視頻顯示系統工程技術發展概述

李慶偉，吳 畏，王少坤

（中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

視頻顯示系統工程技術從各級政府、大型企事業單位、公安、軍隊到金融證券、能源交通和醫療教育等行業，均得到廣泛應用。近幾年來，隨著新技術、新材料、新工藝的快速發展，視頻顯示技術、視頻處理技術在數字化、超高清化、IP 化、低延時、大型化、多功能、易用化及節能降耗等方面呈現出快速提升的趨勢。本文從發光二極管（Light Emitting Diode，LED）型、投影型、整機型3 種顯示方式[1]出發，分別介紹視頻顯示技術的發展現狀及趨勢，從圖像拼接切換技術、分布式坐席協作技術、可視化運維管控技術3 個角度介紹視頻信號交互與處理技術的現狀及最新發展成果，為系統設計人員在項目設計中實現更好的顯示效果、更強大的交互能力及更人性化的交互方式提供有效支撐。

1 視頻顯示系統工程技術發展趨勢

本文討論的視頻顯示系統由視頻顯示屏系統、傳輸系統、信號交互與處理系統以及輔助系統組成，可實現單路視頻信號全屏顯示或多路視頻信號在屏幕不同位置以所需的圖像分辨率同時顯示。

近幾年，視頻顯示系統工程技術發展迅速，出現了一些具有代表性的發展趨勢，主要有以下特點。

（1）超高清化。近年來，隨著相關領域技術的發展，高清、標準4K、超4K 超高清視頻內容來源日趨多樣化，超高清視頻已得到廣泛應用，并獲得工程用戶的普遍接受。因此，各種類型的視頻顯示系統工程需要面對用戶日益增加的更高分辨率顯示需求。更高的分辨率可以呈現更多的畫面細節，為用戶帶來更為生動、全面的視覺體驗。

（2）畫面顯示高品質化。除了分辨率取得大幅度進步外，LED 型、投影型、整機型顯示屏系統在色域覆蓋率、可視角度、墨色一致性、顏色均勻度、對比度、可靠性及可維修性等方面均取得了不同程度的進步，開發了逐點校驗、三色激光光源投影及量子點[2]顯示等多種技術，逐步為用戶提供了更為絢麗、逼真、暢快、可靠的高品質視頻顯示體驗。

（3）網絡化。自2010 年起，互聯網及相關應用呈爆發式增長，專業視聽產品進入網絡化時代。隨著互聯網技術（Internet Technology，IT）網絡基礎設施的大規模建設，在當前全面信息化建設的時代背景下，專業視聽廠商基于網絡化、分布式構建整體解決方案，將之前獨立大屏、座席、會議等系統進行融合，使一套信號交互與處理系統可以滿足多種使用需求，同時具備音視頻信號處理、環境控制及外部信息采集等功能。分布式系統憑借系統靈活性高、擴展性強、單一節點故障不影響整個系統運作等特點，成為網絡化時代的主流產品。將音視頻、控制等諸多信息元素全部數字化、網絡化，傳輸方式采用標準的IP 網絡，減少了多種規格的模擬專用接口使用，大大簡化了物理連接，給工程設計者和用戶提供了全新的音視頻網絡化整體解決方案。

（4）智能化、可視化、易用化。在萬物互聯的時代，人工智能技術已經滲透到各行各業，成為重要的技術支撐。在視頻顯示領域，智能化技術的應用大幅提升了用戶的體驗感。將人工智能技術融合到專業化視聽產品中是大勢所趨。相關技術以使用者為中心進行設計，對系統設備進行智能化、一體化的管理、調度、監測及控制，最大限度地降低系統設備出現故障的風險，發掘并滿足用戶使用需求及管控操作需要。依托人工智能、人機互動技術構建數據可視化呈現，能夠進一步滿足各行各業信息化、智能化的展示需求，已逐漸在視聽信息技術行業中得到深入、廣泛的應用。

