對LED顯示屏發展的回顧與展望
關積珍
(北京四通智能交通系統集成有限公司,北京100081)
摘要:從技術、市場和產業等方面對LED顯示屏的發展進行了回顧和總結,并分析和展望了LED顯示屏的未來發展。筆者認為:LED顯示屏技術是以基礎材料和數字化技術為導引向實用化發展的。LED顯示屏的應用市場得到了拓寬,需求在不斷提升:LED顯示屏產業群體不斷壯大,正向著多元化、標準化發展。
關鍵詞:LED顯示屏;顯示市場;顯示產業
LED顯示屏從80年代后期在全球迅速興起。短短的十幾年中,相關技術和產業都取得了長足的進步,已發展成為重要的現代信息發布媒體手段,在證券交易、金融、交通、體育、廣告等領域得到了廣泛應用。隨著社會信息化的進程,LED顯示屏在信息顯示領域的應用前景愈加廣闊。本文對LED顯示屏的發展從技術、市場和產業等方面進行總結和討論。1LED顯示屏的技術發展
LED顯示屏產品系列很多,不同類型和不同性能的LED顯示屏,在材料構成、制作工藝和控制技術等方面區別比較大,技術內涵差異明顯,即使同類型、同性能的產品,不同生產廠家所采用的技術、工藝也有很大不同。
LED顯示屏技術包括了半導體光電器件、電子電路、集成電路、信息圖像處理傳輸、計算機網絡以及電子產品制造和電子產品安裝工程等相關技術。
1.1LED顯示屏的色彩、亮度和視角
基礎半導體工業的迅猛發展,帶動了發光二極管原材料以及制作工藝的改進,在色彩與亮度方面都有了質的飛躍,高亮度的藍色及純綠色發光二極管已產業化并實際應用。目前LED顯示屏從顏色上已能滿足室內外不同環境下的單色、雙基色、全彩色顯示要求,四元素的紅色LED器件及高亮度的藍色和純綠色LCD在室外顯示屏中得到普遍應用。
LED顯示屏的顏色、亮度、視角等性能指標密切相關,同時又與顯示屏的分辨率(點陣密度)有很大關系,僅以其中某一項指標進行評價是不行的。
一般室外顯示屏要求亮度高,但視角普遍不大,多為70 ̄90°。要求亮度達到5000 ̄8000cd/m2,分辨率達到1000 ̄10000點/m2。特殊使用要求的顯示屏,如高速公路可變情報板視角要求較小(30°),其亮度在1000點/m2分辨率下也可達到6000cd/m2以上,甚至達到10000cd/m2。通過設計改進安裝方式以及與之配套的生產工藝,在保證亮度滿足戶外使用的基礎上,可使全彩色顯示屏的水平視角達到120°。
室內顯示屏的點陣密度通常在10000點/m2以上,視角一般在120° ̄140°,雙基色顯示屏亮度在1000cd/m2以上,全彩色顯示屏亮度可達2000cd/m2。常見的室內顯示屏點間距為4mm左右,目前實際應用的室內顯示屏點間距最小可達到3mm。
顯示屏采用SMD表貼技術的LED器件制作,可以獲得更好的視角和亮度。如紐約地鐵曼哈頓街區入口的廣告顯示屏,采用了6mm點間距的高亮度LED表貼模塊,亮度達到了3000cd/m2。高密度、全彩色室內外LED顯示屏有望在市場上逐步普及和推廣應用。
顯示屏在顯示視頻圖像等內容時,為取得良好的顯示效果,普遍通過灰度控制技術實現色彩還原。對同一基色采用級差間隔亮度,實現顏色的組合,一般可做到16級、64級和256級灰度。為使顯示效果更符合人眼的視覺特性,出現了非線性級差調灰技術,即在低亮度區級差小,增加級數,逐步到高亮度區時增大級差,形成視覺效果上的“級差一致性”。LED顯示屏灰度控制一般都在256級,通過采用非線性調灰技術,顯示屏的顯示效果比較理想。
