LED显示屏清晰度提升技术综述.docx

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LED显示屏清晰度提升技术综述

LED显示屏视频图像分解力提升技术综述

程德诗

（上海三思科技发展有限公司，上海200030）

摘要：

本文分析了影响LED显示屏视频图像分解力两大环节：

（1）视频前端处理技术；

（2）显示终端像素分辨率，并阐述了其特点。

尤其是对目前业内各种关于LED显示终端分辨率提升技术混乱的提法给出了明确的定义，供大家探讨，希望能够逐步统一定义，形成标准，从而规范市场。

关键词：

LED显示屏；分解力；像素

ACONPREHESIVEINTRODUCTIONTOTECHNOLOGIES

FORIMPROVINGLEDVIDEOIMAGERESOLUTIONQUALITY

ChengDe-shi

（ShanghaiSansiTechnologyCo.,Ltd.）

Abstract:

ThispaperanalysestwokeyfactorsinfluencingtheresolutionofLEDscreenvideoimageandtheirfeatures:

（1）Technologiesforvideosignalpreprocessing;

（2）Displayterminalpixelresolution.Particularly,specificdefinitionsaresuggestedforthevarioustechnologiescurrentlyusedintheindustryforimprovingLEDdisplayterminalresolution,mostofwhichhavebeennamedconfusingly.Itishopedthatthroughthispaperandthedefinitionsitoffers,unifieddefinitionsinthisfieldcouldbegeneralizedandstandardized,soastoservetonormalizethedisplaymarket.

1.概述

早在八十年代末LED显示屏行业就开始进入了视频显示的探索，在初始阶段，LED显示屏存在着色彩还原度差、灰度失真大、刷新频率低、亮度及色度均匀性差、运动图像失真、亮度低、噪声大、清晰度低等一系列问题。

历经十多年的发展，伴随着电视技术的整体提高和相关器件的突破，通过业内上、下游的共同努力，上述许多问题已逐步得到根本性的改善。

但是，和其它媒体电视相比（LCD、PDP、投影等），LED显示系统的视频图像分解力还存在着明显差距，因此提升LED显示屏视频图像分解力已成为业内的当务之急。

2.常用基本概念

在电视系统中，分解力是一个很常见却又很容易引起混淆的专业术语。

与之相近的词有：

分辨力、分辨率、清晰度等。

从概念上讲，它们之间既有区别又有关联。

因此，在讨论LED显示屏视频图像分解力之前，我们应弄清楚这些基本概念。

2.1分解力:

指电视系统分解与综合图像细节的能力。

分解力越高，则电视系统处理并表现视频图像细节的能力越强。

视频图像分解力可分为水平分解力和垂直分解力，它们的单位都是一个画面高度内的电视线数（TVL/PH）。

2.2分辨力:

分辨力虽与分解力只一字之差，但含义却完全不同。

分辨力通常指人眼对图像细节的分辨能力，其衡量单位是分辨角，它的大小反映了人眼的视角锐度，即视力。

2.3分辨率：

指显示终端在水平和垂直方向上对画面的处理和显示能力，通常用水平方向的有效像素数和垂直方向的有效像素数的乘积即有效像素总数来表示。

2.4清晰度：

清晰度的概念比较朦胧，一般指视频画面的清晰程度，它是人们对图像质量主观印象的认定。

是一个心理参量。

3.关键技术分析

我们知道决定LED显示屏视频图像分解力的主要因素，除了信号源质量和信道质量外，与LED显示屏自身密切相关的环节主要有：

（1）视频前端处理技术；

（2）显示终端像素分辨率。

下面我们分别对这两个关键环节作进一步分析。

3.1视频信号处理技术

从复合模拟全电视信号（Video）到分量数字视频信号（DR、DG、DB），这一过程是LED视频显示屏必备的一个核心环节，它对系统最终的图像分解力起着至关重要的作用。

通常，实现这一过程主要有两种途径：

3.1.1途径一：

先将输入的复合全电视信号进行解码，得到一组分量模拟信号；再对分量模拟视频信号进行模/数转换，最终得到分量数字视频信号（见图一）。

（图一）

我们知道复合全电视信号中包含有一个亮度信号Y和两个色差信号FU、FV。

运用频谱搬移技术使它们实现频谱间置而公用一个频带，这称为亮/色频分复用。

因此，在电视接收端如何进行亮/色分离和FU/FV分离是影响视频图像分解力的关键。

在一些要求较低的设备中，只采用简单的带通滤波器实现亮/色分离。

当然，这种方式得到的色度信号中包含一部分亮度信号的高端成分，从而在图像的细节处存在较严重的亮/色串扰和FU/FV串色现象。

若想完全克服上述现象，应采用梳状滤波器。

梳状滤波器可使亮度对色度的串扰幅度降低3dB，并使彩色信杂比提高3dB。

3.1.2途径二

运用一个特定的频率先对复合全电视信号（Video）直接进行模/数转换，得到一个复合数字视频信号（复合编码）；然后采用数字方式进行解码，并得到分量数字视频信号（见图二）。