（5）節能降耗。在雙碳政策背景下，節能化是我國任何產業都在為之努力的方向。大型顯示屏系統涉及大量電能的使用和運營成本，因此節能關系到大屏幕使用者的利益，也關系到社會能源的有效利用。采用高效LED 光源、安裝智能化驅動芯片、使用自動調光傳感器，可以為各種類型的大屏幕顯示系統降低能源消耗；采用共陰LED 供電、主動驅動靜態顯示等技術，可以使LED 顯示屏達到降低產品能耗、減少亮度衰減、減小電磁輻射的效果。從目前的技術來看，節能顯示屏并不會比常規顯示屏增加太多成本，而且在后期使用中還會節約成本，因此受到市場的推崇。近年來，大屏幕制造商更加注重能源效率和環境友好性，通過技術創新減少能源消耗并提高屏幕的使用壽命，以此滿足人們不斷增加的節能環保需求。

2 視頻顯示技術發展

2.1 LED 型視頻顯示技術

LED 既可作為液晶顯示（Liquid Crystal Display，LCD）背光源應用于大尺寸顯示屏、智能手機、車用面板以及筆記本等產品，也可通過紅綠藍（Red Green Blue，RGB）三色LED 芯片實現自發光顯示。當前，Mini LED 背光應用及直顯產品已進入量產階段。Micro LED 作為發展方向受到行業領先企業追捧，其高性能且設備兼容性強的特點注定了它將受到市場歡迎。相關技術產品日臻成熟、快速迭代，將為視頻顯示領域帶來技術革命。Mini LED 即尺寸為 50 ～200 μm 的LED。由這類LED 作為基本發光像素構成的顯示屏稱為Mini LED 顯示屏，由該LED 作為光源的背光稱為Mini LED 背光。Micro LED即芯片尺寸小于50 μm 的LED。由該LED 作為基本發光像素構成的顯示屏稱為Micro LED 顯示屏。

LED 直顯屏封裝從行業誕生之初單一的雙列直插封裝（Dual In-line Package，DIP），到現在已經發展成為DIP、表面貼裝器件（Surface Mounted Devices，SMD）、矩陣式集成封裝（Integrated Matrix Devices，IMD）、板上芯片封裝（Chips on Board，COB）、 基于Micro LED 的封裝（Micro LED In Package，MIP）、COG（Chip On Glass，COG）等多種封裝方式并存的產業格局。自2001 年SMD 封裝方式誕生后，DIP 封裝的市場份額逐年下降，SMD獨占LED 顯示封裝統治地位十余年。此后，IMD、COB、MIP、COG 陸續興起并逐步成熟。由于不同間距產品采用的工藝模式、性價比有所不同，故多種封裝共存將會持續一段時間。但從間距逐步減小、性價比逐步提升的趨勢來看，COB、MIP、COG 具有明顯的優勢。下面介紹幾種具有代表性的LED封裝技術。

2.1.1 SMD 技術

SMD 技術將裸芯片固定在支架上，通過金線/銅線將二者進行電氣連接，用環氧樹脂進行保護，再通過打件機做成顯示模組。SMD 是近十年來占據主流的LED 封裝技術，芯片安裝方式為正裝，一般可采用100 ～300 μm 的芯片。SMD 工藝問世后，很快占據了LED 顯示屏封裝工藝市場的主流地位。采用SMD 封裝工藝的企業在市場中占據較大份額。SMD 封裝具有技術成熟穩定、制造成本低、散熱效果好以及維修方便等優點，目前仍為傳統小間距主流方案。

然而，由于SMD 器件變得越來越小，燈板上焊點面積也急劇縮小，對SMT貼片工藝要求大幅提升，同時廠家的生產效率也受到極大影響。例如，P1.5的產品，每平方米需要貼44 萬顆燈，而到了P1.0 的產品，每平方米需要貼100 萬顆燈，不僅貼片的數量增加了約2.3 倍，而且SMT 機器的貼片速度會大幅下調，極大地影響整體生產效率。過小的SMD 器件也給售后服務帶來了極大困難。在客戶的使用現場，幾乎無法完成1 mm 以內的產品維修。另外，當前市場發展迅速，小間距LED 芯片呈微縮化趨勢，SMD 的表貼封裝形式面臨技術瓶頸，已經難以在更小間距的領域發揮更大的作用。