為提高全彩色顯示屏的色彩還原能力和視頻圖像質量,目前有些公司在色彩和灰度技術上采用了10比特、14比特以上的處理。理論上可以實現紅、綠、藍16384級灰度和4.3萬億種色彩,使全彩色LED顯示屏的色彩表現能力比NTSC或PAL系統更強,圖像色彩自然,靜態不再如同褪色的舊照片,動態不再像動畫片。
1.2驅動電路
顯示屏驅動電路的主要作用是接受來自控制系統的數字信號,將發光二極管點亮,在LED顯示屏上實現信息顯示。LED顯示屏廣泛使用基于通用型集成電路的驅動電路,如:74HC164、CD4015、74HC595、6B595、ULN2803等,大多為移位寄存器和達林頓驅動器。采用常規型驅動IC進行電路設計,原理比較簡單,價格比較便宜,產品的技術開放性比較強。由通用IC設計的驅動電路在室內外單色、雙基色顯示屏方面應用成熟,目前使用廣泛。
近年隨著恒流驅動IC的發展,根據LED器件的發光與驅動電流高度相關的特點,采用恒流驅動控制技術,大大提高了LED顯示的均勻性。同時,減少了顯示驅動電路的阻容元件,降低了故障點,提高了可靠性。
由于通用驅動IC的集成度較低,電路板的布線設計龐雜,對于高密度的顯示屏往往使用雙層PCB板,在使用上存在一定的隱患,對于全彩色等顯示屏問題更為突出。因此專用IC在全彩色LED顯示屏的發展中受到關注和重視,在國內外都有所發展。90年代后期,IC制造商相繼推出了一些用于LED顯示的專用IC驅動芯片,如TI公司的LED驅動器、中慶數字設備公司的ZQ9701、SONY公司的3281、臺灣點晶科技的DM134、臺灣聚積公司的MB5028等。這類芯片比原來通用驅動IC的集成度高,使顯示屏的驅動電路設計簡捷方便,功能上也有所提高,如增加了開路、短路檢測等。
國內外LED顯示屏制造商也投入了大量資源研制開發適合自己產品的大規模或超大規模驅動集成電路,如松下、富士通、光磊等公司在90年代就使用了大規模專用IC,近年許多廠家在全彩色顯示屏的制造上也開始使用。這類LED顯示屏廠商設計的專用IC相對復雜,功能較強。有些廠商開發的LED專用驅動IC還兼有顯示屏的控制功能,可實現256級至1024級灰度顯示,并具有獨立的脈沖調寬時鐘接口,可以對紅、綠、藍三基色分別進行調色,還具有同步和異步兩種刷新方式,實現了整屏刷新,刷新頻率可提高到100HZ或120HZ,減少、消除了高亮度下的屏幕閃爍。
LED專用IC簡化了顯示屏系統設計的復雜程度,在一定程度上增強了顯示屏的功能,提高了整體的穩定性,具有積極的意義。但是,也應該看到,各個LED制造商設計開的LED專用驅動IC基本上是自用,批量規模不夠,導致產品開放性差。
1.3系統控制技術
對顯示信息的接受、轉換、處理以及具體顯示,是LED顯示屏控制技術所要實現的功能。顯示屏的控制系統包括了輸入接口電路、信號的控制轉換和數字化處理電路、輸出接口電路等。
1)串行傳輸與并行傳輸
LED顯示屏的數據傳輸方式主要有串行和并行兩種,目前廣為采用的主要是串行控制技術。在這種控制方式下,顯示屏每一個單元內部的不同驅動電路及各級聯單元之間,每個時鐘僅傳送一個位(具體實現時每種顏色各一位)的數據。采用這種方式,可采用的驅動IC種類較多,不同顯示單元之間的聯線較少,可減少顯示單元上的數據傳輸驅動元件,從而提高整個系統的可靠性和具體工程實現的容易程度。
2)動態掃描與靜態鎖存
