L型LED裸眼立體影院軟硬件設計分析

賀孝進 北京水晶石數字科技股份有限公司

1.引言

要根據使用需求設計一款適合室內展覽展示用的LED屏幕并非易事，特別是建設一個帶裸眼立體效果的超大屏幕，保證節(jié)能且長時間觀看舒服、友善。設計中需要考慮因素很多，硬件方面包括LED單元板各種參數、LED安裝角度、圖形處理系統計算，軟件方面需要結合L型屏幕各項參數制作三維視覺的多媒體等。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幕中最關鍵設備，影響到整體立體效果的呈現。生產制作LED單元板流程為貼片回流焊目檢加電測試分板上線上螺釘整串模組摔打整串模上電測試良品滴膠（不良返修）包裝。LED燈及LED燈架、LED驅動芯片是加工主要材料，波峰焊回流焊是主要生產工藝。

2.1.1 LED 燈芯要點

LED是利用化合物材料制成PN結的光電器件。具備：

①電學特性：I-V特性、C-V特性

②光學特性：光譜響應特性、發(fā)光光強指向特性、時間特性以及熱學特性。

普通的顯示屏系統采用的8bit的色彩顯示層次，這樣在一些低灰度和色彩過度處顏色生硬。也會造成彩色光的不適應。新型LED大屏幕控制系統采用10bit的色彩顯示層次，大大的改善了色彩在過度上的硬度。使人們在觀看時可以感覺色彩柔和。避免人們對光的不舒適感。

“視覺刷新頻率”通常用赫茲（Hz）為單位。人眼視覺暫留時間為1/5-1/30秒，視覺延遲感應速度為＞=40ms，對人眼而言，理論上刷新率達到85Hz已經感受到的是連續(xù)畫面，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。視覺刷新頻率越高，畫面顯示越穩(wěn)定，視覺閃爍感就越小。LED顯示屏的低“視覺刷新頻率”，人眼在觀看時因此可能產生不適感，甚至對眼睛造成傷害。越高的視覺刷新頻率，顯示的圖像越穩(wěn)定，人眼越不容易覺得疲勞。現今在高質量視頻中，為得到更精細的畫面，如精彩回放或是特寫攝影的過程，都以每秒1,000Hz以上的高速攝影機進行拍攝。

系統中還可以增加亮度自動調節(jié)功能改善觀看效果。不同的時間和地點環(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%我們就明顯感覺眼睛的不適應，也就是說造成了對人的光污染。通過亮度采集系統，隨時的對環(huán)境亮度采集。顯示屏控制系統通過軟件自動換算適合環(huán)境的播出亮度。

2.1.2 LED 燈驅動

驅動方式分為恒壓驅動和恒流驅動，恒壓驅動就是以恒定的電壓輸入進行驅動、點亮屏幕，這種方式很少見。恒流驅動就是用恒定的電流提供驅動、點亮大屏。常見的是1/8，1/4，1/16掃描方式。當然驅動芯片越多亮度、刷新率越高，那么造價也是越高的。一般1/16是不錯的選擇。

驅動芯片中OE的最短脈沖寬度及反應時間(tr/tf)決定了灰階度的高低，愈小的OE脈寬，就能產出愈高的輸出色階，也就是擁有愈快速的輸出電流響應，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、系統數據傳輸速度、串接芯片個數與芯片輸出信道數有關。要達到高檔顯示屏的需求，除了高的刷新率，使LED顯示屏能流暢無閃爍地播放畫面，也需要具備高輸出色階的能力，來達到豐富色彩的LED顯示屏圖像。一種是選擇較短OE脈沖寬度的LED驅動器來提高刷新率和輸出色階，但系統傳輸速度和頻寬地會降低刷新率與輸出色階。另一種是選擇內建PWM控制的LED驅動芯片，則可以較小的數據傳輸量來提高傳輸速度，達到提升刷新率與輸出色階的效果。如選擇高質量LED驅動芯片，內建S-PWM技術，使得刷新頻率高達3840Hz，灰度等級可達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計缺陷和品質缺陷造成的。LED支架選擇要點：

