L型LED裸眼立體影院軟硬件設(shè)計(jì)分析

賀孝進(jìn) 北京水晶石數(shù)字科技股份有限公司

1.引言

要根據(jù)使用需求設(shè)計(jì)一款適合室內(nèi)展覽展示用的LED屏幕并非易事，特別是建設(shè)一個(gè)帶裸眼立體效果的超大屏幕，保證節(jié)能且長(zhǎng)時(shí)間觀看舒服、友善。設(shè)計(jì)中需要考慮因素很多，硬件方面包括LED單元板各種參數(shù)、LED安裝角度、圖形處理系統(tǒng)計(jì)算，軟件方面需要結(jié)合L型屏幕各項(xiàng)參數(shù)制作三維視覺(jué)的多媒體等。本文以P3的LED 全彩屏搭建119.69平米（立幕 5.47米*10.94米、地幕 5.47米*10.94米）L型影院為例做介紹。

2.L型LED裸眼立體影院組成部分介紹

2.1 LED單元板

LED單元板是L幕中最關(guān)鍵設(shè)備，影響到整體立體效果的呈現(xiàn)。生產(chǎn)制作LED單元板流程為貼片回流焊目檢加電測(cè)試分板上線上螺釘整串模組摔打整串模上電測(cè)試良品滴膠（不良返修）包裝。LED燈及LED燈架、LED驅(qū)動(dòng)芯片是加工主要材料，波峰焊回流焊是主要生產(chǎn)工藝。

2.1.1 LED 燈芯要點(diǎn)

LED是利用化合物材料制成PN結(jié)的光電器件。具備：

①電學(xué)特性：I-V特性、C-V特性

②光學(xué)特性：光譜響應(yīng)特性、發(fā)光光強(qiáng)指向特性、時(shí)間特性以及熱學(xué)特性。

普通的顯示屏系統(tǒng)采用的8bit的色彩顯示層次，這樣在一些低灰度和色彩過(guò)度處顏色生硬。也會(huì)造成彩色光的不適應(yīng)。新型LED大屏幕控制系統(tǒng)采用10bit的色彩顯示層次，大大的改善了色彩在過(guò)度上的硬度。使人們?cè)谟^看時(shí)可以感覺(jué)色彩柔和。避免人們對(duì)光的不舒適感。

“視覺(jué)刷新頻率”通常用赫茲（Hz）為單位。人眼視覺(jué)暫留時(shí)間為1/5-1/30秒，視覺(jué)延遲感應(yīng)速度為＞=40ms，對(duì)人眼而言，理論上刷新率達(dá)到85Hz已經(jīng)感受到的是連續(xù)畫(huà)面，但為了更舒服的顯示效果，建議采用刷新率3,000Hz以上的高效能LED顯示屏。視覺(jué)刷新頻率越高，畫(huà)面顯示越穩(wěn)定，視覺(jué)閃爍感就越小。LED顯示屏的低“視覺(jué)刷新頻率”，人眼在觀看時(shí)因此可能產(chǎn)生不適感，甚至對(duì)眼睛造成傷害。越高的視覺(jué)刷新頻率，顯示的圖像越穩(wěn)定，人眼越不容易覺(jué)得疲勞?，F(xiàn)今在高質(zhì)量視頻中，為得到更精細(xì)的畫(huà)面，如精彩回放或是特寫(xiě)攝影的過(guò)程，都以每秒1,000Hz以上的高速攝影機(jī)進(jìn)行拍攝。

系統(tǒng)中還可以增加亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能改善觀看效果。不同的時(shí)間和地點(diǎn)環(huán)境的亮度變化極大，如果LED顯示屏的播放亮度大于環(huán)境亮度60%我們就明顯感覺(jué)眼睛的不適應(yīng)，也就是說(shuō)造成了對(duì)人的光污染。通過(guò)亮度采集系統(tǒng)，隨時(shí)的對(duì)環(huán)境亮度采集。顯示屏控制系統(tǒng)通過(guò)軟件自動(dòng)換算適合環(huán)境的播出亮度。