由系統控制實現顯示信息的刷新原理有動態掃描和靜態鎖存兩種技術。一般室內顯示屏多采用動態掃描技術,若干行發光二極管共用一行驅動寄存器,根據共用一行驅動寄存器的發光二極管數目,有1/4、1/16掃描等。室外顯示屏基本上采用靜態鎖存技術,即每一個發光二極管都對應一個驅動寄存器。靜態鎖存控制的驅動寄存器無需時分工作,從而保證了每一個發光二極管的亮度占空比為100%。
3)!校正技術
由于LED顯示屏本身不具有CRT的"特性,因此,在全彩色顯示屏的控制技術上,通常對輸入的視頻信號進行#校正處理。所謂$校正就是對色度曲線的選擇,色度曲線對圖像的顏色、亮度、對比及色度有極大影響。在不同情況下適度調整色度曲線可以達到最佳畫質。%校正一般有模擬校正和數字校正兩種處理方法。目前有些廠家在全彩屏的每一控制板內都嵌入了&校正功能,可以靈活選擇所要的色度,其曲線數值在控制板上存儲,且對紅、綠、藍每色的曲線數值分別單獨存儲。
4)輸入接口技術
目前顯示屏在信號輸入接口上可以滿足全數字化信號、模擬信號、全數字化信號和模擬信號二者混合以及高清晰度電視信號等多種輸入方式。
全數字化信號輸入方式接受外部全數字化輸入信號,在使用多媒體卡的顯示屏系統中,控制系統的輸入接口即為全數字化信號輸入方式。多媒體卡將視頻模擬信號及計算機自身的信號轉換成符合控制系統輸入要求的數字信號,這種形式顯示計算機信息時效果很好;在顯示視頻圖象時,如果計算機本身及軟件的性能不好,則容易出現圖像模糊以及瑪賽克等現象。
模擬信號輸入方式只能接受外部模擬輸入信號。這種輸入方式的顯示屏增加了模數轉換電路,將視頻信號或來自計算機顯卡的模擬信號轉換為全數字信號后進行處理。在顯示視頻圖像時效果很好,但顯示計算機信息時,會出現局部拖尾。
全數字化信號和模擬信號二者混合的輸入方式,能接受模擬輸入信號以及全數字化輸入信號,在顯示視頻圖像和計算機信息時均能達到理想的顯示效果。在此基礎上,增加部分轉換電路,將高清晰度電視(HDTV)信號還原成紅、綠、藍三基色數字信號以及外同步信號,可顯示高清晰度電視的圖像。多數LED顯示屏的視頻顯示系統能夠支持標準清晰度和高清晰度的處理要求。
5)自動檢測、遠程控制技術
LED顯示屏的構成復雜,特別是室外顯示屏,供電、環境亮度、環境溫度條件等都直接影響顯示屏的正常運行。在LED顯示屏的控制系統中可根據需要對溫度、亮度、電源等進行自動檢測和控制,也可根據需要,遠程實現對顯示屏的亮度調節、色度調節、圖像水平和垂直位置的調節、工作方式的轉換等等。
1.4通訊傳輸和網絡控制
根據信息傳輸顯示的實時性,LED顯示屏的通訊傳輸控制有通訊傳輸和視頻傳輸兩類。通訊傳輸采用標準的RS232或RS485計算機數據串行通訊方式,通過串口按一定的通訊協議接收來自計算機串口或其它設備串口的信號,處理后按一定的規律傳送到顯示屏上顯示。采用這種控制方式的顯示屏功能比較單一,適用于簡單的文字、圖形顯示,主要用于單色及雙基色顯示屏控制。一般情況下直接傳輸距離可達千米。
視頻傳輸方式則是把LED顯示屏與多媒體技術結合起來,在LED顯示屏上實時顯示計算機監視器上的內容,也可播放錄像及電視節目,一般用于播放實時信息。具體實現上采用成對的專用長線傳輸接口電路。
隨著計算機網絡技術的發展,LED顯示屏在網絡環境下的使用情況越來越多,在多媒體、多種顯示設備組成的信息顯示系統中,智能化網絡控制,聯網控制多屏技術也在實際中得到應用。
1.5結構工藝技術
顯示屏在實際使用中多處于公眾場合,為此,要求外觀美觀,屏體表面的平整度要好,在室內或室外環境下,都要求散熱、可靠性方面達到良好的技術水平。為了方便安裝和維護,結構的單元箱體組合必須靈活。防風、防雨等要求在設計上要達到一定的防護等級。