①、金屬材料種類

LED支架擔負著散熱和導電的作用，一般用性價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，死點指標要求控制在1/104之內是可以接受。

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)氧樹脂，屬于熱固性材料，能做MAP封裝，效率高價格也高，能做到3W；PCT是熱塑性材料；由于耐高溫，流動性稍差較脆，目前只能做擠出級，抗UV性能差異較大，價格便宜跟PPA相差不大。

2.1.4 LED 封裝

LED封裝的功能主要包括：

1.機械保護，以提高可靠性；

2.加強散熱，以降低芯片結溫，提高LED性能；

3.光學控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布；

4.供電管理，包括交流/直流轉變，以及電源控制等。

LED封裝要點：

①選用高折射率的LED封裝材料，以加大產品臨界角，提高出光效率；

②減少封裝材料光線的吸收，如內部置入反光材料；

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

按照上述技術資料，選定本項目中LED基本參數如下：

單板尺寸：192mm*192mm

像素點：64*64

LED驅動方式：恒流驅動

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單元板數量計算

橫向單元板數量：10.94/0.192=57，3648 個像素點

縱向單元板數量：10.94/0.192=57，3648 個像素點

2.2 LED電源

顯示屏電源是其重要組成部分，主要用來給顯示屏發(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，以保證有較好的過載能力、較高的利用率且有一定的冗余，線路連接簡單可靠。

通常LED屏采用380V供電且耗電量巨大，設計電箱時應加入智能化控制，延時順序開啟關閉，減小對電源系統的沖擊。本項目中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

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、拼接處理器等計算

①計算發(fā)送卡數量

橫：3648/256=14.25，計15

縱：3648/128=28.5，計29

總共435張發(fā)送卡

②計算接送卡數量

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標準支持4K，選用2個4K端口級聯能達到本項目中8K顯示需求。

④圖形處理器

按照例中LED尺寸，LED大屏物理像素點達到8K顯示級，為保證顯示效果，采用點對點方式顯示最佳。顯卡要求分辨率能達到7680*4320且支持桌面融合，而當前最新的技術單口僅支持4K，圖形處理器攜帶至少2個HDMI2.0和DP1.4端口。

2.3.2 信號線路系統

為減少信號傳輸過程中，環(huán)境干擾以及電衰減，選用光纖傳輸。

強電線纜與弱電分離0.5米，做好接地和屏蔽防干擾。

2.4 LED安裝結構

選用LED屏基本參數如下：

圖一：L型LED影院剖面圖

立幕和地幕均采用鋼結構壁掛式安裝，鋼結構要求焊縫平滑，不得有氣孔夾渣等焊接缺陷。立幕后方預留600mm空間作為維修棧道，地幕最低處要預留400mm空間用作地幕維護。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米靠尺測量，誤差在正負3mm以內。

立幕必須完全垂直于觀看者所在看臺，地幕與觀看者所在地臺成夾角5%-10%。如無夾角，觀看者站在看臺上看到LED發(fā)光方向角度與立幕LED不一致，會導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單元板之間無明顯的拼縫，最好用LED單元板上微縮結構進行微調。

2.5 L型影院聲音系統

影院聲音系統設計分為建聲設計和電聲設計，一是音質設計，二是噪聲控制，可以采用EASE Focus 聲學建模軟件建模模擬，做到有理論可依。

①電影院建筑設計應包括聲學設計，聲學設計應貫穿影院設計的全過程

②影院內各處應有良好的清晰度，真實還原影片的聲音重復效果。

③影院聲學設計應保證觀眾廳內達到合適的混響時間、均勻的聲場、足夠的響度，滿足揚聲器對觀眾席的直達輻射聲能，保持視聽方向的一致，同時避免回聲、顫動回聲、聲聚焦等聲學缺陷并控制噪聲侵入。

