对LED显示屏发展的回顾与展望
关积珍
(北京四通智能交通系统集成有限公司,北京100081)
摘要:从技术、市场和产业等方面对LED显示屏的发展进行了回顾和总结,并分析和展望了LED显示屏的未来发展。笔者认为:LED显示屏技术是以基础材料和数字化技术为导引向实用化发展的。LED显示屏的应用市场得到了拓宽,需求在不断提升:LED显示屏产业群体不断壮大,正向着多元化、标准化发展。
关键词:LED显示屏;显示市场;显示产业
LED显示屏从80年代后期在全球迅速兴起。短短的十几年中,相关技术和产业都取得了长足的进步,已发展成为重要的现代信息发布媒体手段,在证券交易、金融、交通、体育、广告等领域得到了广泛应用。随着社会信息化的进程,LED显示屏在信息显示领域的应用前景愈加广阔。本文对LED显示屏的发展从技术、市场和产业等方面进行总结和讨论。1LED显示屏的技术发展
LED显示屏产品系列很多,不同类型和不同性能的LED显示屏,在材料构成、制作工艺和控制技术等方面区别比较大,技术内涵差异明显,即使同类型、同性能的产品,不同生产厂家所采用的技术、工艺也有很大不同。
LED显示屏技术包括了半导体光电器件、电子电路、集成电路、信息图像处理传输、计算机网络以及电子产品制造和电子产品安装工程等相关技术。
1.1LED显示屏的色彩、亮度和视角
基础半导体工业的迅猛发展,带动了发光二极管原材料以及制作工艺的改进,在色彩与亮度方面都有了质的飞跃,高亮度的蓝色及纯绿色发光二极管已产业化并实际应用。目前LED显示屏从颜色上已能满足室内外不同环境下的单色、双基色、全彩色显示要求,四元素的红色LED器件及高亮度的蓝色和纯绿色LCD在室外显示屏中得到普遍应用。
LED显示屏的颜色、亮度、视角等性能指标密切相关,同时又与显示屏的分辨率(点阵密度)有很大关系,仅以其中某一项指标进行评价是不行的。
一般室外显示屏要求亮度高,但视角普遍不大,多为70 ̄90°。要求亮度达到5000 ̄8000cd/m2,分辨率达到1000 ̄10000点/m2。特殊使用要求的显示屏,如高速公路可变情报板视角要求较小(30°),其亮度在1000点/m2分辨率下也可达到6000cd/m2以上,甚至达到10000cd/m2。通过设计改进安装方式以及与之配套的生产工艺,在保证亮度满足户外使用的基础上,可使全彩色显示屏的水平视角达到120°。
室内显示屏的点阵密度通常在10000点/m2以上,视角一般在120° ̄140°,双基色显示屏亮度在1000cd/m2以上,全彩色显示屏亮度可达2000cd/m2。常见的室内显示屏点间距为4mm左右,目前实际应用的室内显示屏点间距最小可达到3mm。
显示屏采用SMD表贴技术的LED器件制作,可以获得更好的视角和亮度。如纽约地铁曼哈顿街区入口的广告显示屏,采用了6mm点间距的高亮度LED表贴模块,亮度达到了3000cd/m2。高密度、全彩色室内外LED显示屏有望在市场上逐步普及和推广应用。
显示屏在显示视频图像等内容时,为取得良好的显示效果,普遍通过灰度控制技术实现色彩还原。对同一基色采用级差间隔亮度,实现颜色的组合,一般可做到16级、64级和256级灰度。为使显示效果更符合人眼的视觉特性,出现了非线性级差调灰技术,即在低亮度区级差小,增加级数,逐步到高亮度区时增大级差,形成视觉效果上的“级差一致性”。LED显示屏灰度控制一般都在256级,通过采用非线性调灰技术,显示屏的显示效果比较理想。
为提高全彩色显示屏的色彩还原能力和视频图像质量,目前有些公司在色彩和灰度技术上采用了10比特、14比特以上的处理。理论上可以实现红、绿、蓝16384级灰度和4.3万亿种色彩,使全彩色LED显示屏的色彩表现能力比NTSC或PAL系统更强,图像色彩自然,静态不再如同褪色的旧照片,动态不再像动画片。
1.2驱动电路
显示屏驱动电路的主要作用是接受来自控制系统的数字信号,将发光二极管点亮,在LED显示屏上实现信息显示。LED显示屏广泛使用基于通用型集成电路的驱动电路,如:74HC164、CD4015、74HC595、6B595、ULN2803等,大多为移位寄存器和达林顿驱动器。采用常规型驱动IC进行电路设计,原理比较简单,价格比较便宜,产品的技术开放性比较强。由通用IC设计的驱动电路在室内外单色、双基色显示屏方面应用成熟,目前使用广泛。
近年随着恒流驱动IC的发展,根据LED器件的发光与驱动电流高度相关的特点,采用恒流驱动控制技术,大大提高了LED显示的均匀性。同时,减少了显示驱动电路的阻容元件,降低了故障点,提高了可靠性。