2.1.2 IMD 技術

IMD 技術是將2 組、4 組乃至更多組的RGB芯片封裝在一個小器件單元中。典型的IMD 封裝以2×2 或四合一的形式存在。四合一的意思是每個IMD 封裝中包括4 個像素組，每個像素組由RGB三色芯片組成。IMD 的工藝流程大致分為固晶、焊線、壓模、烘烤、劃片、測試分選和編帶。IMD 采用的芯片以正裝為主。IMD 器件繼承了傳統SMD 成熟工藝的基因，可以在短期內實現快速量產，采用了集成封裝思路，與傳統SMD 相比，具有更好的防碰撞性能，其SMT 貼片效率有一定提升。IMD 具有顏色一致性高、SMT 工藝兼容性好、可支持現場單點維修等優點，目前已有不少應用。然而，和SMD技術一樣，IMD 也面臨著封裝密度難以突破的限制。

2.1.3 COB 技術

COB 技術將裸芯片直接固定于印刷線路板，進行引線鍵合，再用有機膠將芯片和引線包封保護，從而實現芯片與線路板電極之間的電氣與機械上的連接。與傳統的SMD 工藝相比，COB 封裝省略LED 芯片制作成燈珠和回流焊兩大流程，設備精度較高，封裝流程簡便，間距可以做到更小。芯片焊壓后用有機膠固化密封保護，使焊點及焊線不受到外界損壞，可靠性更高。

COB 封裝技術分為正裝和倒裝兩種，最大區別在于COB 倒裝技術取消了LED 發光芯片連接線，采用芯片倒置封裝結構。COB 倒裝[3]工藝的固晶方式是將裸晶與電路直接連接，不需要焊線。一方面使熱途徑減到最短，很好地增強了芯片的導熱能力，也提供了更大的發光面積；另一方面，由于省略了焊接等環節，生產效率和良率都將得到很大的提升。相對于正裝技術，倒裝COB 結構更加簡單，耐更高電流，制造工藝簡化，RGB 混光效果好，散熱更佳，穩定性更好。

2.1.4 MIP 技術

MIP 是將Micro LED 和分立器件有機結合，通過半導體級封裝思路，將微米級Micro LED 倒裝芯片通過巨量轉移技術固晶至封裝基板，進行封裝切割，使其在更小面積下大幅提升良率，同時有效降低成本。這樣更小面積下良率控制將得到大幅提升，同時測試環節從芯片后移至封裝階段。目前，主要頭部LED 顯示廠商都已經布局了MIP 技術[4]路線的研發，部分企業進行了相關技術儲備，已經投入試產甚至量產。MIP 封裝以其成本優勢和高亮度、低功耗、兼容性強等性能優點，成為LED 封裝頭部企業和顯示屏企業在大尺寸Micro LED 領域的重要共識。

2.1.5 COG 技術

COG 指將LED 芯片直接固晶到玻璃基板再進行整體封裝，利用覆晶導通方式，將晶片直接對準玻璃基板上的電極，利用各向異性導電膜材料作為接合的材料，使兩種結合物體垂直方向的電極導通。這一技術有3 個主要特點：

（1）LED 晶體顆粒直接封裝，這是微米級芯片的巨量操作；

（2）背板電路采用薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）玻璃基板等新型產品替代傳統的印制線路板（Printed Circuit Board，PCB）；

（3）LED 芯片的工作方式是主動矩陣式（Active Matrix，AM）驅動，而非傳統被動矩陣式（Passive Matrix，PM）驅動。

玻璃基板在平坦度、部件精度及模組拼縫等方面比以往技術更具優勢。由于COG 技術更適合于采用AM 有源驅動方式的面板廠商，因此更受習慣面板組裝工藝的終端電視廠商的青睞。

如果未來行業主流選擇COG 路線，則以Mini/Micro-LED 為代表的微顯示產業鏈將會發生巨變。從PCB 載板過渡到TFT 玻璃基板，從PM 無源驅動過渡到AM 有源驅動，在TFT 玻璃基板領域具有巨大影響力的企業，將會獲得更大的優勢。因此，在COG 時代，TFT 玻璃基板作為上游產業鏈，對LED顯示行業將可能占據決定性的地位。目前市場上已經出現了LTPS P0.5 COG AM 直顯LED 產品，但短期內該技術還存在一些技術瓶頸需要突破，成熟度有待提高。目前主要是按客戶要求進行定制化生產。

