる必要が生じる。

時分割（インターレース走査）の場合、リフレッシュレートは分割係数に比例して低下する。

したがって、LEDビデオ画面のリフレッシュレートを上げるには、次のオプションを使用できます。

• 「インテリジェントな」（高価な）ドライバーの使用。

• PWM生成プロセスにおけるクロックレートの増加。

• 輝度レベル（色の濃さ）の数を減らす。

それぞれの方法には利点と欠点があります。 知的ドライバは単純なICドライバよりもはるかに高価です。 クロック速度の上昇は消費電力の増加につながります（その結果、過熱を避けるために熱伝達の追加措置が必要となります）。 輝度レベルが低いと画質に悪影響を及ぼします。

結論：LEDビデオ画面でのリフレッシュ

LEDビデオスクリーン製造業者は、優れた画面品質を誇るマーケティングツールとして頻繁にリフレッシュレートを使用します。 前提は、リフレッシュレートが高いほど画質が良いということです。 しかし、多くの場合、潜在的な顧客を混乱させるだけの数字になります。 例えば、数kHzのリフレッシュレートは、修正されたPWM生成方法が使用される（リフレッシュレートが異なる輝度レベルに対して実際に異なる場合）か、色深度が許容できないほど低いことを意味する。

高いリフレッシュレートと高い色深度の値は、LEDビデオスクリーンが常に100％の容量で動作するわけではないので、それ自体が誤解である高輝度レベルでのみ発生する可能性があることを覚えておく必要があります。

飛び越し走査の場合、リフレッシュレート値は1つのLEDグループの1つのPWMサイクルにのみ対応しますが、スクリーンの実際のリフレッシュレート（私たちの知覚に影響する）は数倍低くなります。

変更されたPWMスクリーン機能の場合には、PWMの色深度とクロックレート、および画面のリフレッシュレートのおよその範囲（たとえば、200〜1000 Hz）について言及することがより有益かつ正直です。 LEDビデオ画面が時分割の原則に基づいている場合（たとえば時分割= 1：1 - 時分割なし、時分割= 1：2 - PWMは画面の半分だけで動作します）

上記のパラメータは、我々の知覚にとって不可欠ではない。 人間の目は100Hz以上の周波数で画質の差を記録しません。 結果的に、高いリフレッシュレートが本当に必要かどうか、そして余分な費用を支払う価値があるかどうかを判断する必要があります。

LEDスクリーンが頻繁にビデオ録画（スタジアムやコンサートホール）の対象になる場合のみ、リフレッシュレートと録画された画面イメージの均一性が重要です。 したがって、購入契約に署名する前に、最初にいくつか試し録音を行う方が良いです。