2.1.2 LED 燈驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)方式分為恒壓驅(qū)動(dòng)和恒流驅(qū)動(dòng)，恒壓驅(qū)動(dòng)就是以恒定的電壓輸入進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、點(diǎn)亮屏幕，這種方式很少見(jiàn)。恒流驅(qū)動(dòng)就是用恒定的電流提供驅(qū)動(dòng)、點(diǎn)亮大屏。常見(jiàn)的是1/8，1/4，1/16掃描方式。當(dāng)然驅(qū)動(dòng)芯片越多亮度、刷新率越高，那么造價(jià)也是越高的。一般1/16是不錯(cuò)的選擇。

驅(qū)動(dòng)芯片中OE的最短脈沖寬度及反應(yīng)時(shí)間(tr/tf)決定了灰階度的高低，愈小的OE脈寬，就能產(chǎn)出愈高的輸出色階，也就是擁有愈快速的輸出電流響應(yīng)，刷新率及輸出灰階度也就愈高。其中刷新率與輸出灰階度與OE最短脈沖寬度、系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度、串接芯片個(gè)數(shù)與芯片輸出信道數(shù)有關(guān)。要達(dá)到高檔顯示屏的需求，除了高的刷新率，使LED顯示屏能流暢無(wú)閃爍地播放畫(huà)面，也需要具備高輸出色階的能力，來(lái)達(dá)到豐富色彩的LED顯示屏圖像。一種是選擇較短O(píng)E脈沖寬度的LED驅(qū)動(dòng)器來(lái)提高刷新率和輸出色階，但系統(tǒng)傳輸速度和頻寬地會(huì)降低刷新率與輸出色階。另一種是選擇內(nèi)建PWM控制的LED驅(qū)動(dòng)芯片，則可以較小的數(shù)據(jù)傳輸量來(lái)提高傳輸速度，達(dá)到提升刷新率與輸出色階的效果。如選擇高質(zhì)量LED驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)建S-PWM技術(shù)，使得刷新頻率高達(dá)3840Hz，灰度等級(jí)可達(dá)16bit。

2.1.3 LED 支架

LED支架分為直插式、貼片式、大功率、平板式、COB式。燈珠的熱阻、初期不良率及部分SMD斷線都是由支架的設(shè)計(jì)缺陷和品質(zhì)缺陷造成的。LED支架選擇要點(diǎn)：

①、金屬材料種類(lèi)

LED支架擔(dān)負(fù)著散熱和導(dǎo)電的作用，一般用性?xún)r(jià)比較高的銅作為基材，還有金、鋁、鐵支架，表面均做鍍銀處理。

②、電鍍質(zhì)量（電鍍層厚度、電鍍方式）

LED支架的電鍍工藝可分為全鍍、輪鍍、選鍍。全鍍是支架兩面都鍍銀，功能區(qū)和非功能區(qū)鍍相同厚度的銀；輪渡就是支架兩面鍍銀但非功能區(qū)鍍薄銀，銀層厚度只有20-40微英寸；選鍍的話(huà)是支架正面鍍銀，而底部就不鍍銀，非功能區(qū)鍍薄銀。

銀鍍層控制在80微英寸以上最佳，不低于40微英寸，鍍層薄的支架要控制好焊接，很容易造成虛焊。LED顯示屏用于視頻播放，死點(diǎn)指標(biāo)要求控制在1/104之內(nèi)是可以接受。

③、電鍍所用工程塑料材料

部分區(qū)域用工程塑料做絕緣處理。EMC支架主要材料是環(huán)氧樹(shù)脂，屬于熱固性材料，能做MAP封裝，效率高價(jià)格也高，能做到3W；PCT是熱塑性材料；由于耐高溫，流動(dòng)性稍差較脆，目前只能做擠出級(jí)，抗UV性能差異較大，價(jià)格便宜跟PPA相差不大。

