4K高集成度小间距超高清LED显示屏的设计以及产业化的实现

王剑锋

佛山市青松科技股份有限公司

摘要：随着LED显示屏技术的快速发展，市场的需求越来越大，对LED显示效果、视频传输的要求也不断提高。为了实现高集成度、超高清、4KLED显示屏的规模化生产，本文分析了4K高集成度小间距超高清LED显示屏的技术路线和产业化实现的难点，以及为提高控制系统、显示效果所做的技术攻克研究工作，设计并实现了4K超高清LED显示屏产业化，有助于显示器产业的转型升级。

关键词：4K超高清；小间距LED；控制系统；高集成度

0.引言

LED显示屏是以半导体二极管按一定的顺序、间距排列，利用半导体二极管的电致发光效应，通过电路驱动实现彩色图像的呈现，LED显示屏相较于DLP以及LCD显示屏来说显示除了显示色域、亮度、光度等优势以外，最大的优点在于LED显示屏的拼接缝隙几乎不可见。1993年GaN高亮度LED的开发为显示器打开了全彩显示的大门，LED显示的技术经过30年的飞速发展，LED显示产品尺寸不断扩大，点间距不断缩小，显示效果超高清高还原度，传输系统的高集成度是必然的发展趋势[[1]]。随着显示技术的飞速发展，点间距不断缩小，生产成本逐渐下降，小间距LED的应用场景不断扩大，LED显示屏逐渐替代如LCD拼接、DLP拼接、图像投影，甚至大尺寸TV等产品，向商业展示、会议显示以及高端控制室等市场渗透。随着LED显示技术的发展，人们对大尺寸、超高清、色彩高还原度的显示屏的追求提高，现阶段4K高集成度小间距超高清LED显示屏的生产受到产品质量与生产成本的限制，因此研究其关键技术，突破规模化生产瓶颈，对推动其产业发展具有重大意义。

1.高集成度、超高清、小间距、4KLED显示屏

4K超高清LED显示技术应用需要运用最先进的技术实现，其大屏幕、远距离投像、宽色域的优势受到了现今消费者的青睐，市场需求猛增[[2]]。本文设计的4K超高清显示器制式产品，实现无拼缝，亮度达到1-1.6K，色彩饱和度＞97%，寿命较长，成本较低，配套高集成度的显示控制系统以及软件消缝技术，适合于家庭影院、酒店大型舞台、高端多媒体会议室等场合。

4K超高清LED显示屏产品现受制于技术瓶颈、生产成本以及产品质量的问题，4K超高清LED显示屏难以实现大规模普及以及产业化生产。本文通过对4K超高清LED显示屏生产各环节的技术难点问题，以及产业化实现难点进行了探讨与研究，有效促进了超高清显示屏及其模组的工艺技术和控制系统方面的提升，实现了高集成度小间距4K（3840*2160）超高清LED显示屏的产业化生产。

2.小间距LED

4K超高清LED显示屏产品运用小间距LED技术实现，在小间距LED显示模组与产品集成研究方面，该产品生产主要公司：如北京利亚德电子科技有限公司（以下简称“利亚德”）、深圳市洲明科技股份有限公司（以下简称“洲明科技”）、深圳市联建光电股份有限公司（以下简称“联建光电”）等公司均已有多年的研发经验，下面将以上述公司为案例分析显示模组与系统的研究现状。

利亚德面向小间距LED显示屏产品的共性问题做了研究与创新，例如：在驱动与控制系统上，通过优化设计与硬件稳定元件的应用，提高产品可靠性与使用寿命。但其利用纯硬件架构拼接器实现无缝拼接，不可避免的纯硬件架构的拼缝消除技术使得系统复杂，且易出现系统故障。

洲明科技对小间距显示屏产品的总体解决方案做了大量研究，实现产品宽视角，高对比等光色性能以及较高的产品稳定性，例如：在强化散热方面其利用全压铸铝结构箱体与自然对流实现产品散热。但是其设计仍存在不足，其采用物理消缝技术不仅难以达到理想的无缝效果，而且调校工艺极其复杂，费时费力。

在小间距产品的成本控制技术领域，联建光电较为突出，尤其独创的单元箱8:9设计，可实现4:3或16:9标准视频比例，节省拼接成本。尽管如此，联建光电对于成本的控制较为局限，其控制与检修的模块化设计存在较大的可发展空间。

