Ekrany LED-owe. Parę informacji o technologii ekranów LED-owych

Obecnie nikt już praktycznie nie wyobraża sobie dużych koncertów, festiwali i imprez sportowych bez ekranów LED-owych. Zadomowiły się one w naszym życiu, towarzysząc nam już nie tylko „od święta”, na wspomnianych festiwalach czy koncertach, ale wręcz na każdym kroku – co rusz napotykamy, spacerując czy jeżdżąc po mieście (nie tylko tym dużym), ekrany LED-owe, wyświetlające reklamy i inne informacje, nie mówiąc już o elektronicznych tablicach wyników na stadionach czy SIP, czyli Systemach Informacji Pasażerskiej. W dalszym jednak ciągu dla większości technologia ekranów LED-owych jest dużą zagadką, stąd potrzeba przekazania choćby podstawowych informacji o ich działaniu. Może kogoś też artykuł ten zainspiruje, aby na poważnie zająć się tą technologią lub spróbować swoich sił jako realizator multimediów na różnego rodzaju wydarzeniach.

A więc zaczynamy

LED-Y I PIXELE

Ekrany i ściany LED-owe zbudowane są – jak sama nazwa wskazuje – z diod elektroluminescencyjnych (diod świecących), czyli LED (Light Emitting Diode). Używa się trzy różnokolorowe diody – czerwoną, zieloną i niebieską (Red, Green, Blue, czyli RGB) w jednym emiterze, tworzącym piksel. Kombinacja tych trzech kolorów pozwala uzyskać miliony różnorakich barw, z białą włącznie (do tego o różnej temperaturze barwowej). Niektórzy producenci deklarują, że ich produkty są w stanie wytworzyć nawet kilka miliardów, a nawet bilionów kolorów. Oczywiście marketingowo brzmi to świetnie, ale i tak oko ludzkie jest w stanie rozróżnić tylko, a w zasadzie aż, 750.000 odcieni barw.

Istnieją dwa rodzaje wyświetlaczy LED-owych, produkowanych przy użyciu dwóch różnych metod, i obie używają matrycy złożonej z odpowiedniej liczby LED-ów.

Ekrany LED-owe dyskretne lub „przewlekane” wykorzystują osobne diody montowane do płytki metodą przewlekaną, czyli klasycznie – nóżki elementu przechodzą przez płytkę przewierconą na wylot i są lutowane na jej tylnej stronie. Tego typu wyświetlacze występują w różnych konfiguracjach, np. z trzema lub czterema diodami – w tym drugim przypadku stosuje się dodatkową diodę czerwoną, zieloną lub niebieską, co służy poprawieniu reprodukcji kolorów oraz jasności i kontrastu wyświetlacza. Niektóre ekrany mają nawet po pięć, a nawet sześć LED-ów, co pozwala jeszcze bardziej poprawić jasność i kontrast świecenia – nie do przecenienia w sytuacjach używania ekranów i ścian w aplikacjach zewnętrznych.

Z wymienionych powyżej powodów ekrany używane są jako urządzenia pracujące na zewnątrz, na co wpływ – oprócz dużej jasności – ma również możliwość umieszczenia obwodów i diod w jednej, szczelnej obudowie. Dzięki temu elementy są chronione przed warunkami atmosferycznymi, szczególnie przed uszkodzeniem z powodu dostania się do wnętrza wody lub wilgoci. Jasność większości tego typu ekranów LED-owych dochodzi do 5.000 NIT – co jest równoważne 5.000 kandeli na metr kwadratowy (cd/m2). Najnowsze konstrukcje diod świecących wchodzących na rynek mogą jednak nawet dość znacznie przekraczać tę wartość.

