Сфера применения светодиодных экранов расширяется:
Прогресс в области светодиодных видеоэкранов и электронных табло обеспечил возможность их применения в помещениях
Выпуск 4/2006
Борис Переверзев
(22.04.2006)
В этом номере мы полностью публикуем статью технического директора компании Polymedia - Бориса Переверзева, которая была опубликована в интернет-журнале PCWEEK. В этой очень интересной статье рассматриваются современные светодиодные технологии в области наружных и внутренних светодиодных экранов - технические и оптические характеристики, конструкции, сферы применения светодиодных экранов. Статья опубликована с разрешения автора.
Жители больших городов наверняка обращали внимание на установленные в наиболее людных местах большие яркие экраны, демонстрирующие, как правило, "живые" рекламные видеоролики, но при этом, наверное, немногие знают, что в основе таких экранов лежит светодиодная технология (LED - Light Emitting Diodes). Сегодня только она позволяет получить приемлемое качество изображения в любых световых условиях - даже при прямом солнечном свете. Известная с давних пор, LED-технология за последний десяток лет продвинулась далеко вперед. Тот, кому доведется побывать в Лас-Вегасе и пройтись по центральной улице, может проследить практически всю историю развития уличных светодиодных видеоэкранов и электронных табло - здесь еще пару лет назад можно было увидеть их предшественников на лампах накаливания, а новейшие светодиодные экраны появляются чуть ли не раньше, чем на выставках профессиональных средств отображения информации.
Первоначально для создания светодиодных экранов использовались дискретные диоды красного, зеленого и синего цветов, скомпонованные в квадратные пиксели, каждый из которых образует одну точку изображения. Нужный цвет в каждой точке достигается соответствующим подбором интенсивности свечения разноцветных диодов внутри пикселя. Фактически это тот же самый пространственный синтез, который лежит в основе почти всех современных дисплейных технологий (чтобы увидеть это, достаточно посмотреть, например, на экран компьютерного или плазменного дисплея через десятикратную лупу).
Светодиоды - один из наиболее эффективных источников света. По световой отдаче они раз в пять превосходят лампы накаливания, но разработчики продолжают трудиться над увеличением этого показателя. По-видимому, совсем скоро будут достигнуты значения 60-70 люмен на ватт, и тогда светодиоды сравняются по эффективности с люминесцентными лампами. Кроме того, светодиоды изначально выпускаются с заданными спектральными характеристиками излучения, и потому при сборке дисплеев на их основе не нужно применять дополнительные цветные светофильтры (что необходимо для всех прочих технологий), снижающие общую эффективность излучателя.
Одной из важнейших характеристик светодиодного экрана, фактически определяющей область его применения, является расстояние между центрами соседних пикселей - шаг точек. У первых светодиодных экранов этот параметр имел довольно большое значение, в связи с чем они применялись главным образом в уличных условиях. Сегодня типичные значения шага точек для уличных видеоэкранов лежат в диапазоне 20-30 мм. Поскольку глаз человека имеет разрешение примерно в две угловые минуты, воспроизводимое на таких экранах изображение воспринимается как слитное лишь с расстояния 30-50 м. При шаге 30 мм разрешение уличного видеоэкрана шириной 10 м составляет всего около 330 точек по горизонтали, т. е. примерно соответствует разрешению VHS, характерному для обычных домашних видеомагнитофонов или для телевизоров при невысоком качестве входного сигнала. Схожее разрешение должно иметь и демонстрируемое на таком видеоэкране изображение - иначе мелкие детали просто исчезнут или превратятся в шум.
Особый случай
Отдельно стоит остановиться на ситуации, когда необходимо обеспечить трансляцию в реальном времени видеосъемки на большой видеоэкран в том же помещении, где работает камера. Телевизионная съемка требует достаточно высокого уровня освещенности, и далеко не всегда можно использовать строго направленный свет, дающий, как правило, и высокий контраст, и нежелательные глубокие тени. Таким образом, когда видеоэкраны установлены в том же пространстве, где идет съемка (в телестудии или конференц-зале), съемочный свет неизбежно падает на экран. Большинство решений с экранами обратной проекции в телевизионных студиях, которые можно ежедневно наблюдать по ТВ, имеют качество изображения заметно более низкое, чем качество прямой передачи, - ненасыщенные цвета, неправильный (обычно слишком холодный) цветовой баланс.