④觀眾廳內具有良好立體聲效果，覆蓋2/3以上參觀者。

⑤影院內墻面應用吸音材料，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備。

3.系統測試

3.1 電源測試

①按電路圖逐一檢查線路，防止錯線、少線、多線，檢查完畢后逐級送電測量；

②確認電源燈和控制卡上燈是否亮，測量電源控制卡，單元板的電壓，是否正常。 如果電源正常，請檢查控制控制卡與單元板的連接。采用替換配件的方法，排除錯誤。

③如出現隔行亮等，可能是網線沒插好，請重新連接。屏幕某些區(qū)域沒顯示，更換單元板。

3.2 LED拼接

接收卡的控制范圍由四個方面來決定：LED 刷新頻率、灰度級別、掃描移位時鐘、屏體的掃描方式。LED 刷新頻率和灰度級別越大接收卡帶的寬度就越窄，而掃描移位時鐘越大則寬度越大，但掃描移位時鐘不是無限制加大的，如屏體出現閃點則說明該屏時鐘上得太高。而接收卡控制的高度是由屏體的掃描方式來定的。

本項目將立幕分為6塊，地幕分為6塊，由12臺塊接收卡控制處理。

合理設置上述參數可以達到想要的色彩色溫效果。

3.3 拼接處理器

①幀輸出同步性，避免拼接畫面不同步現象；

②優(yōu)化圖像處理算法，使經過縮放處理的圖像保持高清晰度；

③自定義輸出分辨率，應對LED顯示屏物理分辨率不規(guī)則的特點。

3.4 圖形處理器

前述設置調試完成，LED屏幕僅能呈現出畫面，對于如此大分辨率的LED大屏，還需要對圖形處理器進行調試設置。

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

在預算允許的前提下，也可以采用SLI形式或多處理器同步的方式實現。但這些方式都會產生幀同步差。

3.5 LED軟件及多媒體

要呈現裸眼立體效果，多媒體制作必須按照L幕影院空間尺寸模擬人視角進行相機設定和光源布置，為達到最佳觀看效果，按照點對點顯示方式，整體多媒體分辨率為3648*3648。首先單幀進行視覺矯正，矯正完成后出小樣測試，完全測試正常后輸出整體影片。

好的影院應該具有很好的視覺沉浸感和包圍感，能把人帶入到故事情節(jié)中。人眼能清晰看清視場區(qū)域對應的雙眼[視角]大約是35°（橫向）X 20°（縱向），同時人眼在中等亮度，中等對比度的[分辨力d]為0.2mm，該屏幕[最佳距離L]為6米。其中d與L滿足tg(θ/2)=d/2L，θ為[分辨角]，一般取值為1.5' 將視場模擬為地面為長方形的正錐體，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，每邊設定20%的視覺模糊區(qū)，人眼視覺最大限度為10米*5.6米，小于本屏幕10.94米的寬度，具有很好的視覺沉浸感和包圍感。

多媒體制作的難點在于立幕和地幕過度處，場景中地幕部分呈現帶一定傾斜角度的俯視角度畫面，立幕顯示帶傾斜角度的側視畫面，場景有地幕移動到立幕或者由立幕移動到地幕時，相機和鏡頭不對，會造成畫面中目標拐彎，降低立體效果。從視覺矯正來說，整個L幕最前方中間位置是視覺最好的。

4.成功案例

已經順利完成大型L型LED裸眼立體影院幕有：

①武漢東湖新技術開發(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）

每個影院立體效果都不錯，觀者舒服，效果突出。

5.結束語

L型影院具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ瑸榭蛻粽故竟緦嵙μ峁┮粋€嶄新的手段，讓人耳目一新。在這基礎上發(fā)展出了五折幕等新型影院，造價和制作難度更高，但立體效果和沉浸感更強。