Смотри на табло! О технологиях

Материал взят из блога Дмитрия Фещенко "Галопом по Европам" на портале www.sports.ru

Основная цель и причина для приобретения видеоэкрана большого формата – это показ динамичного изображения большому количеству людей. Раньше построить большой и яркий видеоэкран было очень проблематично, так как единственный подходящий вариант – проекционный экран – страдал нехваткой яркости и контрастности в условиях высокой освещенности. Первая реальная альтернатива проекционным экранам, это решение на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Эти видеоэкраны были тяжелыми, потребляли много энергии и страдали недостатком разрешения – и все это стоило приличных денег.

Относительно недавнее (начиная с 1996 года) появление ярких полноцветных светодиодов, созданных по современным технологиям, наконец-то сделало большие светодиодные экраны практичными и доступными. Вообще, обычно большие видеоэкраны устанавливаются в местах, где большое количество людей сможет их увидеть: на спортивных аренах, поп-концертах и в торговых центрах.

Как правило, это большие дисплеи (от 1,5 м до 30 м в ширину или даже больше) и естественно достаточно яркие, чтобы преодолеть высокую освещенность (например, прямые солнечные лучи). Давайте в деталях рассмотрим основные технологии, применяющиеся в больших видеоэкранах.

Репроекционные экраны и видеокубы.

Слабая яркость – это то, что не позволяет проекционным экранам получить широкое применение. Даже современные DLP или LCOS проекторы производят приемлемое изображение только в условиях слабой освещенности. Проекционные экраны с большой мощностью могут помочь в условиях невысокой освещенности, но в условиях естественного освещения, или яркого искусственного освещения, видеопроектор – не лучший вариант.

Проекционные экраны раньше использовались в «Ледовом Дворце» и «Арене2000»:

(Табло «Арена 2000», Ярославль, установлено в 2000 году)

(Табло «Ледовый Дворец», Санкт-Петербург, установлено в 2000 году)

Видеокуб состоит из маленького проектора и внутреннего зеркала, отражающего изображение на задней поверхности экрана видеокуба. Этот метод позволяет использовать их в качестве большого видеоэкрана исключительно для помещений. Изображение «разбивается» на части специальным видеоконтроллером и распределяется по видеокубам.

Между видеокубами видна тонкая, но заметная разделительная линия. Эти видеоэкраны также имеют низкую яркость (в среднем всего от 400 до 600 нит). Очень трудно отрегулировать одинаковый цветовой баланс для каждого видеокуба, но еще труднее поддерживать его в таком виде.

CRT (ЭЛТ) технология.

Это была оригинальная система больших полноцветных видеоэкранов, но из-за больших затрат и трудностей в производстве, всего лишь несколько компаний производили подобные экраны. Теперь они фактически вышли из употребления. Самые известные ЭЛТ видеоэкраны были сделаны компаниями Mitsubishi (Diamond Vision), Panasonic (Astro Vision), и Sony (JumboTron).

Изображение от источника видеосигнала разделялось на множество точек, называемых пикселями. Каждый пиксель составлен, по крайней мере, из трех крошечных электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) – красного, зеленого и синего цветов. Изменяя яркость луча от каждой ЭЛТ трубки, можно получить любой другой цвет.

Каждая из этих ЭЛТ трубок похожа на маленькую телевизионную ЭЛТ трубку, за исключением того, что она показывает только одну точку изображения, а полное изображение создается сотней тысяч ЭЛТ трубок. В результате получается большое, яркое видео изображение. Горизонтальные углы обзора на этих системах были довольно малыми по сравнению со светодиодными экранами, не говоря уже о том, что они потребляли много энергии.

Ламповые экрана.

В ламповых экранах видеоизображение, также как в видеокубах, составлялось из отдельных пикселей, которые в свою очередь составлялись лампочками накаливания закрытыми цветными светофильтрами красного, зеленого и синего цвета. Ламповые экраны отличались высокой яркостью, но к сожалению имели низкое разрешение и потребляли много электроэнергии.

Светодиодные (LED) экраны.

Именно эта на сегодняшний день основная технология в производстве видеоэкранов, поэтому на ней мы остановимся поподробнее.

В конце 1990-ых, родилась технология светодиодных видеоэкранов. Такие видеоэкраны превосходили ЭЛТ аналоги в разрешении и яркости, а также стоили значительно дешевле. Добавьте к этому тот факт, что светодиодные экраны потребляют гораздо меньше мощности и значительно легче экранов из электронно-лучевых трубок. Кроме того, они значительно меньше по размеру. Все эти аспекты сделали их очень привлекательными как для сдачи в аренду, так и для инсталляций. Технология с использованием ЭЛТ трубок из-за сложности производственного процесса использовалась преимущественно только тремя основными продавцами. Светодиодная технология намного более доступна, что привело к появлению большого количества производителей светодиодных экранов.