综上所述，小间距LED显示屏生产线存在较大的优化与改进空间，尤其在封装器件造成的产品光色质量问题、质量成本问题、复杂的产品集成与控制系统等方面。

3.RGB封装器件

LED显示屏的硬件构成主要为光源器件、模组箱体等。RGB封装器件是小间距LED显示屏产品的必备原材料，RGB封装器件的产品质量是制约小间距LED显示屏产品大规模生产的重要因素。LED选择必须采用QFN封装方式，国星的1010和晶台的0505均采用此种封装。

本设计选择国星的1010型号的封装器件作为产品基础，该公司通过新型高散热封装结构的应用，提高了产品的可靠性，高温高湿加速老化试验得到的光衰效果为3年20%，并且死灯率较低且稳定；但是，在解决产品光色一致性以及成本控制上并没有得到突破。

由于较多生产商在RGB封装器件在出厂前没有进行空间光色特性或白平衡特性检测，缺乏空间光色检测和合理的混光特性评价体系，使得不同批次甚至是同一批次RGB封装器件的产品光色一致性较差，极易出现白平衡偏色，在面向显示屏应用时，器件空间光色一致性以及白平衡特性极大地影响了显示质量，制约了规模化应用。针对封装器件的光学一致性问题研发出了空间光学一致性控制技术，通过数学建模分析，利用数值仿真技术指导光学设计，研究封装端面出光结构，实现在不同波长段内较高的光强分布一致性，对色彩校准更为严谨，指导建立合理屏用器件的分选、配置方案，并根据空间快速测试结果进行筛选，明显提高量产中同批次器件光色一致性。

4. 4K超高清LED显示屏控制系统

LED显示屏系统包含了LED显示处理系统、图像拼接处理系统以及所有设备相关的控制软件。超高清视频处理方面的技术快速发展，推动着4K超高清电视视频信号的处理向大规模、集成式、高速率方向发展[[3]]。

超高清视频的播放，除了需要有先进的硬件设备外，也需要有能满足4K超高清信号传输、处理、储存的控制系统作为辅助，才能发挥超高清电视机显示屏的最大功效。现有LED显示屏控制系统仅支持全高清的信号制式，对于4K显示屏应用需要至少4台以上的控制系统组合在一起才能实现，导致接线繁杂，控制复杂，占用机柜空间大，系统可靠性较低。本文设计了一套全新的高集成度的支持4K应用的LED显示屏控制系统，集切换器、监视器、视频处理器、全高清媒体播放器和LED显示屏控制器等功能于一体，具有支持DisplayPort1.2、HDMI1.4、dual-DVI、3GSDI等信号输入，支持DisplayPort菊花链级联显示，先进的MADi和DCDi等Faroudja®视频处理技术等优势，新的系统显著减少系统连线，降低使用复杂度，提高了系统集成度和可靠性，同时大大降低了占用电视机机柜的空间，为电视机产品配置更多的音响系统、智能系统提供给了更多可操作空间，从而满足人们对超高清电视视觉效果、智能操控等多方面的追求。

5.1 高集成度的显示屏控制器

本文设计4K高集成度小间距超高清LED显示屏的控制器由CPU+FPGA+视频处理SOC三大核心部分构成[[4]]。CPU芯片选用具备强大计算能力的飞思卡尔公司的i.MX6 Quad应用处理器。CPU的软件系统基于标准Linux开发，使得整个系统具有开放性，易扩展性。视频处理SOC选用能够支持4K分辨率传输的ST意法半导体公司的高端显示器STDP9320芯片。FPGA作为连接SOC和CPU的纽带，起到实现SOC和CPU数据转换成图像在LED显示屏上显示出来的作用，是一体化系统的关键环节。三者各有所长，联合协作组成高集成度、简便高效、低成本的LED显示屏控制系统。

图5.1 控制器系统架构图

5.2 基于软件算法的拼缝消除技术

目前LED显示屏生产普遍采用硬件消缝或物理消缝技术实现拼接消缝，增加了人员与时间成本，生产效率较低。本文设计了基于软件算法的拼缝消除技术，利用图像识别技术采集并分析拼缝亮暗线灰度特性，标定亮暗线平衡修饰系数，同时优化图像采集路径，提高工作效率；利用二维编码显示拼缝亮暗线的转换方法，实现将亮暗线转换为机器语言并实时存储；基于图像识别算法的拼缝像素总数评估方法，通过平衡系数修饰与数值计算，实现图像拼缝消除的目的。

图5.2 基于软件算法的拼缝消除技术流程图

5.3 模块化存储校正技术

对于模块显示与售后更换的维护的研究，模块化存储校正技术对每个模块赋予针对性的控制IC，每个模块都有专属ID，通过编码技术进行信息储存，逐点校正数据能够存储在模块上，同时记录模块的工作状态，实时监控并储存温度、湿度、亮度等运行数据，当模块出现异常或损坏时精准查出并可以任意更换新模块，将旧模块的数据导出后写入新模块，无需复杂的颜色数据管理。不仅提高了生产过程中色彩亮度调整的效率，同时能够简便了售后维修的程序，降低了维修成本。