2.2 投影型視頻顯示技術

本文討論的投影型視頻顯示屏系統根據工作方式可分為背投影顯示屏系統和正投影顯示屏系統，根據投影機顯示器件的種類可分為數字光學處理技術（Digital Light Processing，DLP）、LCD、硅上液晶（Liquid Crystal On Silicon，LCOS）型顯示屏系統，根據投影機發光器件的種類可分為高壓汞燈、氙燈、LED、單色激光、三色激光型顯示屏系統，根據投影機數量可分為拼接顯示屏系統和非拼接（單臺）顯示單元。下面介紹幾種具有代表性的投影顯示成像技術和光源技術。

2.2.1 不同的顯示成像技術

單片式LCD 內部安裝一塊液晶板。3LCD 被稱為三片式LCD，是指將光源發出的白色光分解成紅、綠、藍3 種顏色（光的三原色）的光，并使其分別透過各自的液晶板進行成像。由于其可以充分利用光的3 種原色，因此可以更有效地利用光源，有著圖像自然、觀感柔和的特點，可有效避免頻閃現象，減輕觀看的視覺疲勞。

DLP 的核心元器件為DMD，全稱為Digital Micro-mirror Device，意為“數碼微鏡裝置”，通過控制鏡片的偏轉達到顯示圖像的目的。DLP 前面的數字表示這種技術用的DMD 芯片的數量。單片DLP投影儀內部只安裝一片DMD 芯片，3 片DLP 投影儀內部安裝3 片DMD 芯片，光源發出的光被棱鏡分離成3 路。這3 路光線經過濾光分別成為紅、綠、藍3 種顏色，然后分別照射到相應的DMD 芯片上。

LCOS 投影機的基本原理與LCD 投影機相似，只是LCOS 投影機是利用LCOS 面板來控制光線的投射。LCOS 面板是以CMOS 芯片為電路基板及反射層，液晶被注入CMOS 集成電路芯片和透明玻璃基板之間。CMOS 芯片被磨平拋光后當作反射鏡，光線透過玻璃基板和液晶材料，經調光后從芯片表面反射出來。

單片LCD 投影機色彩較差，定位低端，適合成本要求高的場合。3 片式LCD 色彩還原度更好，技術成熟，但是亮度方面存在弱點，目前在辦公場所有一定應用。LCOS投影機視覺效果較好、體積較小、光源利用率高，但是成本較高，適用于高檔辦公及中型會議應用。單DLP 投影機畫面對比度高，采用封閉式光路防止灰塵，亮度較好，目前也是工程領域主流產品。3DLP投影機色彩鮮艷、顯示效果出色，但是體積大、價格高，適用于電影院和大型工程。

2.2.2 不同的光源技術

投影機發光器件可分為高壓汞燈、氙燈、白色LED、三色LED、單色激光、雙色激光和三色激光等。

早期，投影儀的光源以燈泡為主。這類燈泡通常注入碘或溴等鹵素氣體，在高溫的時候通過升華鎢絲與鹵素能夠產生化學作用，冷卻后的鎢會重新凝固在鎢絲上，形成一個平衡的循環，避免鎢絲過早斷裂。除了鹵素燈泡，也有氙燈光源。氙燈燈泡內的放電物質是惰性氣體氙氣，其激發電位和電離電位相差較小，壽命和亮度都比鹵素燈高。燈泡光源發熱大、壽命偏短、色域覆蓋范圍較窄、后續維修成本高，近年來應用逐漸減少。

隨后出現的白色LED 投影機光源可以大幅降低成本、提升壽命，有力推動了投影儀的普及。白色LED 缺點是亮度較低，只適合暗環境下使用，色域范圍也比較窄，適合個人或小范圍環境使用。用三色LED 作光源，可以提高光源亮度，提高色彩純度，大幅擴展色域。由于使用多組光源和不同光路設計，其成本有所提升，但顯示效果也有所提升。目前，LED 光源的投影機在會議場景得到了比較廣泛的應用。