2LED顯示屏市場
2.1應用領域
LED顯示屏的應用已涉及社會經濟的許多領域,主要包括:
1)證券交易、金融信息顯示。90年代初,這一領域的LED顯示屏占到了國內LED顯示屏銷售量的50%以上,目前仍為LED顯示屏的主要應用領域,證券交易所、證券營業部、銀行金融機構都廣泛使用LED顯示屏作為營業場地內信息公告的主要手段。
2)機場航班動態信息顯示。民航機場建設對信息顯示的要求明確且有很強的專業性,LED顯示屏是航班信息顯示系統FIDS(FlightInformationDis-playSystem)的首選產品,國內外的航空港普遍都使用了大量的LED顯示屏產品。
3)港口、車站旅客引導信息顯示。以LED顯示屏為主體的信息系統和廣播系統、列車到發顯示系統、票務信息系統等共同構成客運樞紐的自動化系統,日本新干線、我國國內重要火車站和港口都安裝了LED顯示系統。
4)體育場館信息顯示。LED顯示屏已取代了傳統的燈泡屏和CRT顯示屏,近幾屆奧運會的比賽場館處處可見LED顯示屏,國內四十三屆世乒賽主場地天津體育中心當時也采用了具有國際先進水平的國產全彩色視頻LED顯示屏,受到普遍好評。國內外的重要體育場館普遍采用LED顯示屏作為信息顯示的主要手段,并已形成了行業性的標準規范。
5)道路交通信息顯示。智能交通系統(ITS)的興起,在城市交通、高速公路等領域,由LED構成的可變情報板、限速標志等得到普遍采用。
6)調度指揮中心信息顯示。電力調度、車輛動態跟蹤、車輛調度管理等,也在逐步采用高密度的LED顯示屏。
7)郵政、電信、商場購物中心等服務領域的業務宣傳及信息顯示。遍布全球的服務領域均有LED顯示屏在信息顯示方面發揮作用。
8)廣告媒體新產品。除單一大型戶內、戶外顯示屏做為廣告媒體外,國內外一些城市出現了集群LED顯示屏廣告系統。國內鐵路列車LED顯示屏廣告發布系統已在全國數十列旅客列車上得到采用并正在推廣擴大。
9)演出和集會。大型顯示屏越來越普遍的用于公共和政治目的的視頻直播,如在我國建國50周年大慶、美國總統大選、莫斯科850周年慶典、日本NAGANNO冬季奧運會、波蘭教皇的訪問、巴西狂歡節、世界各地的新千年慶典中,大型顯示屏既增加了藝術影響力,同時也團結了人民。
10)展覽和租賃。在許多展覽會,LED顯示大屏幕作為展覽組織者提供的重要服務內容之一,向參展商提供有償服務。國外還有一些較大的LED大屏幕的專業性租賃公司,也有一些規模較大的制造商提供租賃服務。
2.2市場增長
早期的LED顯示屏,因為價格較高,顯示顏色單一,應用領域比較小,多為專業市場且市場容量有限。從90年代以來,市場取得了長足發展。
我國LED顯示屏市場自1993年以來一直保持了持續增長,年平均增長率為40%左右。1998年中國光學光電子行業協會LED顯示屏專業委員會成立后,對全國LED顯示屏廠家的生產和市場銷售情況進行了一次較全面的統計和估算。1998年全國LED銷售額為8億元人民幣,推測1996年的LED顯示屏市場產值應該是4億多。實際統計1997年為6億多,1999年為10億多,2000年全國LED顯示屏的市場產值為14 ̄15億,2001年實際統計的全國LED顯示屏市場銷售額約20億元人民幣,2002年為25億元左右,2003年達到30億元,2004年度36億元。我國近年LED顯示屏市場增長率如圖1所示。