2.1.4 LED 封裝

LED封裝的功能主要包括：

1.機(jī)械保護(hù)，以提高可靠性；

2.加強(qiáng)散熱，以降低芯片結(jié)溫，提高LED性能；

3.光學(xué)控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布；

4.供電管理，包括交流/直流轉(zhuǎn)變，以及電源控制等。

LED封裝要點(diǎn)：

①選用高折射率的LED封裝材料，以加大產(chǎn)品臨界角，提高出光效率；

②減少封裝材料光線的吸收，如內(nèi)部置入反光材料；

③提高散熱性能，溫度升高會(huì)導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度降低，主波長(zhǎng)偏移，縮短LED壽命。如粘接材料用錫膏，基材選用銅或者鋁，封裝界都設(shè)計(jì)上考慮熱傳導(dǎo)、創(chuàng)造對(duì)流條件，注重空氣制冷、水冷、半導(dǎo)體制冷等技術(shù)手段保證LED工作在恒溫環(huán)境中。LED發(fā)光效率約20%，大部分轉(zhuǎn)換為熱，為提高散熱性能。

按照上述技術(shù)資料，選定本項(xiàng)目中LED基本參數(shù)如下：

單板尺寸：192mm*192mm

像素點(diǎn)：64*64

LED驅(qū)動(dòng)方式：恒流驅(qū)動(dòng)

掃描方式：1/32掃

亮度：≥600cd

刷新率：≥3840Hz

重量：≤8Kg/m2

可視角：水平（140。）垂直（130。）

①LED單元板數(shù)量計(jì)算

橫向單元板數(shù)量：10.94/0.192=57，3648 個(gè)像素點(diǎn)

縱向單元板數(shù)量：10.94/0.192=57，3648 個(gè)像素點(diǎn)

2.2 LED電源

顯示屏電源是其重要組成部分，主要用來(lái)給顯示屏發(fā)光二極管提供必要的工作電流，保證屏體正常顯示。電源最好有下拖形狀的限流特性，而不是較陡峭形狀的限流特性，以保證有較好的過(guò)載能力、較高的利用率且有一定的冗余，線路連接簡(jiǎn)單可靠。

通常LED屏采用380V供電且耗電量巨大，設(shè)計(jì)電箱時(shí)應(yīng)加入智能化控制，延時(shí)順序開(kāi)啟關(guān)閉，減小對(duì)電源系統(tǒng)的沖擊。本項(xiàng)目中120平米P3間距LED配備120千瓦供電箱及電纜，做好防雷和接地。

2.3 LED圖形處理系統(tǒng)

主要由圖形工作站、LED拼接處理器、LED圖形發(fā)送卡、接收卡，通訊線纜等組成。

2.3.1 發(fā)送卡、接收卡、拼接處理器等計(jì)算

①計(jì)算發(fā)送卡數(shù)量

橫：3648/256=14.25，計(jì)15

縱：3648/128=28.5，計(jì)29

總共435張發(fā)送卡

②計(jì)算接送卡數(shù)量

橫：3648/1280=3

縱：3648/1024=4

總共12塊接收卡

③拼接處理器

單接口HDMI2.0和DP1.4標(biāo)準(zhǔn)支持4K，選用2個(gè)4K端口級(jí)聯(lián)能達(dá)到本項(xiàng)目中8K顯示需求。

④圖形處理器

按照例中LED尺寸，LED大屏物理像素點(diǎn)達(dá)到8K顯示級(jí)，為保證顯示效果，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式顯示最佳。顯卡要求分辨率能達(dá)到7680*4320且支持桌面融合，而當(dāng)前最新的技術(shù)單口僅支持4K，圖形處理器攜帶至少2個(gè)HDMI2.0和DP1.4端口。

2.3.2 信號(hào)線路系統(tǒng)