（图二）

途径二实现数字解码的一个关键是采样频率频点的选择和采样频率相位的精确度。

为了较好的还原色彩，通常选择色副载波fsc整倍数作为采样频率，而fsc又恰恰是二分之一行频fH/2的整倍数，因此我们可以通过锁相确保采样频率和相位的精度。

比较两种途径对图像的影响，我们发现途径一（梳状滤波器方式）亮/色和FU/FV分离的较为干净，得到的图像色彩较为鲜艳。

而途径二由于采用了较高的采样频率可得到较高的亮度清晰度。

3.1.3常见形式

实现从复合模拟全电视信号（Video）到分量数字视频信号（DR、DG、DB），目前常用形式主要有：

（1）多媒体卡（数字RGB输出）

（2）多媒体卡（DVI输出）

（3）通用大屏幕优化器

（4）LED显示屏专用视频处理器

●多媒体卡（数字RGB输出）

该形式已经历了十多年的发展，目前在这类产品中，由于缺乏采用专业级的核心芯片作支持的同类产品。

还因为将模拟视频信号引入电磁环境复杂、电源和地线纹波极大的计算机内部。

因此，我们最终很难得到理想的数字RGB信号。

目前该方法在一些高要求的LED显示屏项目中渐渐不被采用。

●多媒体卡（DVI输出）

由于与形式

（1）同样原因也无法成为主流产品。

●通用大屏幕优化器

通用大屏幕优化器是欧美等发达国家为了提高大屏幕投影电视中扫描线过粗、屏幕闪烁等现象而专门研制的产品。

以英国史诺维思公司的SupervisordisplayUp-Converter为代表。

可实现视频信号帧格式上行变换，提高换帧频率，通过插值运算还可以提高输出信号的分辨率，并具有灰度gamma变换、Video/SVGA叠加等功能。

但由于该类设备是为了大屏幕投影仪而研制，因此应用到LED显示屏中来还存在一些缺憾，例如缺乏图像缩放、RGB亮度/对比度独立调整、运动图像补偿、色空间变换等功能，尤其是没有数字RGB输出，使得在后端还需再次进行A/D转换，由此降低了图像的信噪比。

最终损失了视频图像分解力，同时该类仪器还有许多功能在LED显示系统中没有使用价值，而且价格很高。

因而，笔者认为在LED显示系统中该形式并不一定是最佳方案。

●LED显示屏专用视频处理器

该形式是为了满足LED显示屏的特殊需求而开发的。

一般采用了PHILIPS、TRIDENT等国际知名企业的专业级视频处理芯片为核心，可实现从复合模拟全电视信号（Video）到分量数字视频信号（DR、DG、DB）解码及转换功能，并具有帧格式变换、图像缩放、灰度非线性变换、色彩空间变换、运动图像补偿、视频降噪、RGB亮度/对比度独立调整、Video/SVGA切换、和分量数字视频信号远距离传送等专用功能。

因而，该形式拥有很高的性能价格比。

3.2显示终端分辨率

要提高LED显示屏视频图像分解力，仅有良好的视频前端处理技术，而没有足够的显示终端分辨率（有效像素数）作保障，再好的视频前端处理技术也将前功尽弃。

可是目前阻碍LED显示终端分辨率进一步提高的最大障碍是：

（1）LED价格过高；

（2）国内高密度电子组装技术尚不普及。

因此，为了克服上述两个障碍，业内专业人士正努力探索，根据人眼视觉特点，运用数字图像处理技术，推出了一系列的像素排列方法及信号处理技术，在不提高物理像素密度的前提下，一定意义上实现了显示终端分辨率的提升。