根據LED顯示屏分會的統計,2001年以來成員單位的出口額每年約為4 ̄5億元人民幣,這是國內LED顯示屏走向國際市場的良好跡象。
國際上,LED顯示屏的應用范圍主要集中在戶外廣告和體育場館,其次是交通和演出,另外包括展覽、租賃、集會等各種場合,估計其市場增長速度為每年30%。目前,主要制造廠商集中在日本、北美和臺灣等國家和地區,我國LED制造廠商出口的份額與之相比微不足道。國際上LED顯示屏的潛在市場主要在以下領域。
1)廣告行業:據美國廣告協會統計,1999年全美戶外廣告產值達到50億美元,并且以年均8%的速度增長。在其他國家和地區,絕對值雖然沒有這么大,但增長率很大。室外全彩色LED顯示屏憑借高亮度、動態顯示等優勢,將是一個非常巨大的市場。
2)體育和運動場館:根據美國AmusenmentBusinessStadium&Areen統計,全美約有450個體育場,其中可容納15000名觀眾以上的有184個。在歐洲以及世界其他國家和地區,也有很多大型體育館,這是一個非常大的市場。
3)交通:根據美國USFederalHighwayAd-ministrationReportNo.FHWA/RD-80/051中研究戶外廣告和信息對司機的影響,結果表明大型顯示屏的精彩內容并不會干擾司機的注意力,相反能給司機一些有幫助的信息。這個研究得到大多數州認可,為顯示屏在交通中的應用掃清了障礙。這些應用主要包括智能交通系統(ITS)和路旁廣告系統兩個方面。隨著ITS在全球范圍的發展,應用于交通信息發布的LED顯示屏將具有很大的潛在市場。
4)展覽和租賃:世界上較大的LED租賃公司有XLVideo、ScreenCo和Bigscreenhire等公司,他們實際上是LED生產廠商的直接客戶。同時一些大型制造商如LIGHTHOUSE等本身也提供租賃服務。據估計,這種市場需求每年大約2億美元左右。
隨著LED器件性能的不斷提高,全彩色顯示屏將成為LED顯示屏行業新的增長點,蘊含著極大的潛在市場。由于我國加入WTO以及2008年北京奧運會、2010年世博會的舉辦,LED顯示屏市場將獲得新的發展機遇。半導體照明的發展,為LED顯示屏帶來發展契機,戶外廣告、體育、交通、演出、展覽、租賃和集會等領域的市場將有顯著增加,并逐步成為主導。
3中國LED顯示屏產業的發展
3.1產業發展歷程
LED顯示屏在不同的歷史時期,有其特定的代表產品,也反映了產業的發展歷程。以下是我國LED顯示屏代表性產品及其誕生的年代:
!單色顯示屏(1990)
!無線遙控條型顯示屏(1991)
!雙基色256級灰度圖文顯示屏(1992)
!雙基色256級灰度視頻顯示屏(1993)
!室內全彩色顯示屏(1994)
!室外全彩色顯示屏(1995)
!專用控制芯片(1997)
!恒流驅動芯片(1998)
!表貼LED(2001)
3.2產業現狀
目前中國LED顯示屏產業已初具規模,形成了一批具有一定規模的骨干企業。據不完全統計,全國從事LED顯示屏的各類企業約有150家,從業人員近萬人。其中130家企業加入了中國光學光電子行業協會LED顯示屏分會,年度銷售總額占全國同行業的80%以上。目前國內主要LED顯示屏制造廠商主要集中在華東、華北、華南區域。大型制造商的市場范圍幾乎覆蓋了整個中國。國內LED廠商中,年產值上千萬的有20余家。
根據中國光協LED顯示屏分會的統計,2004年度,我國LED顯示屏的主要生產地及以億元人民幣為單位的產值如下:
