世博中心大堂通透式LED顯示屏的設計與實現

文｜上海大晨顯示技術有限公司 潘尚法

華東建筑設計研究院有限公司 林海雄

世博中心大堂通透式LED顯示屏的設計與實現

文｜上海大晨顯示技術有限公司 潘尚法

華東建筑設計研究院有限公司 林海雄

經濟的飛速發展使人們對快速與便捷的信息傳播媒體的要求越來越高，加之智能化建筑的大量出現，原有傳統的LED顯示屏已遠遠不能滿足人們對新奇美觀并能適合各種極具創意的外觀需求。LED顯示屏的個性化、藝術化及與各種建筑環境相諧調變得越來越重要。這樣的新情況無論對建筑設計師或LED顯示屏的設計工程師都提出了更高的要求。

1 需求的提出

世博中心是世博園區內四館一軸永久性場館的重要建筑。在世博期間，世博中心將是接待國家元首級貴賓，舉辦慶典活動和會議論壇的重要場所。世博會后，世博中心一方面將轉型為具有國際一流水平的高端會議中心，具備舉辦“上合峰會”、“APEC”會議功能的建筑；另一方面將成為上海每年舉行“兩會”及其他重要政務會議的上海政務中心。因此安裝在該大堂內的LED顯示屏必須體現藝術性、與周邊環境的諧調性和創新性。

世博中心大堂面積為 3000m2，大堂內北側2樓、3樓、4樓各有一塊1000m2的活動區域。設計者在世博中心大堂的北側中央設計安裝一塊約400m2的LED顯示屏，作為世博中心主要公共中心傳播的媒體。如果采用傳統的LED顯示屏，它就顯得比較古板就像一堵黑色的墻，將2樓、3樓、4樓的通廊活動區域與大堂完全分割成兩個獨立的壓抑的空間，體現不出原本精心設計裝潢施工的效果，這顯然是設計師們不愿意看到的。

世博中心的建設方及建筑設計師們經過反復推敲，對超大型的LED顯示屏提出了如下特殊需求：

（1）LED顯示屏必須是鏤空通透的，它不點亮時，2樓、3樓、4樓的通廊活動區域與大堂在視覺上應是通透的，就像一塊薄薄的透明絲織物懸掛在大廳中央。

（2）顯示屏不但能播放各種公共信息、圖片和電視，而且還能播放高清數字視頻。

（3）不論是播放節目或是停止播放時，2樓、3樓、4樓通廊活動區域的人們都能清晰地看到大堂里的活動景象，反之大堂的人們也能看到2樓、3樓、4樓通廊區域的活動景象。

（4）該LED顯示屏的主要顯示性能及技術參數應在國內是領先的，接近或達到國外著名品牌的水平。

2 通透率和結構強度的設計

2.1 播放高清功能的實現

（1） 分辨率設計

LED顯示屏與電腦的顯示屏一樣，它們所顯示的圖像都是由像素點組成，每個像素點由紅、綠、藍顏色元組成。像素與像素之間有一定的距離，這個距離我們稱為點間距PH。電腦顯示屏的分辨率是可以設定的，如1024×768、1280×960、1600×1200等。

拿1280×960舉例：電腦顯示屏的水平方向有1280顆像素水平排列，垂直方向有960顆像素垂直排列，總共有1228800顆像素，它足夠表達一幅非常細膩的圖像。

如果電腦顯示屏垂直方向的尺寸為300mm，那么電腦顯示屏上的像素點間距PH=300/1280=0.234mm，如圖1所示。PH是任何數字式顯示屏的一個重要參數。

我們假定：人眼到電腦顯示屏的距離為D=450mm，那么兩個相鄰的像素與人眼的夾角為θ，那么有等式θ=Arctg0.234/450。

如果我們將電腦顯示屏放大到400m2左右，人眼到顯示屏的距離也按此比例放大，如果要求感知像素點的數量不變，那么它的PH值也要求隨之放大。由此可見，為保證圖像像素點的感知量不變（或分辯率不變），那么θ的夾角也應該不變，如圖2所示。

據此有等式 ：0.234/450=PH/35000，由此求得PH=18.2mm，即我們設計的LED顯示屏的像素間距應設為18mm。

世博中心大堂大門到顯示屏距離為50m，人們從大門進入到大堂到離顯示屏35m處的這一人群所觀看到的大屏圖像效果應與人們在電腦邊看到的電腦顯示屏圖像效果是相當的。

根據大堂的實際尺寸，我們將LED顯示屏設計成寬度為25344mm，高度為14976mm，那么它的水平方向像素點25344/18=1408，垂直方向像素點14976/18=832，則分辯率為1408×832=1171456。