激光是一種單色性很好的光源，在色準方面有天生的優勢。激光光源分為單色激光、雙色激光和三色激光光源。其中，單色是利用單一藍色激光激發熒光色輪上的黃色和綠色熒光粉，然后通過棱鏡分出紅、綠、藍三色光，最終組合形成其他顏色。單色激光投影機在家用和中檔會議場景中應用比較多。相比之下，三色激光光源的色彩更好。它采用紅、綠、藍激光器為光源，是真正的高純色的紅、綠、藍三基色光源，具有更高的色彩灰度表現能力，色彩還原效果真實，畫面層次感強，色域覆蓋范圍更廣闊，但是體積較大，成本也更高，適合于有高端顯示要求的會議場所和指揮調度場所。

2.3 整機型視頻顯示技術

整機型顯示技術經歷了陰極射線管（Cathode Ray Tube，CRT）、等離子等顯示技術，目前LCD已成為顯示技術的主流，有機發光二極管（Organic Light Emitting Diode，OLED）則是正在快速成長的顯示方式。區別在于LCD 必須使用背光模組，OLED 則利用有機發光二極管作為自發光光源。下面對近年來系統工程所用的LCD 和OLED 的主要技術發展趨勢進行簡要介紹。

2.3.1 LCD 顯示技術發展趨勢

在顯示領域，LCD 是目前發展最為成熟、應用最為廣泛的顯示技術，廣泛應用于手機、平板、筆記本電腦及電視等領域。目前，工程領域應用的LCD 顯示屏尺寸已完整覆蓋40 ～120 英寸范圍，獨立顯示屏分辨率覆蓋1 080P、4K、8K，可以為中小會議室提供效果良好的主畫面顯示，為大型會議場所提供輔助顯示。液晶拼接屏規格方面尺寸涵蓋49 ～65 英寸，拼縫涵蓋3.5 mm、1.7 mm、0.88 mm，為大尺寸高分辨率顯示提供了有力支撐。近年來，基于量子點、Mini LED 等新技術的加持，LCD 顯示屏在畫質、色域范圍、亮度及對比度方面得到了進一步提升，未來幾年將在細分市場繼續發揮優勢。

2.3.2 OLED 顯示技術發展趨勢

OLED 是一種具有多層結構的有機電致發光器件，使用有機化合物-電致發光材料，點亮單個像素。與LCD 相比，OLED 的優勢為輕、薄、響應速度快、視角大、功耗低、色域值廣、可實現柔性顯示及透明顯示等。目前，OLED 柔性屏、拼接屏、雙面屏、透明展示柜在工程領域已經有所應用。但是，目前OLED 核心技術僅少數企業掌握，在成熟度、顯示尺寸、亮度及成本控制等方面有待進一步提升。預計未來隨著技術進步，OLED 顯示產品將會占據更多的市場空間。

3 信號交互與處理技術發展

受市場需求驅動，專業視聽行業經歷了模擬矩陣階段、數字矩陣階段、混合插卡階段、大屏拼接階段以及分布式階段。當前，視頻信號交互與處理系統主要由圖像拼接切換設備、分布式坐席協作設備及可視化智能運維管控系統等組成。下面介紹上述系統設備具有代表性的技術和發展趨勢。

3.1 圖像拼接切換技術

目前，圖像拼接切換設備主要包含矩陣切換設備和大屏拼接處理設備，產品主要有無縫切換矩陣和可視化拼接處理系統等，各種產品均由母箱和輸入輸出板卡構成。隨著技術的發展，圖像拼接切換類產品呈現出視頻處理能力大型化、多種IP 視頻流兼容化、矩陣切換和拼接處理功能一體化、兼容視頻格式多樣化、接口板卡多功能化、控制及預監直觀化等特點，同時可以滿足多種接口信號導入、網絡視頻解碼、超高清信號切換推送、大屏幕多圖層顯示、視頻資源池管理及錄制以及可視化操作等功能。其視頻輸入輸出規模可從幾路到上千路，適合滿足從小型會議室到大型指控場所、會議室集群等各種視頻切換需求。未來，圖像拼接切換設備將進一步向高畫質、高可靠性、大型化、多功能化及易用化方向發展，以滿足用戶不斷增長的使用需求，具有良好的發展空間。