目前，我们常见的分辨率提升技术与提法主要有：

▲动态像素技术；▲LED复用技术；▲像素分解技术；▲像素共享技术；▲像素复用技术；▲虚拟像素技术；▲余像技术等。

但是，由于各种处理方法和名词定义之间没有统一的标准和定义，致使用户一片茫然，市场极度混乱。

因此，笔者在此抛砖引玉，将上述七种提法合并为三种，并给各种处理方法和名词之间一个明确的定义，并分析它们各自的特点。

供大家探讨，希望能够逐步统一定义，形成标准，从而规范市场。

3.2.1像素共享技术（又称像素复用技术）

●定义：

显示终端一个完整的独立像素以时分复用方式循环刷新信号源中多个相邻像素的信息。

又可理解为信号源中的多个像素以时分复用方式共享显示终端的一个完整的独立像素。

●优点（以四像素型为例）

▲重现像素密度可提高4倍；

▲灰度等级增加2bit；

▲信噪比提高3～6db以上，从而提升图像分解力；

▲因为在每一个独立像素中，LED可按集中方式排布。

因此，与LED均匀分布相比：

三基色的混色性较好；并且在物理亮度相同的情况下，显示屏的视觉亮度呈现最强状况。

●不足

▲存在像素颗粒感；

▲由于每一个像素采用了时分复用方式，循环扫描相邻四像素的信息，因此在显示单笔划的文字时会出现字迹不清现象。

●适用场所：

适用于物理像素在60,000～110,000范围内的视频显示屏。

3.2.2动态像素技术（又称LED复用技术或像素分解技术）

●定义：

将一个像素拆分为若干个彼此独立的LED单元，每一LED单元以时分复用的方式再现若干个相邻像素的对应基色信息。

●描述：

我们以四像素型动态像素为例作一简单分析。

四像素型动态像素通常由2R+1G+1B组成，将一个像素拆分为四个彼此独立的LED单元，每一LED单元以时分复用的方式再现四个相邻像素的对应基色信息，一般情况下，各LED相互之间为等间距均匀分布。

●优点（以四像素型动态像素技术为例）

▲物理像素密度提高4/3倍；

▲动态像素密度提高4倍；

▲有效视觉像素密度最大可提高2倍（由于相邻像素之间重叠率达50%）。

●不足

该技术由于采用了LED等间距均匀分布，因此组成每一个像素的LED之间的间距呈现最大离散状态，所以与LED集中分布方式相比：

▲像素的混色性能呈现最差状况；

▲在物理亮度相同的情况下，显示屏的视觉亮度呈现最弱状况。

▲又由于每一只LED采用了时分复用方式，循环扫描相邻四像素的信息，因此在显示单笔划的文字时会出现字迹不清现象。

●适用场所：

观看距离大于显示屏物理像素间距P的2431倍，并且全屏物理像素少于60,000个点的视频显示屏。

3.2.3虚拟像素技术（又称余像技术）

●定义：

在显示系统中，当显示的信息向某个方向以一定的速度滚动时，利用人眼视觉暂留的特点，在相邻的两个像素之间会产生一系列移动的、物理上不存在的虚拟像素，从而提高显示屏的分辨率。

●优点：

在不增加显示屏物理像素密度的情况下，可提高显示终端的分辨率。

●不足：

显示信息始终处在快速移动中，给观察者带来视觉和精神上的疲劳感。

●适用场所：

适用于文字条屏。

3.2.4归纳表：

序号

技术类别

优点

不足

适用场所

1

像素共享技术

（又称像素复用技术

或像素分解技术）

◆混色性能好

◆视觉亮度增强

◆重现像素提高4倍

◆灰度等级增加2bit

◆信噪比提高3～6db

◆存在轻微像素颗粒感

◆单笔划文字字迹不清

◆适用于物理像素在60,000～110,000范围内的视频显示屏。

2

动态像素技术

（又称LED复用技术）

◆物理像素密度提高4/3倍

◆重现像素密度提高4倍

◆有效视觉像素密度最大

可提高2倍。

◆混色性能呈现最弱状况

◆视觉亮度呈现最弱状况

◆单笔划文字字迹不清

◆观看距离大于物理像素间距的2431倍，并且全屏物理像素少于6万的视频显示屏。

3

虚拟像素技术

（又称余像技术）

◆在不增加显示屏物理像素密度的情况下，可提高显示终端的分辨率。

◆显示信息始终处在快速移动中，给观察者带来视觉和精神上的疲劳感。

◆文字条屏

从以上分析中我们看出采用不同的像素排列和信息处理技术可以获得不同效果。

因此，在实际应用中我们应根据具体项目的需求和各种技术的特点，做出合理的选择。

4．结束语

我们从视频前端处理技术到显示终端分辨率，对影响视频图像分解力的两大环节进行了分析。

当然影响视频图像分解力的因素还不仅仅只有这两大环节。

良好的信噪比；出色的亮/色均匀性；适宜的亮度与对比度等因素，都会使观察者从主观印象上获得一个良好的视频图像清晰度。

作者简介：

程德诗（1959--），男，苏州人，上海三思科技发展有限公司总经理，1982年毕业于南京工学院（现东南大学）工业电气化专业。

多年从事光电子技术、视频技术及计算机控制系统的研究，现主要从事LED显示系统技术、经营及企业管理工作。