Wyświetlacze SMD są zbudowane w oparciu właśnie o elementy SMD (surface mount devices), czyli montowane powierzchniowo. W tym przypadku końcówki elementów nie przechodzą na drugą stronę płytki, ale są do niej lutowane na tej samej stronie, na której znajduje się element. W tym przypadku emiter LED-owy tworzy jeden malutki element w formie chipu. Ekranów SMD przeważnie używa się w aplikacjach wewnętrznych, ze względu na ich mniejszą jasność, która typowo zawiera się w granicach 1.000-2.000 NIT (jest ona i tak znacząco większa niż telewizorów LCD, których jasność przeważnie nie przekracza 600 NIT). Technologia jednak idzie cały czas naprzód i coraz częściej pojawiają się moduły LED w technologii SMD, których jasność jest już na tyle duża, że pozwala na ich zastosowanie w aplikacjach zewnętrznych.

Niektórzy producenci zaczynają też wypuszczać na rynek emitery SMD złożone nie tylko z trzech diod – jak dotychczas – ale również i czterech, np. RGGB, RRGB.

PIXEL PITCH

czyli – po naszemu – rozstaw pikseli, albo po prostu raster, to jeden z parametrów charakteryzujących ekrany LED-owe. Określa on odległość pomiędzy pikselami, mierzoną w milimetrach. Odległość ta mierzy się pomiędzy diodami o takim samym kolorze w matrycach dyskretnych lub między środkami emiterów w ekranach SMD.

Przykładowo ekran LED-owy z „true pixel pitch” równym 16 mm charakteryzuje się właśnie 16-milimetrową odległością między pikselami – co pokazuje rysunek powyżej. Aczkolwiek niektórzy producenci mogą zaokrąglać tę wartość w górę lub w dół, podczas gdy w rzeczywistości faktyczna odległość między pikselami może wynosić 15,5 mm lub 16,5 mm – takie urządzenia również określane będą jako „16 mm true pixel pitch”.

Niektórzy producenci oferują urządzenia opisane parametrem „effective” lub „virtual” pixel pitch, co oznacza, że w ekranach tego typu zastosowano kompresję informacji graficznej pochodzącej ze źródła sygnału, a następnie „rozdzielenie” tak skompresowanego sygnału pomiędzy dostępne piksele. Rysunek powyżej prezentuje jeden ze sposobów dzielenia pikseli (pixel sharing), gdzie treść informacji graficznej jest współużytkowana przez piksel cztero-LED-owy.

Na rynku są dostępne wirtualne wyświetlacze, które reklamowane są jako zdolne do podwojenia rozdzielczości ekranu, stąd można spotkać się z ekranami LED-owymi o parametrach ekranu (pixel pitch) 16/8 mm lub 24/12 mm. Realnie rzecz ujmując, tego typu konstrukcje mogą poprawić rozdzielczość w zakresie 60-75%, co zresztą potwierdzają sami producenci w specyfikacjach swoich produktów, jednocześnie w dalszym ciągu opisując swoje modele jako ekrany z podwojoną rozdzielczością.

ROZDZIELCZOŚĆ

Rozdzielczość jest jednym z najważniejszych parametrów ekranów i ścian LED-owych, gdyż implikuje, co tak naprawdę widz jest w stanie na nich zobaczyć. Niezależnie od tego, czy mówimy o rzeczywistych, czy wirtualnych wyświetlaczach, niezbędna jest minimalna liczba pikseli pozwalająca na prawidłowe, czytelne wyświetlenie liczb, cyfr i innych znaków graficznych. Większość podstawowych liter i cyfr może być stworzona za pomocą małych matryc wertykalno-horyzontalnych, popularne są też wciąż siedmiosegmentowe znaki cyfrowe.

Tablice świetlne żarówkowe (złożone z tradycyjnych żarówek jako punktów matryc) wykorzystują matryce o rozmiarach 3 × 4, 4 × 5 i 5 × 6. Generalnie reguła jest prosta – im więcej punktów, tym wyraźniejsze i bardziej jednoznaczne są znaki wyświetlane przez takie matryce. Bodajże najpopularniejsze, charakteryzujące się dobrą czytelnością matryce punktowe mają rozmiar 5 × 7.

Jak duże powinny być znaki – litery czy cyfry – aby były czytelne z danej odległości? Do precyzyjnego obliczenia tego istnieją odpowiednie wzory, wymagające jednak trochę „matematyki”. Dla tych, którzy omijają szerokim łukiem wszelkie matematyczne wzory i przekształcenia wymyślono regułę, która całkiem dobrze sprawdza się w rzeczywistych zastosowaniach – zalecana wysokość znaków powinna być równa 1/2.000 odległości, z której mają one być czytelne.