為減少信號(hào)傳輸過(guò)程中，環(huán)境干擾以及電衰減，選用光纖傳輸。

強(qiáng)電線纜與弱電分離0.5米，做好接地和屏蔽防干擾。

2.4 LED安裝結(jié)構(gòu)

選用LED屏基本參數(shù)如下：

圖一：L型LED影院剖面圖

立幕和地幕均采用鋼結(jié)構(gòu)壁掛式安裝，鋼結(jié)構(gòu)要求焊縫平滑，不得有氣孔夾渣等焊接缺陷。立幕后方預(yù)留600mm空間作為維修棧道，地幕最低處要預(yù)留400mm空間用作地幕維護(hù)。屏幕區(qū)域以外區(qū)域注意吸音材料的使用，以保證影院音質(zhì)效果。立幕和地幕整體鋼架平整度和垂直度使用2米靠尺測(cè)量，誤差在正負(fù)3mm以?xún)?nèi)。

立幕必須完全垂直于觀看者所在看臺(tái)，地幕與觀看者所在地臺(tái)成夾角5%-10%。如無(wú)夾角，觀看者站在看臺(tái)上看到LED發(fā)光方向角度與立幕LED不一致，會(huì)導(dǎo)致立幕地幕顏色偏差。地幕傾斜一定角度增加了LED單元板的安裝難度，要保證LED單元板之間無(wú)明顯的拼縫，最好用LED單元板上微縮結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)。

2.5 L型影院聲音系統(tǒng)

影院聲音系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為建聲設(shè)計(jì)和電聲設(shè)計(jì)，一是音質(zhì)設(shè)計(jì)，二是噪聲控制，可以采用EASE Focus 聲學(xué)建模軟件建模模擬，做到有理論可依。

①電影院建筑設(shè)計(jì)應(yīng)包括聲學(xué)設(shè)計(jì)，聲學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)貫穿影院設(shè)計(jì)的全過(guò)程

②影院內(nèi)各處應(yīng)有良好的清晰度，真實(shí)還原影片的聲音重復(fù)效果。

③影院聲學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)保證觀眾廳內(nèi)達(dá)到合適的混響時(shí)間、均勻的聲場(chǎng)、足夠的響度，滿(mǎn)足揚(yáng)聲器對(duì)觀眾席的直達(dá)輻射聲能，保持視聽(tīng)方向的一致，同時(shí)避免回聲、顫動(dòng)回聲、聲聚焦等聲學(xué)缺陷并控制噪聲侵入。

④觀眾廳內(nèi)具有良好立體聲效果，覆蓋2/3以上參觀者。

⑤影院內(nèi)墻面應(yīng)用吸音材料，做吸聲處理。

⑥合理選擇供聲音源，配置好各種音箱，匹配配置好功率放大器及周邊設(shè)備。

3.系統(tǒng)測(cè)試

3.1 電源測(cè)試

①按電路圖逐一檢查線路，防止錯(cuò)線、少線、多線，檢查完畢后逐級(jí)送電測(cè)量；

②確認(rèn)電源燈和控制卡上燈是否亮，測(cè)量電源控制卡，單元板的電壓，是否正常。 如果電源正常，請(qǐng)檢查控制控制卡與單元板的連接。采用替換配件的方法，排除錯(cuò)誤。

③如出現(xiàn)隔行亮等，可能是網(wǎng)線沒(méi)插好，請(qǐng)重新連接。屏幕某些區(qū)域沒(méi)顯示，更換單元板。

3.2 LED拼接

接收卡的控制范圍由四個(gè)方面來(lái)決定：LED 刷新頻率、灰度級(jí)別、掃描移位時(shí)鐘、屏體的掃描方式。LED 刷新頻率和灰度級(jí)別越大接收卡帶的寬度就越窄，而掃描移位時(shí)鐘越大則寬度越大，但掃描移位時(shí)鐘不是無(wú)限制加大的，如屏體出現(xiàn)閃點(diǎn)則說(shuō)明該屏?xí)r鐘上得太高。而接收卡控制的高度是由屏體的掃描方式來(lái)定的。