3.2 分布式坐席協作技術

分布式系統采用分布式部署節點的方式實現視音頻信號的接入采集、傳輸交換、分析處理和調度呈現。與矩陣拼接架構相比，分布式架構擴展性更強，系統規模更加彈性，而且在分布式架構中每個節點有單獨的數據處理、運算系統，單一節點的損壞不影響其他節點正常工作，穩定性更好。基于傳輸方式的不同，分布式系統可分為IP 分布式系統和光纖分布式系統兩類。分布式系統往往兼容鍵盤、視頻和鼠標 （Keyboard Video Mouse，KVM） 坐席協作[5]技術，可以使一組或多組鍵盤、顯示器和鼠標遠程控制數臺至數百臺計算機主機，實現人員與服務器、數據的分離，為人員對數據的高效、集中管理提供了極大的便利。近年來，IP 分布式系統以其開放互聯、組網簡單、使用方便的特點占據越來越廣闊的市場。

目前，主流分布式系統均支持H.264/H.265 編碼技術。其IP 化1 080P 每秒60 幀的視頻碼流約為每秒數兆至數十兆字節。部分廠家推出了可支持MJPG、JPEG2000、VC-2 等編碼格式，碼流超過每秒百兆字節的淺壓縮編碼技術，實現更高的畫質和更低的延時。部分廠家開發了采用基于以太網的軟件定義視頻（Software Defined Video-over-Ethernet，SDVoE）技術的分布式系統，實現了基于10 Gb·s-1IP 網絡的無壓縮、零延時分布式視頻信號交互。部分廠商通過采用雙分布式核心的設計，將高碼流與低碼流分布式產品特點與優勢進行整合，提供雙引擎分布式產品。這種產品將兩者優勢根據實際應用需求進行有效整合，在具備視頻高質量無損顯示效果、低延時傳輸的同時，完善了多種應用方式，解決了實際應用中與市場上H.264/H.265 設備兼容、低網絡帶寬下遠距離視頻分享的需求。

未來，隨著技術的不斷發展，分布式坐席協作技術將進一步向高清晰度、高畫質、高可靠性、更低帶寬、更低延時、權限管理更易用以及人機交互更便利方向發展，以滿足用戶不斷增長的使用需求，具有廣闊的成長空間。

3.3 可視化運維管控技術

為了滿足人工智能物聯網時代的多樣化需求，業內主流公司均開發了可視化[6]智能運維管理控制系統（中央控制系統）的產品。運維管控系統通過與燈光、空調及顯示終端等相關設備的控制接口交互，可實現對上述設備基于多種終端的統一操控，還可以實現系統運行狀態自動監測和告警。上述技術以可視化屏幕為載體，以視頻圖像為表現形式，以呈現數據為調度依據，以其直觀、快速、方便的特點，大大提高了管控和調度的效率。運維管控系統可支持多種接口，支持IP 包解析和控制、信息提取、指令轉換、事件觸發及環境控制，也支持溫度、光感、濕度及新風等環境參數的雙向反饋。

近年來，業內主流公司的可視化智能運維管控技術已在中小型至大型項目中得到廣泛的應用，技術快速進步、日漸成熟。預計未來相關技術將進一步向云計算、大數據化、智能分析化、數據可視化、量身定制化、業務導向化及人機友好化方向發展。

4 結 語

隨著云計算、物聯網、5G、8K、Micro LED 等技術的快速發展及廣泛應用，視頻顯示系統工程領域相關技術取得了快速發展。一方面，在視頻顯示系統設備尺寸、分辨率、畫質、可靠性、節能降耗方面快速提升；另一方面，在信號交互與處理系統設備方面形成高畫質、高可靠性、超高清化、大型化、IP 化、多功能化、易用化、運維智能化及人機友好化的趨勢。上述技術進步必將為我國視頻顯示系統工程領域的用戶體驗帶來全面提升。