本文結合LED顯示屏廠家10多年的工程經驗，全面地分析了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)調試等方面入手，分享關于邁睿光電室內LED顯示屏設計經驗。這里以多功能禮堂舞臺演出實例作詳細說明。
LED顯示屏廠家之舞臺LED顯示屏設計方案
一、項目基本情況
1.1項目建設需求
多功能禮堂舞臺演出顯示系統(tǒng)分為主屏、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；臺口兩側耳墻距地面3m，寬8m，高6m。設計主屏顯示面積至少72㎡（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12㎡（4m×3m）。
二、影響室內LED顯示屏質量的關鍵技術
室內LED顯示屏在設計屏體時，要考慮顯示內容、場地空間條件、顯示屏尺寸或像素大三個重要因素，同時要確保生產工藝、技術指標等適合室內實際應用需求，再結合項目造價，進行合理設計。
2.1LED顯示屏點間距
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顯示屏制造技術的提高，小間距LED顯示屏體分辨率不斷提升，室內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。
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規(guī)格
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像素間距（mm）
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最小視距(m)
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最佳視距(m)
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模組尺寸(mm)
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(以模組實際尺寸來計算)顯示全清高清信號（1920*1080）屏幕尺寸/m2
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P1.3571
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1.3571
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2
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2~30
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152*171
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2.605632*1.465668
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P1.5833
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1.5833
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2
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2~30
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152*171
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3.039936*1.709964
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P1.9
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1.9
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2
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2~30
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152*171
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3.648*2.052
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P2
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2
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2
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2~30
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128*128
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3.84*2.16
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P2.5
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2.5
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3
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3~30
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160*160/160*80
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4.8*2.7
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P3
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3
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3
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3~30
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192*192/192*96
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5.76*3.24
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P3.91
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3.91
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4
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4~30
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250*250
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7.5*4.5
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P4
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4
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4
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4~30
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256*128/256/64
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7.68*4.32
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P4.81
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4.81
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5
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5~50
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250*250
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9.5*5
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P5
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5
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5
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5~50
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320*160/160*160
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9.6*5.4
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表1：邁睿光電室內LED顯示屏規(guī)格對比
表1將比較典型的邁睿光電室內LED顯示屏規(guī)格對比，P1.3571、P1.5833、P1.9、P2、P2.5、P3、P3.91、P4、P4.81、P5為室內常用規(guī)格，“P2”表示像素點距為2mm，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，P1.3571、P1.5833、P1.9、P2這幾種規(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。P4、P5兩種規(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。P1.5833和P3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。
備注：可能有部分人會覺得表1中LED顯示屏的尺寸太小了，擔心其播放效果，在表1中，小編只是根據(jù)屏幕分辨率1920*1080以及相對應型號的LED顯示屏算出的最小尺寸。當然客戶可以根據(jù)自己的需要增加屏幕尺寸，計算方法是：在每個型號的屏幕尺寸上，長和寬各乘以一個相同的倍數(shù)即可。例如P3LED顯示屏的屏幕尺寸是（長）5.76米*（寬）3.24米，小編這里直接乘以6的倍數(shù)，即：（長）34.56米*（寬）19.44米，算出屏體面積后，屏幕的分辨率仍然是1920*1080。
2.2封裝技術
決定LED品質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。像素封裝技術關系到整個顯示屏的色彩飽和度、視角等顯示效果和生產成本、質量穩(wěn)定性等，是選擇LED顯示屏非常關鍵的指標之一。
室內LED主流封裝技術主要有表貼SMD、直插DIP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。
SMD與DIP模組對比
室內屏的像素結構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。
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，為了提升室內屏的顯示效果，選用表貼三合一、黑燈技術、金線封裝等。
2.3LED控制電路的設計
LED控制部分是決定顯示效果的核心部分，控制電路內置高性能單片微型控制芯片?？刂破魍ㄟ^內部控制程序向LED驅動芯片發(fā)送控制信號和數(shù)據(jù)，LED驅動芯片接收到信號后，產生相應的動作，從而對每一路紅、綠、藍LED發(fā)光芯片實現(xiàn)單獨控制。
2.3.1驅動系統(tǒng)
LED驅動部分的功能是接收顏色數(shù)據(jù)并驅動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產品中。
2.3.2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（脈沖調制）控制方式設計的LED電源，轉換效率高達80%～90%，且輸出電壓或電流十分穩(wěn)定，屬于高可靠性電源。
PWM可以控制LED開和關的時間比例，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。現(xiàn)在灰度等級為10位的大屏，刷新頻率大多為800～1000Hz，LED行業(yè)最高刷新率為6800Hz。在攝像機正常取景及轉動下，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。
舞臺租賃LED顯示屏解決方案
2.3.3驅動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的組合
LED作為電路的負載，與驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的電路連接關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，常用于低端產品中，在穩(wěn)壓驅動電壓中，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品，恒流驅動電路中，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。
2.4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，就會產生摩爾紋。既然摩爾紋現(xiàn)象是由LED顯示屏的固有結構產生的，如果使摩爾紋產生的條件——LED顯示屏的網格結構或攝像機CCD（CMOS）的網格結構的其中之一消失，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。
三、室內LED顯示屏室內安裝設計
3.1確定安裝位置
主席臺寬15m，兩邊有側臺和側幕，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規(guī)格的產品，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、視角有直接關系。GB50464-2008《視頻顯示系統(tǒng)工程技術規(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。
LED顯示屏水平視覺計算圖
3.2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、壓鑄鋁箱體、租賃箱體和標準箱體等（也叫防水箱體，有后蓋）。戶外的屏一般都用防水箱體，戶內多用簡易箱體或租賃箱體。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64×32，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，以銳凌品牌產品P2.5為例，箱體單元的參數(shù)如下：尺寸（W×H×D）為0.64m×0.64m×0.06m，分辨率為256×256，重量為5kg（40kg/㎡），平整度≤0.2mm，峰值功耗60-120W（100-1000W/㎡），平均功耗20-40W（100-330W/㎡）。
3.2.1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)工程技術規(guī)范》，結合廠方設計參數(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。
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，能夠實時監(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-NT160kV·A模塊化UPS。在地下一層配電室安裝160kV·AUPS和蓄電池柜（后備時間0.5h），從總配電匯流銅排壓線引接120m㎡4+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90m㎡4+1電纜引接至LED大屏智能配電箱。
3.2.2LED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2976kg，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9.6㎡（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顯示屏鋼結構架體應嚴格按照確認后的設計圖紙、《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》（GB50205-2001）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、控制器箱體等產品構件應安裝牢固、結構穩(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。
3.3系統(tǒng)安裝調試
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。
3.3.1屏體像素亮度、色度均勻性要求
在生產制造各環(huán)節(jié)，對LED參數(shù)的均一性會產生不同的影響，同時在故障板更換后，不進行調整會出現(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、色度均勻性的調整。
3.3.2色彩還原技術要求
目前各種LED顯示技術盡管一般都采用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。
3.3.3快速運動圖像補償技術
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。
3.3.4單點校正技術
單模塊亮度、色度校正技術可以實現(xiàn)對單個模塊進行亮度和色度的校正，該技術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。
四、總結
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)調試等方面入手，分享關于邁睿光電室內LED顯示屏設計經驗，希望對從業(yè)人員、工程商等朋友們有所幫助，促進交流進步。
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