Отчасти выручают специальные видеостены, приспособленные к режиму освещения видеостудий. Однако с точки зрения цветопередачи у светодиодных экранов нет равных. Недостатки светодиодной технологии в телевизионной студии связаны главным образом с муаром при интерференции пиксельной структуры матрицы-сенсора видеокамеры и пикселей светодиодного экрана. Но эти эффекты быстро уходят в прошлое с появлением экранов высокого разрешения, и мы надеемся в ближайшее время увидеть результаты разработок в области модификации светодиодных видеоэкранов специально для студийных решений. Что же касается прямой трансляции выступлений в зале, то со светодиодными экранами у режиссера по свету руки развязаны и он может обеспечить наилучшие условия для видеооператоров и быть свободным в собственном творчестве.
Конечно, изображение на большом уличном светодиодном экране или электронном табло воспринимается и с меньших расстояний, однако по мере приближения к нему в какой-то момент оно рассыпается на отдельные пиксели или их части и восприятие становится существенно менее информативным и некомфортным. В данном случае ситуация усугубляется еще и тем, что в каждом пикселе собственно излучающая часть - ее образуют 3-5 светодиодов - занимает лишь несколько процентов от общей его площади. Подобная компоновка, при которой большую часть пикселя составляет черная светопоглощающая поверхность, позволяет минимизировать отражение света от самого экрана. Иначе невозможно добиться высокой контрастности изображения при ярком дневном свете.
Универсальные уличные светодиодные экраны и табло сегодня широко применяются в рекламных целях. Вместе с тем в последнее время их все чаще можно увидеть и на спортивных аренах, где они одновременно выполняют функции информационных табло, а также позволяют воспроизвести видеозапись наиболее интересных моментов состязаний. Кроме того, их уже оценили и в шоу-бизнесе, где они стремительно вытесняют менее эффективные в условиях больших эстрадных площадок проекционные системы.
В угоду разрешению
Поскольку видеоэкраны и табло собираются из отдельных модулей, количество которых может быть весьма большим, в принципе они способны воспроизводить и сигналы высокого разрешения. Однако даже при шаге точек 10 мм такой экран с весьма скромным по компьютерным меркам разрешением SVGA будет иметь ширину порядка 8 м. Именно поэтому разработчики всегда стремились к уменьшению шага точек, но на дискретных светодиодах это было связано с определенными техническими трудностями - одновременно снижалась контрастность, возникали проблемы с отводом тепла, а при переходе на менее мощные светодиоды соответственно падала яркость изображения.
Для повышения качества картинки производители пошли на ряд ухищрений, в частности, изобрели технологию "виртуального пикселя" и даже в спецификациях указывали виртуальное разрешение как вдвое более высокое по сравнению с реальным физическим. С некоторым упрощением можно сказать, что в таких моделях дополнительный (виртуальный) пиксель изображения может формироваться отдельными светодиодами, принадлежащими соседним "реальным" пикселям. Такой метод не то чтобы улучшает передачу мелких деталей изображения, как этого можно было бы ожидать, а скорее позволяет сгладить наклонные и кривые линии. "Виртуальный пиксель" действительно несколько улучшает качество динамической видеокартинки, но оказывается практически бесполезным, если надо обеспечить четкое статическое отображение текстовых символов.
Однако прогресс не стоит на месте. Последние разработки в этой области привели к созданию светодиодных экранов и табло, пригодных для использования в тех областях, где еще несколько лет назад их невозможно было себе представить. С развитием технологии поверхностного монтажа (SMT - surface mounting technology; можно также встретить аббревиатуру SMD - surface mounting device) удалось создать конструкцию светодиода с улучшенным отводом тепла, разместить светоизлучающие кристаллы в одном маленьком корпусе и получить вместо нескольких дискретных светодиодов фактически один полноцветный (в спецификациях его обычно обозначают как RGB 3-in-1). Это позволило уменьшить размер светящейся точки в пикселе без снижения ее яркости и одновременно сократить шаг точек. Автору этой статьи приходилось вместе с коллегами сравнивать две модели светодиодных экранов с практически одинаковым шагом точек (10 мм), одна из которых была построена на дискретных светодиодах, а другая - на интегрированных. Выбор был однозначно в пользу последних. По оценкам специалистов, экраны на диодах типа "3 в 1" позволяют на четверть сократить дистанцию просмотра по сравнению с традиционными.