本項(xiàng)目將立幕分為6塊，地幕分為6塊，由12臺(tái)塊接收卡控制處理。

合理設(shè)置上述參數(shù)可以達(dá)到想要的色彩色溫效果。

3.3 拼接處理器

①幀輸出同步性，避免拼接畫(huà)面不同步現(xiàn)象；

②優(yōu)化圖像處理算法，使經(jīng)過(guò)縮放處理的圖像保持高清晰度；

③自定義輸出分辨率，應(yīng)對(duì)LED顯示屏物理分辨率不規(guī)則的特點(diǎn)。

3.4 圖形處理器

前述設(shè)置調(diào)試完成，LED屏幕僅能呈現(xiàn)出畫(huà)面，對(duì)于如此大分辨率的LED大屏，還需要對(duì)圖形處理器進(jìn)行調(diào)試設(shè)置。

本項(xiàng)目采用英偉達(dá)P5000顯卡自帶mosaic模式，將立幕和地幕融合為一個(gè)桌面，解決了立幕地幕同步問(wèn)題。也可以采用其他顯卡融合桌面如：surround模式。

在預(yù)算允許的前提下，也可以采用SLI形式或多處理器同步的方式實(shí)現(xiàn)。但這些方式都會(huì)產(chǎn)生幀同步差。

3.5 LED軟件及多媒體

要呈現(xiàn)裸眼立體效果，多媒體制作必須按照L幕影院空間尺寸模擬人視角進(jìn)行相機(jī)設(shè)定和光源布置，為達(dá)到最佳觀看效果，按照點(diǎn)對(duì)點(diǎn)顯示方式，整體多媒體分辨率為3648*3648。首先單幀進(jìn)行視覺(jué)矯正，矯正完成后出小樣測(cè)試，完全測(cè)試正常后輸出整體影片。

好的影院應(yīng)該具有很好的視覺(jué)沉浸感和包圍感，能把人帶入到故事情節(jié)中。人眼能清晰看清視場(chǎng)區(qū)域?qū)?yīng)的雙眼[視角]大約是35°（橫向）X 20°（縱向），同時(shí)人眼在中等亮度，中等對(duì)比度的[分辨力d]為0.2mm，該屏幕[最佳距離L]為6米。其中d與L滿(mǎn)足tg(θ/2)=d/2L，θ為[分辨角]，一般取值為1.5' 將視場(chǎng)模擬為地面為長(zhǎng)方形的正錐體，其中錐體的高為h=L=6m，θ1=35°（水平視角），θ2=20°（垂直視角）。人眼的最佳觀看范圍為8.4米*4.7米，每邊設(shè)定20%的視覺(jué)模糊區(qū)，人眼視覺(jué)最大限度為10米*5.6米，小于本屏幕10.94米的寬度，具有很好的視覺(jué)沉浸感和包圍感。

多媒體制作的難點(diǎn)在于立幕和地幕過(guò)度處，場(chǎng)景中地幕部分呈現(xiàn)帶一定傾斜角度的俯視角度畫(huà)面，立幕顯示帶傾斜角度的側(cè)視畫(huà)面，場(chǎng)景有地幕移動(dòng)到立幕或者由立幕移動(dòng)到地幕時(shí)，相機(jī)和鏡頭不對(duì)，會(huì)造成畫(huà)面中目標(biāo)拐彎，降低立體效果。從視覺(jué)矯正來(lái)說(shuō)，整個(gè)L幕最前方中間位置是視覺(jué)最好的。

4.成功案例

已經(jīng)順利完成大型L型LED裸眼立體影院幕有：

①武漢東湖新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)光谷展廳（立幕寬24.96米×高10.752米、地幕 24.96米×15.744米、總面積 661.34 平米）,

②寧夏銀川規(guī)劃展示館（立幕8米*30米、地幕26米*30米、面積1020平米）、

③北京2022年冬奧會(huì)延慶賽區(qū)展示指揮中心工程（立幕5.47米 *10.94米、地幕 5.47米 *10.94米、面積119.69平方米）

每個(gè)影院立體效果都不錯(cuò)，觀者舒服，效果突出。

5.結(jié)束語(yǔ)

L型影院具有很大的發(fā)展?jié)摿?，為客?hù)展示公司實(shí)力提供一個(gè)嶄新的手段，讓人耳目一新。在這基礎(chǔ)上發(fā)展出了五折幕等新型影院，造價(jià)和制作難度更高，但立體效果和沉浸感更強(qiáng)。