!華南地區:10.24(其中全彩6.32,出口3.47)!華東地區:9.31(其中全彩3.01,出口0.42)!華北地區:4.39(其中全彩2.21,出口0.07)!西南、西北、華中地區:4.74(其中全彩2.51,出口0.52)!東北地區:1.55(其中全彩0.80,出口0.05)
據不完全統計,世界上目前至少有150家廠商生產全彩屏,其中產品齊全,規模較大的公司約有30家左右,主要分布在美國、歐洲、亞洲(日本、中國臺灣、中國)。國內從1994、1995年開始生產全彩色顯示屏。就全彩色顯示屏的綜合水平來說,國內的全彩色LED顯示屏除了價格和本地化服務的優勢外,在技術深度、生產工藝等方面與國外產品有明顯的差距。
LED顯示屏產業基本上是在市場需求的引導下自主發展形成的,也是從事LED顯示屏行業的廣大科技工作者和經營管理隊伍努力的結果。在我國LED顯示屏市場的發展中,不乏以技術和產品引導市場的典例。服從市場導向并積極引導市場仍將是未來LED顯示屏產業發展的主要模式。整個行業的總體規模趨勢是企業總體數量逐年增加,國內外專業公司或部分上市企業紛紛加入;結構特點是以民營企業為主體,新興企業占絕大多數,從業人員年齡結構比較年輕,行業內企業規模參差不齊。雖然國內LED顯示屏產品及市場發展迅速,廠家眾多,但目前尚無任何一家企業取得了10%以上的市場分額,市場仍然處于群雄逐鹿的狀態。近年國外一些品牌企業與國內企業合資,中國制造在LED顯示屏產業領域初露端倪。LED顯示屏行業的競爭雖然頗為激烈,但同時競爭將逐步變得有序,突出規模化、品牌化競爭。預計在未來三、五年中,會形成幾家主導國內市場、與國際接軌的頗具實力的企業和若干專業類型的企業,顯示屏產業將逐步趨于成熟和穩定發展。
3.3標準化
在市場經濟環境下,質量和標準化是產業發展的重要保證。產品標準體系的形成,對企業及其產品和服務的要求趨于規范。基本生產條件不完善、技術深度不夠、質量和售后服務體系不齊全的企業將被市場淘汰。預計今后幾年內,市場競爭中的不規范因素會減少,產品的標準化、規范化將成為產業健康發展的重要保證。
國際上有關LED顯示屏的技術標準尚未形成,只有一些企業制定了相關的企業標準。我國LED顯示屏標準化工作起步較早,保持了比較領先的地位。1998年1月,原電子部正式發布實施,由藍通公司負責起草的《LED顯示屏通用規范》作為電子行業標準。1998年初,中國光協光電器件分會正式成立了LED顯示屏專業委員會,在引導規范行業發展、開展光電器件與LED顯示屏產品技術及檢測標準交流協調等方面積極開展工作。1999年在昆明召開了“LED器件與應用研討會”,并組織起草了《LED顯示屏檢測方法》。經組織討論修改后,于2000年8月正式印發,在LED顯示屏專業委員會成員單位試行貫徹實施。2003年,《LED顯示屏測試方法》作為信息產業部行業標準正式發布,同時,對《LED顯示屏通用規范》也進行了修改,重新發布。LED顯示屏分會于2003年9月在成都召開專門會議,對上述兩個標準的實施進行了宣貫。2004年11月在上海又就測試的具體軟件和方法組織了培訓。
近年來,交通部、公安部、鐵道部、國家體育總局、民航等應用部門,根據具體行業使用中對LED顯示屏的不同要求,也相繼制定和推出了相關的LED顯示類產品標準,使我國在LED顯示屏方面的標準化體系日臻完善。
目前電子標準化研究所與中國光學光電子行業協會光電器件分會、LED顯示屏分會等正在就標準體系的建立和具體標準的編制組織力量積極開展工作。