Интеграция трех светодиодов в один корпус, обеспечив меньший шаг точек, сделала возможным создание светодиодных экранов высокого разрешения, которые вполне можно использовать внутри помещений. Так были разработаны системы с шагом 6 и 3 (3,5) мм, и теперь довольно интенсивно идут работы по дальнейшему сокращению шага.
Наиболее заметные на крупных международных выставках компании, производящие светодиодные дисплеи высокого разрешения, - Barco (серийно выпускает светодиодные экраны с шагом 3,5; 6; 8; 10 мм), Daktronics (3, 4, 6 и 10 мм), Lighthouse (6 мм и выше), Toshiba (6 мм и выше). Некоторые отечественные фирмы также предлагают светодиодные экраны с шагом от 6 мм ("Гелиотрон видеосистемы", "Инкотекс - Дисплейные системы".
Вряд ли кто-нибудь проводил такую статистическую оценку, но, исходя из практического опыта работы отдела аренды компании Polymedia, можно сказать, что большинство проекционных экранов на различных презентациях с большим числом участников имеют размеры от 4 до 8 м по ширине, а дистанция просмотра составляет от 4 до 20 м. Светодиодный экран с шагом 6 мм при ширине экрана 6 м обеспечивает разрешение порядка 1000 пикселей по горизонтали, а это уже почти XGA-разрешение. Минимальная дистанция комфортного просмотра для таких экранов лежит в диапазоне 8-10 м, а при шаге в 3 мм составляет 4-5 м. Правда, даже с таких расстояний изображение на видеоэкране воспринимается несколько иначе, чем полученное, к примеру, с помощью проекционных систем. "Пикселизация" изображения, за которую в свое время эксперты активно критиковали проекционные системы, проявляется на светодиодных экранах даже более отчетливо, что связано с уже отмеченными выше обстоятельствами - для достижения большой контрастности внутри каждого пикселя должна быть значительная темная площадь. И тем не менее можно говорить о том, что сегодня мы находимся в одном шаге от применения светодиодных экранов и табло в конференц-залах и на презентациях, требующих демонстрации слайдов с компьютерным разрешением.
LED-технология в помещении
Оптические характеристики
Что же дает светодиодная технология в этой новой для нее сфере применения? Прежде всего, наилучшую по сравнению со всеми конкурирующими технологиями контрастность изображения при значительной внешней засветке. Более заметная "пикселизация" картинки компенсируется в этом случае повышенной яркостью и расширенным цветовым диапазоном (color gamut), а следовательно, и возможностью получать гораздо более насыщенные и чистые цвета. Так, прямая проекция даже с использованием проекторов самого высокого класса требует ювелирного управления внешним освещением, и примеров удачных решений не много. Обратная проекция (когда экран работает на просвет) гораздо эффективнее прямой с точки зрения обеспечиваемой контрастности, но предполагает наличие за экраном значительного свободного пространства и по насыщенности цветов не может соревноваться со светодиодными экранами. Видеостены (см. PC Week/RE, N 36/2005, с. 22) также занимают немало места (как правило, в глубину от 60 см и более), причем многим не нравятся очевидные швы на экране. Кроме того, видеокубы, из которых собираются видеостены, сохраняют свои характеристики на приемлемом уровне лишь в достаточно стабильных условиях работы, например в диспетчерских залах, где их никогда не выключают. Видеостенам также свойственны определенные проблемы с лампами, используемыми в проекционных модулях в качестве источников света. Причем эти проблемы обусловлены не столько надежностью ламп, сколько различием их спектральных характеристик в разных партиях, что приводит к разбалансировке цветопередачи на отдельных кубах и соответственно к необходимости периодической их настройки квалифицированным инженером.