Wiele smartfonów, tabletów i notebooków dysponuje wyświetlaczami, które wyglądają naprawdę nieźle przy swoich małych rozmiarach. Biorąc na przykład iPhone’a 4, który wg. specyfikacji producenta oferuje wyświetlacz o rozdzielczości 960 × 640, przyznamy, że jest on w zupełności wystarczający do czytania SMSów i e-maili, oglądania zdjęć czy plików wideo. Gdyby to jednak miał być ekran LED-owy (np. na stadionie lub w centrum handlowym) o takiej samej rozdzielczości i pixel pitch równym 10 mm, jego wielkość byłaby 9,6 × 6,4 m. To sporo, ale – jak to w życiu bywa, a w przypadku ekranów LED-owych tym bardziej – nie tylko wielkość ma znaczenie.

Ekran o rozdzielczości 960 × 640 daje do dyspozycji sporo linii ze znakami alfanumerycznymi, ale do dyspozycji mamy równie dużo pikseli pozwalających na wyświetlanie reklam czy powtórek meczu z równie dobrą ostrością obrazu, jak na naszym przykładowym iPhone. Oczywiście wszystko zależy od

ODLEGŁOŚCI

z jakiej oglądamy wyświetlany kontent. Dlatego teraz spróbujemy zastanowić się, jak parametr „pixel pitch” wpływa na tę odległość. Idealna pozycja do oglądania wyświetlanej na ekranach czy ścianach LED-owych grafiki i/lub wideo powinna być w takiej odległości, aby wolne przestrzenie pomiędzy pikselami zlewały się, tak aby przerwy między punktami nie były widoczne – dokładnie tak, jak to ma miejsce w przypadku telewizorów czy innych ekranów.

Wielu producentów poleca regułę pozwalającą na oszacowanie minimalnej odległości oglądania, która mówi, że pomnożenie parametru pixel pitch razy 1.000 daje całkiem dobre wyniki w rzeczywistych aplikacjach. Przykładowo, mając ekran o rozstawie pikseli równym 10 mm wyświetlany na nim kontent najlepiej oglądać z odległości nie mniejszej niż 10 m (10 mm × 1.000 = 10.000 mm = 10 m). Odległość ta pozwala „oszukać” nasze oczy, a w zasadzie raczej mózg, który będzie wtedy „widział” jeden obraz zamiast kompozycji pojedynczych punktów świecących.

Teraz przejdźmy na drugą stronę – zastanówmy się, jaka maksymalna odległość pozwoli na to, aby wyświetlane na ekranie treści były jeszcze czytelne. Gdybyśmy wzięli za przykład ekran o 22 mm rastrze i rozdzielczości iPhone 4, czyli 960 × 640, miał by on wymiary 19,2 × 12,8 m i powierzchnię ok. 246 m2. Ekran taki może być widoczny z odległości będącej 20-krotnością jego wielkości (powierzchni), czyli niespełna 5 km (dokładnie 4.920 m)! Ale uwaga – ekran z tej odległości (zakładając oczywiście brak jakichkolwiek przeszkód terenowych i całkowicie płaską powierzchnię – pomijając krzywiznę ziemi) może być WIDOCZNY, co nie oznacza, że treści na nim wyświetlane będą CZYTELNE. W tym drugim przypadku mnożnik wynosi 10, a nawet mniej, albo – jeszcze lepiej – można posłużyć się wspomnianą wcześniej regułą, która definiuje zalecaną wielkość znaków, pozwalającą na ich odczytywanie z określonej odległości (1/2.000 odległości).

Przytoczone wyżej reguły dość dobrze sprawdzają się w rzeczywistych warunkach i są często wykorzystywane, zarówno w przypadku bannerów i ekranów reklamowych, instalowanych na ścianach budynków czy przy drogach, jak i w przypadku tablic wyników na stadionach, a także w zastosowaniach scenicznych.