（2） LED顯示屏的底色選擇

因為任何發光體只要發光就無法表達黑色，LED顯示屏表達黑色的辦法是靠黑色的底色來表現，所以LED顯示屏的底色應設為黑色。如果從圖像質量來講，LED顯示屏的底色不是黑色的LED顯示屏所顯示的圖像反差會較小，但是我們考慮到LED顯示屏要與大堂的環境相諧調。世博中心大堂左側是通透的垂直電梯，它的鋼結構顏色是深灰色，大堂地面也為灰色的大理石，因此我們選擇了灰色作為顯示屏底色，它的圖像反差略次于黑色。

（3） 通透率的設計

通透率太大也會使圖像的反差變小，而使圖像質量下降。另一方面通透率太大，顯示屏的機械強度也會下降。考慮到結構的堅固性，我們采用鋁合金作為發光二極管的載體，鋁條的寬度為11mm，將焊有發光二極管的PCB板裝入鋁條內，安裝好以后，它的通透率為（18-11）/18=38%。

（4） 結構設計

整個通透LED顯示屏只有2種主要零件構成，即18304根1152×11×10鋁燈條與23根60×300×14976的龍骨支架組成，舍棄了傳統LED顯示屏的笨重外框。從外觀上看，它沒有其他贅物與線纜等雜物，非常簡潔與美觀。為實現通透率和強度的統一，單元箱體的面積為普通通透LED顯示屏單元的4倍，因此在材料的選用與工藝結構上都有所創新，并采用模具化生產，其制造精度≤0.3mm，一舉解決了大型顯示屏的拼裝有明顯縫隙的難題。單元箱體設計如圖3所示。

3 提高LED顯示屏的灰度等級和掃描速率

前述內容完成了整體結構設計和符合高清要求所需分辨率的硬件設計，其分辨率已達到了1.17百萬像素。然而描述LED顯示屏的性能還有兩個關鍵參數即灰度等級和掃描速率，它們也是衡量LED顯示屏質量的關鍵指標。它們的效果可以用攝像機或照相機拍攝的圖像表現出來。如果掃描速率不夠，則對LED顯示屏動態圖像與靜態圖像拍攝的圖像效果較差，最常見的是會出現波紋（莫爾紋）或黑屏現象。用相同的攝像機或照相機拍攝著名品牌的LED顯示屏（如巴可、達科、lighthouse等）時，效果較好，不會出現上述現象。這主要是由于后者LED顯示屏的掃描速率較高的緣故。另一方面，顯示屏的主要功能是如實表現真實的圖像源，而大自然中的真實圖像源的顏色與亮度，它有無窮個等級的灰度，人類眼睛在數百萬年的進化中，已具備了辨別這些細微差別的能力，即能辨別出LED顯示屏在表現自然界色彩的逼真程度，也就是說LED顯示屏灰度等級越高，越能真實地表現出自然界的圖像源。

世博中心啟用后，會有大量的中外記者拿著攝像機、照相機蜂擁而至，甚至連普通與會者也會將攝像機、照相機對這個通透的LED顯示屏進行拍攝，因此該LED顯示屏的掃描速率與灰度等級這兩個關鍵指標也要接近或到達著名同類產品的水平。提高這兩個關鍵指標與LED顯示屏采用的驅動芯片和控制器直接有關。目前國內大多數主流LED顯示屏的灰度等級在12位左右，掃描速率在700Hz左右。他們采用的是臺灣聚積公司的MBI5024、東芝的T62726或16位恒流驅動芯片，它們與美國德州儀器公司5942、點晶的PM632、PM634和中慶的9721不同，后者采用PWM技術，掃描速率與灰度等級極高。我們設計的產品要接近著名品牌的產品所顯示的效果，因此采用了PWM技術。

臺灣聚積公司在原有的PWM芯片的基礎上推出了新的產品MBI5042，它是16位驅動芯片，采用的是其專利S-PWM技術，其主要性能與傳統款芯片比較，如表1所示。

表1

該芯片應用靈活，南京德普達公司迅速推出了與之配套的LED顯示屏控制器，世博中心LED顯示屏采用了聚積公司的MBI5042驅動芯片與德普達的控制器，使其顯示效果達到了著名品牌的水平。

4 效果

世博中心大堂LED顯示屏于2009年11月30日安裝調試結束投入試用，得到了各界的好評，于2010年3月正式通過驗收并移交上展集團，完全達到建設方及設計方的全部要求。主要性能技術指標也已達到著名品牌LED顯示屏的水平。效果如圖4所示。