Основным элементом современного табло является светодиод сокращено СД (в западном варианте LED – Light-emitting diode).

Небольшая справка: светодиод – полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом (p-n переходом) или контактом металл-полупроводник (барьер Шоттки), создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят, в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников. Первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне (красный), был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил инженер компании General Electric Ник Холоньяк. Чуть позже появились на свет желтые, оранжевые и зеленные светодиоды и лишь в 1990 году Судзи Накамура, работавший на корпорацию Nichia Chemical Industries, изобрел синий светодиод. Во многом именно это изобретение способствовало появлению и быстрому развитию светодиодных экранов. 

По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют ряд преимуществ, таких как: высокая световая отдача, высокая механическая прочность, длительный срок службы и высокая надежность, низковольтность, относительно слабый нагрев, малая инерционность...

Современные светодиоды делаются в так называемом SMD исполнении (surface mount technology) – технология поверхностного монтажа. Я не буду вдаваться в детали, но данная технология имеет множество преимуществ перед «традиционной» технологии монтажа в отверстия, причем как на этапе проектирования, так и непосредственно монтажа. Эта технология приводит также к уменьшению массогабаритных и улучшению электрических характеристик, повышает технологичность и снижает стоимость.

(Несколько моделей SMD светодиодов)

При создании светодиодного экрана используются так называемая система RGB – система цветообразования, в которой конечный цвет получается за счет смешения, с различной интенсивностью, трех основных цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Смешение 100% первичных цветов дает белый цвет. Их полное отсутствие – черный. Несколько светодиодов различных цветов группируют в пиксели.

Пиксель – Отдельная точка в графическом изображении, его минимальный структурный элемент. Пиксели располагаются на экране в виде строк и столбцов. Любое изображение вне зависимости от его сложности – это всего лишь совокупность пикселей. Размер пикселя не зависит от размера экрана, увеличение экрана достигается путем увеличения его информационной емкости, то есть количества пикселей. Пиксель может быть различным по составу и включать в себя различное количество излучателей. В результате цвет каждой точки достигается подбором интенсивности свечения светодиодов каждого цвета, образующих пиксель. Подобный принцип получения изображения применяется практически во всех современных технологиях производства мониторов, дисплеев, видеоэкранов. Расстояние между двумя соседними пикселями называется «физический шаг», а общие количество пикселей по горизонтали и вертикали – разрешением.

(Примеры разных по составу пикселей)

Меньший шаг пикселей означает более высокое разрешение. Очевидно, что чем меньше шаг, тем больше пикселей получится разместить на единице площади, а значит, увеличить разрешение. Для человеческого глаза такое изображение будет выглядеть лучше и качественней, на нём будет различимо больше деталей. Это особенно важно при показе мелких предметов или текста. Возьмем ради примера обычный уличный светодиодный экран. Конечно, изображение вполне различимо и с небольших расстояний. Но по мере приближения, оно «рассыпается» на отдельные пиксели и воспринимать такое изображение становится очень некомфортно и практически невозможно. Спроецируем вышесказанное на практическое применение уличного светодиодного экрана для рекламных целей. Известно, что время контакта объекта рекламного воздействия (наблюдателя) с рекламной информацией является одним из основных факторов успеха или неудачи рекламного проекта. Иначе говоря, при более высоком разрешении экрана, наблюдатель будет видеть приемлемое изображение, даже приблизившись на минимальное расстояние к нему, а значит, увеличиться продолжительность его контакта с рекламной информацией. Вот почему настолько важным является информационная наполняемость видеоэкрана – разрешение, и вот почему в этом направлении и ведется в настоящее время немалая часть технологических, инженерных и конструкторских изысканий.

Одно из таких изысканий «виртуальный пиксель», использует для формирования изображения светодиоды, входящие в структуру соседних реальных (физических) пикселей (один из примеров данной технологии медиакуб производства компании «Barco» в «Мегаспорте»). В каждый единичный момент времени изображение формируется поочередно реальным пикселем и виртуальным, в котором задействованы светодиоды нескольких соседних пикселей. Таким образом, уменьшается шаг и, соответственно, увеличивается разрешение. В таких случаях пиксель составляют из пяти светодиодов (2 R,2 G,1В), данная конфигурация пикселя позволяет достичь увеличения разрешения. Наглядно это выглядит следующим образом:

Необходимо особо отметить, что для формирования изображения, использующего преимущества виртуального пикселя, важно не только определенное расположение светодиодов, но и самих пикселей по площади экрана. Система безжизненна без специализированного программного обеспечения, способного в режиме реального времени просчитывать громадный объем видеоданных, поступающих от источника видеосигнала и, экстраполируя, выводить его на экран (Подробнее о плюсах и минусах данной технологииздесь). Однако этот шаг не привел к нужному результату, видео экран с реальным разрешением равным «виртуальному» всегда имеет более качественное изображение и ни при каких условиях нельзя говорить о удвоении разрешения экрана, за счет применения технологии «виртуального пикселя».