Oczywiście istnieją różne wariacje i interpretacje powyższych wzorów/reguł, w zależności od jasności i kontrastu ekranów, od tego, czy mamy do czynienia z ekranami dyskretnymi, czy SMD, a także od tego, czy ekrany mają realne, czy wirtualne piksele. Ważne jest też, aby pamiętać, że na rozdzielczość i rozstaw pikseli wpływ będzie miał też kontent prezentowany na ekranie. Im wyższej jakości będzie to, co pojawia się na „wejściu”, tym lepszy rezultat pojawi się na ekranie.

CZY EKRANY LED SĄ HD?

HD czyli „High definition” stało się „modne” ostatnimi czasy i obecnie nikt nie wyobraża sobie np. kupna telewizora, który nie byłby „HD”. Ale co to tak naprawdę oznacza?

Kontent HD jest powszechnie uważany za najlepszej jakości, gdy jest wyprodukowany w rozdzielczości 1.920 × 1.080 pikseli. Typowego „full HD” możemy spodziewać się kupując płyty Blu-ray, oglądając niektóre filmy oraz relacje telewizyjne (najczęściej sportowe lub z jakichś wydarzeń specjalnych). Pamiętać należy, że im więcej informacji (danych) jest transmitowanych, tym szersze pasmo jest potrzebne – to jest zasadniczy powód, dlaczego transmisje w „prawdziwym” HD lub 3D-HD wciąż jeszcze należą do rzadkości. Obecnie za „full HD” uważa się dwie rozdzielczości ekranowe: 1080p i 1080i. Literki „p” i „i” odnoszą się do trybu odświeżania obrazu, zaś liczby określają, ile pikseli mieści się w pionie. Tak więc za „full HD” będzie uznany ekran o rozdzielczości np. 1.920 × 1.080. Z kolei ekrany o wertykalnej liczbie pikseli równej co najmniej 720 określane są mianem „HD ready”. Do tego typu kategorii zaliczyć można zarówno standard telewizyjny 1.366 × 768, jak i „stary, dobry” 1.024 × 768 znany z monitorów komputerowych.

Wszystko więc sprowadza się do tego, czy ekran dysponuje wystarczającą liczbą prawdziwych pikseli, by być HD, czy tylko „potrafi” interpretować i skalować kontent HD do swojej rozdzielczości ekranowej.

SKALOWANIE

Sekretem w zasadzie wszystkich systemów wideo, który sprawia, że na jednym ekranie można oglądać materiały graficzne (zdjęcia, filmy) wykonane w różnej rozdzielczości, jest właśnie skalowanie. Większość takich systemów oferuje zarówno możliwość skalowania w dół (tzn. zmniejszania kontentu o większej rozdzielczości do rozdzielczości mniejszej), jak i w górę (czyli na odwrót). Dzięki temu możliwe jest oglądanie filmów HD na ekranach, które mają mniej niż wspomniane 1.080 linii w pionie, jak i filmów czy grafiki o gorszej jakości (w sensie rozdzielczości) na ekranach HD. Zapewne obiło Wam się też o uszy określenie „pixel-mapping”? Odnosi się ono do sytuacji, gdy treść źródłowa zostaje dopasowana, albo inaczej „zmapowana”, do rozdzielczości wyjściowej ekranu, co często skutkuje ostrzejszym obrazem odtwarzanym, ponieważ brak jest interpolacji pomiędzy kontentem a pikselami. Jeśli materiał źródłowy ma więcej pikseli niż ekran, na którym ma być wyświetlony, tracimy część detali, pogarsza się nam też z tego powodu ostrość obrazu – aczkolwiek efekt finalny takiego zabiegu przeważnie i tak wygląda nieźle. Z kolei mając zbyt mało pikseli w materiale, w porównaniu do rozdzielczości własnej ekranu, zyskujemy ekstra poprawę ostrości obrazu dzięki dodatkowym pikselom.

Jeśli więc napotkacie jakiś ekran LED-owy i będziecie zastanawiać się, czy jest HD, czy nie, odpowiedź na Wasze pytanie znajdziecie w pikselach…

Kamil Stopiński