У светодиодных экранов и табло те же проблемы решаются намного проще, а стабильность параметров существенно выше, в силу чего эксплуатационные расходы у них ниже. Светодиодный экран размерами 6 х 4,5 м с 6-мм шагом содержит приблизительно 750 000 светодиодов "3 в 1", т. е. фактически 2,25 млн. отдельных светодиодов. Как достигается в этом случае равномерность и чистота цвета? В процессе производства происходит отбор светодиодов по яркостным и цветовым характеристикам. Для производства видеоэкранов отбираются диоды одной категории (с близкими характеристиками). Для более точной балансировки измеренные роботизированной установкой характеристики каждого диода прописываются в ПЗУ каждого модуля, и, таким образом, характеристики становятся практически идентичными в пределах одного модуля. Соответственно при включении модуля в большой экран характеристики первого передаются в общий управляющий процессор, который выравнивает яркость и цветопередачу всех модулей.
Угол обзора у светодиодных экранов внутреннего применения достаточно широк как по горизонтали, так и по вертикали (у лучших образцов - почти 180°, или ±90° от нормали), при этом отсутствуют недостатки, присущие наружным видеоэкранам: нет необходимости в маскирующих солнечный свет козырьках, ограничивающих вертикальный угол обзора; при наблюдении сбоку нет цветового сдвига из-за маскировки диодов одного цвета другими диодами в кластере.
Яркость светодиодных экранов внутреннего применения составляет 1000-3000 кд/м2. Для сравнения: нормативная яркость экрана в кинотеатре - 20-60 кд/м, рабочая яркость компьютерных мониторов - 200 кд/м, То есть внутренние LED-дисплеи по яркости уступают только наружным собратьям, у которых типичные значения лежат в диапазоне 5000-7000 кд/м. (яркость видеостен или плазменных панелей - 300-500 кд/м). Одно из существенных преимуществ светодиодных экранов - большой диапазон регулировки яркости (от ста до единиц процентов), практически недоступный никаким другим технологиям получения изображения (кроме утратившей свои позиции CRT). Нет равных светодиодной технологии и по сроку службы - производители заявляют 50 000 ч до снижения яркости наполовину.
Конструкция
Достоинства светодиодных экранов определяются не только их электрическими характеристиками, но и конструктивным исполнением, основанным на модульном принципе. Характерные размеры модулей для систем с шагом 6-10 мм составляют примерно 50 х 50 см, иногда более. Размеры модуля компании Barco ILite 3 с шагом 3,5 мм составляют 258х193 мм. Глубина модулей лежит в пределах 10-20 см (до 30 см вместе с разъемами и кабелями). Жесткость конструкции корпуса модуля у лучших производителей настолько высока, что позволяет собирать достаточно большие видеоэкраны и электронные табло (2,5-3 м в высоту) без дополнительной несущей структуры. Подвешивать же можно до 15 модулей (по высоте они составят 6-7 м).
Светодиодные экраны и табло поставляются в виде либо произвольного количества отдельных модулей с дополнительными аксессуарами (несущей структурой для самостоятельной установки или подвески), либо комплектов, включающих внешнее обрамление (раму) для экрана определенного размера и, например, стойку. В первом случае инсталлятор может сам собрать окончательную конфигурацию с произвольным аспектным соотношением сторон или даже неправильной формы. Второй вариант более предпочтителен, когда нужно получить в итоге "нормальный" видеоэкран (4:3 или 16:9). Обычно готовые комплекты стоят несколько дешевле. Производители стремятся предлагать инсталляторам большие возможности выбора решений, уменьшая размеры модулей. Так, в новом продукте Barco OLite с 10-мм шагом размеры отдельного модуля составляют всего 116,6х83,6 мм. Из таких модулей можно собирать экраны почти произвольной формы или, скажем, выкладывать из модулей символы и логотипы, на поверхности которых может демонстрироваться высококачественное видеоизображение (с учетом дистанции просмотра, конечно).
 |
 |
| Структура уличного видеоэкрана на дискретных светодиодах (слева) и экрана внутреннего использования с высокой плотностью пикселей на интегрированных светодиодах | |
Модульная конструкция предоставляет большую свободу для архитекторов и дизайнеров при разработке экранных решений. Архитектор может гораздо точнее выдерживать соотношения между размерами экрана и других архитектурных элементов, а перед дизайнером интерьера открываются небывалые прежде изобразительные возможности благодаря тому, что он может произвольно задавать аспектное соотношение в сочетании с соответствующей подготовкой изображений. Отдельные швы (щели) между модулями практически отсутствуют, их можно увидеть лишь при большом желании на каком-нибудь тестовом сигнале "белого поля", но при достаточном мастерстве монтажников сделать это вряд ли удастся. Для устранения неполадок в видеоэкране необязательно выключать весь экран.