Более продвинутая технология это использование так называемых диодов «3 в 1», такие светодиоды имеют все три излучателя в одном корпусе. Данное решение позволяет добиться заметного уменьшения физического шага, вплоть до 3 мм, за счет того что пиксель получается состоит всего лишь из одного светодиода и размер шага зависит только от расстояния между диодами. Соответсвенно, что бы добиться более высокого разрешения по сути нужно решать только две задачи: уменьшить размер самих диодов и уменьшить расстоянии между ними. 

Для построения видеоэкранов используют соответствующие модули, которые устанавливают на специальный каркас. Модуль обладает элементами питания и управления. Модульная компоновка имеет следующие преимущества: построение экранов любых размеров и разрешения, возможность увеличения размеров при апгрейде, построение экранов произвольной формы, построение экранов высокого разрешения, простота монтажа и обслуживания, взаимозаменяемость модулей, быстрая локализация неисправностей, простота транспортировки, построение мобильных и быстросборных экранов, облегчает сборку и улучшает ремонтопригодность.

(Примеры светодиодных модулей)

Важным моментом является программное обеспечение и система управления светодиодным экраном. Стандартный видеосигнал не может быть непосредственно показан на светодиодном экране без предварительной обработки.

Видеоизображение состоит из множества горизонтально сканируемых линий (строк), но они все не появляются на телевизионном экране в одно и то же время. В первую 1/60-ую секунды (1/50-ую для PAL-SECAM) показываются нечетные строки, а во вторую, 1/60-ую секунды, показываются четные строки. Все телевизоры работают по этому принципу, и называется этот принцип черезстрочной разверткой. Поскольку большинство видеоэкранов не использует непосредственно этот видеосигнал, необходимо сначала убрать черезстрочную структуру из видеосигнала. Самый простой способ сделать это состоит в том, чтобы взять первый набор строк, называемый полем, удвоить его, и показать на экране, игнорируя второе поле. Некоторые дешевые видеопроцессоры делают это и отбрасывают половину первоначальной информации из изображения. Более сложные видеопроцессоры запоминают информацию в строках первого поля и затем объединяют ее с информацией в строках второго поля. Тогда можно показать на видеоэкране полноценный кадр. Однако, если объект на экране перемещался быстро, он может оказаться в другом положении во втором поле, и это может привести к недопустимым видеоэффектам (мерцанию).

Решение этой проблемы требует интерполяции двух наборов строк из первого и второго полей кадра изображения в реальном масштабе времени, и, наконец, необходимо масштабировать изображение, чтобы оно соответствовало разрешению видеоэкрана, которое обычно отличается от разрешения источника видеосигнала. Комбинация этих процессов, особенно масштабирование, требует большой и мощной видеообработки, чтобы получить чистый, без артефактов и мерцаний, видеосигнал. Обычно это делается выделенным видеопроцессором, который стоит довольно дорого.

Теперь в качестве примера, рассмотрим систему «ХП Павильона» (Сан-хосе, Калифорния, США), где свои домашние матчи проводит клуб НХЛ «Шаркс». Данная модель разработана компанией Daktronics и установлена в 2007 году.

Система состоит из пяти элементов:

Первый элемент LED кольцо размером, 1.07 м x 41 м и разрешением 96 x 2768 точек, шаг 16 мм.

Ниже находиться второе LED кольцо с тем же шагом, но чуть меньшего размера 0.9 м x 37 м и разрешением 64 x 2560 точек.

Далее идут 4 основных светодиодных видеоэкрана 5.33 м x 7.32 м и разрешением 544 на 736 точек, шаг 10 мм.

В самом низу куба третье LED кольцо размером 0.76 м x 24.54 м и разрешением 48 x 1536 точек, шаг 16 мм.

Кроме всего вышеупомянутого по периметру стадиона между ярусами установлено еще одно LED кольцо 0.9 м x 282.24 м, разрешением 48 x 14112, шаг 20 мм.

Данное табло, как и многие другие его аналоги, собранно на модулях PS-X Series компании. Модули имеют следующие параметры:

Вмести с самим табло поставляется комплекс необходимого программного обеспечения и контролеров. Комплекс помогает легко и просто управлять всем процессом и включает в себя программы синхронизации вывода изображения на все элементы системы, вывод онлайн статистики, деления экранов на несколько элементов и много чего еще.

Источники: screens.ru, wikipedia.org, daktronics.com, mitsubishielectric.com, flickr.com, nata-info.ru, araneus.ru и другие