由于通用驱动IC的集成度较低,电路板的布线设计庞杂,对于高密度的显示屏往往使用双层PCB板,在使用上存在一定的隐患,对于全彩色等显示屏问题更为突出。因此专用IC在全彩色LED显示屏的发展中受到关注和重视,在国内外都有所发展。90年代后期,IC制造商相继推出了一些用于LED显示的专用IC驱动芯片,如TI公司的LED驱动器、中庆数字设备公司的ZQ9701、SONY公司的3281、台湾点晶科技的DM134、台湾聚积公司的MB5028等。这类芯片比原来通用驱动IC的集成度高,使显示屏的驱动电路设计简捷方便,功能上也有所提高,如增加了开路、短路检测等。
国内外LED显示屏制造商也投入了大量资源研制开发适合自己产品的大规模或超大规模驱动集成电路,如松下、富士通、光磊等公司在90年代就使用了大规模专用IC,近年许多厂家在全彩色显示屏的制造上也开始使用。这类LED显示屏厂商设计的专用IC相对复杂,功能较强。有些厂商开发的LED专用驱动IC还兼有显示屏的控制功能,可实现256级至1024级灰度显示,并具有独立的脉冲调宽时钟接口,可以对红、绿、蓝三基色分别进行调色,还具有同步和异步两种刷新方式,实现了整屏刷新,刷新频率可提高到100HZ或120HZ,减少、消除了高亮度下的屏幕闪烁。
LED专用IC简化了显示屏系统设计的复杂程度,在一定程度上增强了显示屏的功能,提高了整体的稳定性,具有积极的意义。但是,也应该看到,各个LED制造商设计开的LED专用驱动IC基本上是自用,批量规模不够,导致产品开放性差。
1.3系统控制技术
对显示信息的接受、转换、处理以及具体显示,是LED显示屏控制技术所要实现的功能。显示屏的控制系统包括了输入接口电路、信号的控制转换和数字化处理电路、输出接口电路等。
1)串行传输与并行传输
LED显示屏的数据传输方式主要有串行和并行两种,目前广为采用的主要是串行控制技术。在这种控制方式下,显示屏每一个单元内部的不同驱动电路及各级联单元之间,每个时钟仅传送一个位(具体实现时每种颜色各一位)的数据。采用这种方式,可采用的驱动IC种类较多,不同显示单元之间的联线较少,可减少显示单元上的数据传输驱动元件,从而提高整个系统的可靠性和具体工程实现的容易程度。
2)动态扫描与静态锁存
由系统控制实现显示信息的刷新原理有动态扫描和静态锁存两种技术。一般室内显示屏多采用动态扫描技术,若干行发光二极管共用一行驱动寄存器,根据共用一行驱动寄存器的发光二极管数目,有1/4、1/16扫描等。室外显示屏基本上采用静态锁存技术,即每一个发光二极管都对应一个驱动寄存器。静态锁存控制的驱动寄存器无需时分工作,从而保证了每一个发光二极管的亮度占空比为100%。
3)!校正技术
由于LED显示屏本身不具有CRT的"特性,因此,在全彩色显示屏的控制技术上,通常对输入的视频信号进行#校正处理。所谓$校正就是对色度曲线的选择,色度曲线对图像的颜色、亮度、对比及色度有极大影响。在不同情况下适度调整色度曲线可以达到最佳画质。%校正一般有模拟校正和数字校正两种处理方法。目前有些厂家在全彩屏的每一控制板内都嵌入了&校正功能,可以灵活选择所要的色度,其曲线数值在控制板上存储,且对红、绿、蓝每色的曲线数值分别单独存储。
4)输入接口技术
目前显示屏在信号输入接口上可以满足全数字化信号、模拟信号、全数字化信号和模拟信号二者混合以及高清晰度电视信号等多种输入方式。
全数字化信号输入方式接受外部全数字化输入信号,在使用多媒体卡的显示屏系统中,控制系统的输入接口即为全数字化信号输入方式。多媒体卡将视频模拟信号及计算机自身的信号转换成符合控制系统输入要求的数字信号,这种形式显示计算机信息时效果很好;在显示视频图象时,如果计算机本身及软件的性能不好,则容易出现图像模糊以及玛赛克等现象。
模拟信号输入方式只能接受外部模拟输入信号。这种输入方式的显示屏增加了模数转换电路,将视频信号或来自计算机显卡的模拟信号转换为全数字信号后进行处理。在显示视频图像时效果很好,但显示计算机信息时,会出现局部拖尾。
全数字化信号和模拟信号二者混合的输入方式,能接受模拟输入信号以及全数字化输入信号,在显示视频图像和计算机信息时均能达到理想的显示效果。在此基础上,增加部分转换电路,将高清晰度电视(HDTV)信号还原成红、绿、蓝三基色数字信号以及外同步信号,可显示高清晰度电视的图像。多数LED显示屏的视频显示系统能够支持标准清晰度和高清晰度的处理要求。
5)自动检测、远程控制技术
LED显示屏的构成复杂,特别是室外显示屏,供电、环境亮度、环境温度条件等都直接影响显示屏的正常运行。在LED显示屏的控制系统中可根据需要对温度、亮度、电源等进行自动检测和控制,也可根据需要,远程实现对显示屏的亮度调节、色度调节、图像水平和垂直位置的调节、工作方式的转换等等。