6.结论

传统LCD拼接屏存在明显的拼接黑缝，破坏画面结构小间距显示屏，本文设计的4k超高清显示屏具有自发光，全屏无缝拼接，亮度、色度逐点可调，高清显示效果均匀，高刷新率，画面细腻且一致，饱和度高等优势。

表6.1 室内大屏幕显示技术对比表

类型	液晶拼接(LCD)	等离子拼接(PDP)	DLP拼接	投影融合	4k超高清LED显示屏
光源	背光源投射	自发光	光源投射	光源投射	自发光
物理拼缝	3.9mm	1.8mm	0.5-1.0mm	无缝隙，有融合带	整屏无拼缝
均匀性与一致性	长期使用，单元间亮度与色彩衰减不一致，不可恢复。		长期使用，单元间亮度与色彩衰减不一致，需专业人员重新调试		亮度、色度逐点可调，整屏均匀一致。
亮度	450-700cd/m2	450-1700cd/m2	200-400cd/m2	投影机亮度&投影尺寸
灰度等级	8Bit	10Bit	12Bit	12Bit	16Bit
色温调节	5000K-10000K	5000K-10000K	5000K-9300K	5000K-9300K	2500-10000K 可在不同的色彩标准间切换
刷新频率	≤120Hz	≤120Hz	≤120Hz	≤120Hz	1920-3840Hz
声噪	25-30dB(A)	25-30dB(A)	30-40dB(A)	依投影机而不同	无风扇，静音
7X24小时工作	不建议	不建议	支持	不支持	支持
平均功耗	170-200W	240-450W	140-350W	依投影机而不同	110W
光源寿命	6万小时	6万小时	6000-6万小时	依光源类型而不同	10万小时

 

图6.1 传统LCD拼接屏                   图6.2 4k超高清显示屏

图6.3 高集成度、超高清、小间距、4KLED显示屏的实现

本文主要研究通过提出对空间光色一致性控制技术，运用数学建模分析，指导建立合理屏用器件的分选、配置方案，并根据空间快速测试结果进行筛选，解决了改善光色质量的问题；通过一体化驱动与控制的显示质量优化技术，对集中处理显示屏质量瑕疵的进行集中处理，简化控制流程，提高产品可靠性，减少开发周期；通过软件算法的“无缝拼接”技术，利用软件算法实现拼缝自动校正与消除，避免硬件“拼接器”带来的成本损耗及安装调试工序，有效实现成本控制；通过模块化存储校正技术，提高了调试校正与维护检修的工作效率。本研究解决了多项技术难点，降低了生产成本，提高生产效率，实现了4K高集成度小间距超高清LED显示屏的产业化。我司根据自主研发的工艺、技术成果，选取先进的生产设备、检验检测仪器，进行技术成果与产品的融合，并加强生产的自动化、精细化能力，扩大我司超高清电视机显示屏模块、模组的生产规模，从而进一步提升超高清显电视机示屏的技术品质和产量。

参考文献：

[1] 曹慧,郑喜凤,汪洋,程宏斌.超高清超高分辨率大尺寸LED显示器[J].液晶与显示,2021,36(04):566-574.

[2] 唐骏飞.4K超高清电视关键技术及发展趋势分析[J].电视技术,2022,46(06):153-156.DOI:10.16280/j.videoe.2022.06.034.

[3] 唐骏飞.4K超高清电视关键技术及发展趋势分析[J].电视技术，2022，46（6）：153-156.

[4] 祁亚军,王剑锋.4K高集成度小间距LED显示屏控制器的设计与实现[J].无线互联科技,2018,15(09):59-60.

作者简介：

王剑锋（1975-），男，本科。主要从事LED显示屏控制系统的研究与开发。

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[[1]] 曹慧,郑喜凤,汪洋,程宏斌.超高清超高分辨率大尺寸LED显示器[J].液晶与显示,2021,36(04):566-574.

[[2]] 唐骏飞.4K超高清电视关键技术及发展趋势分析[J].电视技术,2022,46(06):153-156.DOI:10.16280/j.videoe.2022.06.034.

[[3]] 唐骏飞.4K超高清电视关键技术及发展趋势分析[J].电视技术，2022，46（6）：153-156.

[[4]] 祁亚军,王剑锋.4K高集成度小间距LED显示屏控制器的设计与实现[J].无线互联科技,2018,15(09):59-60.