可消除LED全彩屏垂直拖影的模组扫描方式探讨

导读：本文章将根据理论分析和试验而得的垂直拖影与刷新率成正比而与色彩均匀度成反比关系为基础，提出一种新的扫描模式——以一种动态可调节的扫描方式来达到两个比例对象的均衡点，使其得到最佳的显示效果，测试结果表明本方案达到了预期设计目标。

随着LED行业技术的不断革新，LED显示屏的品质要求越来越高，为提高市场竞争力，各厂商逐步推出更高品质的产品。而在现有众多的LED控制系统中，为提高模组色彩均匀度和刷新率，而或多或少在屏幕中留下了垂直拖影的病根。本文章将根据理论分析和试验而得的垂直拖影与刷新率成正比而与色彩均匀度成反比关系为基础，提出一种新的扫描模式——以一种动态可调节的扫描方式来达到两个比例对象的均衡点，使其得到最佳的显示效果，测试结果表明本方案达到了预期设计目标。

1. 现有模组扫描方式分析

在现有LED亮度控制中，最常用的就是电流控制和驱动脉冲占空比控制两种方式。由于在大屏LED显示控制系统中的主控制器多为FPGA器件，因此采用驱动脉冲占空比的控制方式能更充分的发挥FPGA的设计能力。而电流控制方式则比较少在该领域中使用。

在脉冲占空比模组扫描方式中，采用灰度位权值点亮控制实现灰度的方法，即能达到所需的显示效果，又能在较短的时间内实现将一场的视频数据刷新完毕，以达到高刷新频率的显示效果。下面将以12bit灰度位为例来介绍权值控制的实现方法。

我们在显示控制系统中引入“页[1]”和“消影时间[1]”两个概念。“页”即将每个视频帧分成P页来显示，每页显示时长为页周期T。在页周期T内利用“消影时间”来控制不同灰度位的显示时长，即以一个页周期内的OE有效时间长度来控制当前显示的灰度比特位的权值[2]。下表1.1为不同的灰度位所需要的OE有效及消影时间关系。

表1.1 不同灰度位OE有效与消影时间关系表

从上表1.1可以看出，11bit的灰度位等级，一帧的数据量需要显示的时长为38T[3]。对于低位的D0-D7，在38页的刷新过程中仅显示一次，容易导致低频帧闪烁，故对这几位进行特殊控制。为此，将低权值的灰度位信息打散在整个帧显示过程中，如表1.2所示。

表1.2 38T灰度位打散方案

根据前面所讲的灰度位控制方案，根据表1.2的灰度位扫描顺序连续扫描上述的38页后即完成一行像素点灰度位的扫描。其他的灰度等级亦可套用上述的刷新控制方案来实现模组的灰度控制。

2. 垂直拖影形成分析

根据上一节中的扫描控制方法，虽然能达到控制灰度显示的效果，但是为了节省成本，在控制系统中，通常需要让一张的接收卡带载较大的显示范围(如512*256)，则在1/16的动态扫描模式下计算得到的刷新频率只有60Hz。在此情况下，60Hz的led屏幕的刷新频率，行频变换慢，整个屏幕的色彩均匀度降低，人眼观看时会有明显的闪烁感。为了提高观看效果，在刷新过程中，将所有的行扫描1页后，再刷新下一页的数据，则等效的刷新频率将为原来的38倍，即等效刷新频率为2280Hz，显示色彩均匀度远高于前者，人眼观看效果好。与此同时，由于行选择刷新频率为前者的38倍，因此垂直拖影的程度也越高，以至于影响到观看效果。因此得到在动态扫描的模式下，行扫描变换频率越高，色彩均匀度越好，等效刷新频率也越高，但垂直拖影也会越严重的结论，如下图2.1所示。

图2.1 黑色背景白色斜线带垂直拖影图

所谓的垂直拖影如上图2.1中1/8动态扫描模组中显示的黑色背景白色斜线附近辐射出的亮点。在主观意愿上，显示一条斜线时，同一列上只有一个点被点亮，其他点均为灭灯状态。而实际操作中，同一组动态扫描的8行内的同一列中只要有一个点被点亮，其他的点也会被不同程度的点亮，从图2.1中可以清晰的看到在发光点的上下会出现多余的亮点。该问题极大的影响LED显示屏在显示背景色较单一的图片时的显示效果。

垂直拖影的形成关系复杂，它跟模组中的行选择芯片、LED灯管的响应时间，行消影时间的长短，驱动电路板的设计、动态扫描过程中的行扫描频率等都有关系，其中的关键因素当属行扫描频率。行扫描频率越高，垂直拖影也就越明显。因此下一节中我们将提出行扫描频率动态可调节的扫描方式，使得即可以提高屏幕显示效果，又不会产生垂直拖影。

3. 动态可调节扫描方式

如前所述，若直接将38页的灰度位信息在一行中扫描完毕后，再扫描下一行的38页灰度位信息，则会造成等效刷新频率低，显示效果欠佳。而采用所有行都扫描完一页后，再扫描所有行的下一页灰度位信息的方法，虽然可以提高显示效果，但却暴露出了垂直拖影的问题。那么，如果将两个方法综合一下是不是会更好呢?如一行中需扫描完N页后，再扫描下一行，直到将38页灰度位信息在所有的行中扫描完毕，且这个N可以被用户动态配置，这样用户便可根据各模组的差异、使用环境进行不同的配置。如户外屏，由于户外屏的观看视距较远，轻微的垂直拖影并不会影响观看效果，且对刷新频率要求高，因此我们可以适当的减小N的值，以提高行刷新频率(等效刷新频率)RFL= 。而对于室内屏则可以适当的增大N的值，降低行刷新频率，以减少甚至消除垂直拖影。同时，在实际经验中，增大行消影时间也可以降低垂直拖影，但在高刷新状态下效果不明显，且会降低led的显示亮度，因此不建议过量增加行消影时间，以期达到消除垂直拖影的效果。如下图3.1为当N=19时的模组显示效果。

(a) N的参数设置

(b) 黑色背景白色斜线不带垂直拖影图

图3.1 N值等于19时的显示效果图

该方法在实际验证中，既可提高等效刷新频率、屏幕显示的色彩均匀度，又避免了产生垂直拖影对显示效果的影响。下图3.2中图为60Hz刷新频率下N等于38和4的拍摄图片，(a)、(b)两图相差巨大的显示效果体现了在同等视频帧刷新频率下，在不出现垂直拖影的前提下改变同一行中连续扫描刷新的页数N对显示效果的改善作用。

(a) 60Hz刷新频率，N等于38

(b) 60Hz刷新频率，N等于4

4. 总结

本文通过提高等效刷新频率、显示色彩均匀度为切入点，提出一种可提高显示色彩均匀度，且不会出现垂直拖影问题的动态可调节模组灰度位扫描方式，从而得到更高的屏幕显示品质。其实验结果表明该方法确实取得了显示效果的提高，且不会出现前述的垂直拖影问题。

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