При желании видеоэкран можно сделать подвижным (перемещающимся по направляющим без прерывания демонстрации изображения) или, например, сформировать из модулей криволинейную поверхность, что не позволяют сегодня другие технологии отображения визуальной информации.
Надежность
Как и при изготовлении любого довольно сложного и не очень дешевого устройства, производители светодиодных экранов и табло уделяют особое внимание их надежности. Даже в сравнении с такими надежными устройствами, как видеокубы, светодиодные системы выигрывают, поскольку в них отсутствуют механические подвижные части (в видеокубах есть вращающиеся цветовые фильтры и сам DLP-чип имеет подвижные микрозеркала) и нет столь высокотемпературных и потенциально взрывоопасных устройств, как лампы, т. е. ломаться, собственно говоря, нечему, если уж оно работает. Однако огромное количество элементов в системах (знаменитая круглая светодиодная стена на Таймс-Сквер в Нью-Йорке содержит 18 млн. светодиодов) потенциально может служить источником каких-то мелких неисправностей. Поэтому конструкции экранов предусматривают возможность изъятия неисправных модулей из несущей структуры, и часто без вывода остальных модулей из работы.
Управление
Сигнал для светодиодных экранов формируется специальным контроллером. У разных производителей контроллеры сильно различаются по своей идеологии. Это может быть решение на базе персонального компьютера или аппаратное решение, где компьютер выполняет лишь внешнюю управляющую роль и после настройки может быть отключен. Последний вариант часто оценивается как более надежный и стабильный, не требующий никаких дополнительных действий для запуска после включения и не подверженный компьютерным зависаниям в самый ответственный момент. Наиболее совершенные контроллеры могут иметь несколько входов, способных принимать сигнал практически всех распространенных компьютерных и видеоформатов, масштабировать, кадрировать их, формировать многооконное изображение (picture-in-picture), корректировать цвет и гамму изображения.
Одна из трудных для контроллера задач - преобразование видеосигналов с чересстрочной разверткой для демонстрации на большом светодиодном экране или электронном табло. Корректное преобразование движения на видеоэкране требует значительных вычислительных мощностей для исключения таких артефактов, как подергивания или мелькания. Крупноразмерные экраны вообще предъявляют гораздо более высокие требования к видеоизображению, нежели, скажем, традиционные телевизионные мониторы. В частности, на светодиодном экране с шагом 6 мм нам казалось неудовлетворительным изображение, получаемое от достаточно качественных источников видеосигнала (тестовый диск Extron и хороший DVD-проигрыватель), хотя разрешение самого экрана едва дотягивало до VGA. Зато изображение в формате HDTV с прогрессивной разверткой выглядело блестяще, при том что разрешение видеоэкрана составляло лишь восьмую часть необходимого. По-видимому, проблема качества исходного материала для демонстрации на светодиодных экранах будет чувствоваться острее, что иногда трудно бывает объяснить заказчику, у которого на телевизоре все выглядит замечательно. Распространенные телевизионные стандарты разработаны более чем полвека назад, а в "бытовом" исполнении качество материала далеко от совершенства даже по тем стандартам.
Цена
Как и любая техника профессионального назначения с длительным сроком службы, светодиодные экраны сегодня стоят недешево. Цена конкретного решения определяется стоимостью собственно экранных светодиодных модулей, необходимой несущей структуры и процессорной части. При этом модули с более плотным размещением светодиодов (с меньшим шагом точек) обойдутся заказчику, естественно, дороже. Так, если удельная стоимость уличного видеоэкрана с шагом 23 мм может составлять порядка 8300 долл. за квадратный метр (экран размером 8 х 6 м с реальным разрешением 380 х 256 точек обойдется примерно в 400 000 долл.), то у экранов с шагом 3 мм она достигает 100 000-150 000 долл. за квадратный метр. Тем не менее популярность подобных решений для воспроизведения высококачественного изображения в помещениях, несомненно, будет расти. В немалой степени этому способствует развитие таких форм бизнеса, как предоставление дорогостоящих видеоэкранов в аренду под конкретные мероприятия. Светодиодные экраны для этого вполне пригодны, поскольку допускают многократную сборку/разборку и относительно просты в настройке.