1.4通讯传输和网络控制
根据信息传输显示的实时性,LED显示屏的通讯传输控制有通讯传输和视频传输两类。通讯传输采用标准的RS232或RS485计算机数据串行通讯方式,通过串口按一定的通讯协议接收来自计算机串口或其它设备串口的信号,处理后按一定的规律传送到显示屏上显示。采用这种控制方式的显示屏功能比较单一,适用于简单的文字、图形显示,主要用于单色及双基色显示屏控制。一般情况下直接传输距离可达千米。
视频传输方式则是把LED显示屏与多媒体技术结合起来,在LED显示屏上实时显示计算机监视器上的内容,也可播放录像及电视节目,一般用于播放实时信息。具体实现上采用成对的专用长线传输接口电路。
随着计算机网络技术的发展,LED显示屏在网络环境下的使用情况越来越多,在多媒体、多种显示设备组成的信息显示系统中,智能化网络控制,联网控制多屏技术也在实际中得到应用。
1.5结构工艺技术
显示屏在实际使用中多处于公众场合,为此,要求外观美观,屏体表面的平整度要好,在室内或室外环境下,都要求散热、可靠性方面达到良好的技术水平。为了方便安装和维护,结构的单元箱体组合必须灵活。防风、防雨等要求在设计上要达到一定的防护等级。
2LED显示屏市场
2.1应用领域
LED显示屏的应用已涉及社会经济的许多领域,主要包括:
1)证券交易、金融信息显示。90年代初,这一领域的LED显示屏占到了国内LED显示屏销售量的50%以上,目前仍为LED显示屏的主要应用领域,证券交易所、证券营业部、银行金融机构都广泛使用LED显示屏作为营业场地内信息公告的主要手段。
2)机场航班动态信息显示。民航机场建设对信息显示的要求明确且有很强的专业性,LED显示屏是航班信息显示系统FIDS(FlightInformationDis-playSystem)的首选产品,国内外的航空港普遍都使用了大量的LED显示屏产品。
3)港口、车站旅客引导信息显示。以LED显示屏为主体的信息系统和广播系统、列车到发显示系统、票务信息系统等共同构成客运枢纽的自动化系统,日本新干线、我国国内重要火车站和港口都安装了LED显示系统。
4)体育场馆信息显示。LED显示屏已取代了传统的灯泡屏和CRT显示屏,近几届奥运会的比赛场馆处处可见LED显示屏,国内四十三届世乒赛主场地天津体育中心当时也采用了具有国际先进水平的国产全彩色视频LED显示屏,受到普遍好评。国内外的重要体育场馆普遍采用LED显示屏作为信息显示的主要手段,并已形成了行业性的标准规范。
5)道路交通信息显示。智能交通系统(ITS)的兴起,在城市交通、高速公路等领域,由LED构成的可变情报板、限速标志等得到普遍采用。
6)调度指挥中心信息显示。电力调度、车辆动态跟踪、车辆调度管理等,也在逐步采用高密度的LED显示屏。
7)邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。遍布全球的服务领域均有LED显示屏在信息显示方面发挥作用。
8)广告媒体新产品。除单一大型户内、户外显示屏做为广告媒体外,国内外一些城市出现了集群LED显示屏广告系统。国内铁路列车LED显示屏广告发布系统已在全国数十列旅客列车上得到采用并正在推广扩大。
9)演出和集会。大型显示屏越来越普遍的用于公共和政治目的的视频直播,如在我国建国50周年大庆、美国总统大选、莫斯科850周年庆典、日本NAGANNO冬季奥运会、波兰教皇的访问、巴西狂欢节、世界各地的新千年庆典中,大型显示屏既增加了艺术影响力,同时也团结了人民。
10)展览和租赁。在许多展览会,LED显示大屏幕作为展览组织者提供的重要服务内容之一,向参展商提供有偿服务。国外还有一些较大的LED大屏幕的专业性租赁公司,也有一些规模较大的制造商提供租赁服务。
2.2市场增长
早期的LED显示屏,因为价格较高,显示颜色单一,应用领域比较小,多为专业市场且市场容量有限。从90年代以来,市场取得了长足发展。
我国LED显示屏市场自1993年以来一直保持了持续增长,年平均增长率为40%左右。1998年中国光学光电子行业协会LED显示屏专业委员会成立后,对全国LED显示屏厂家的生产和市场销售情况进行了一次较全面的统计和估算。1998年全国LED销售额为8亿元人民币,推测1996年的LED显示屏市场产值应该是4亿多。实际统计1997年为6亿多,1999年为10亿多,2000年全国LED显示屏的市场产值为14 ̄15亿,2001年实际统计的全国LED显示屏市场销售额约20亿元人民币,2002年为25亿元左右,2003年达到30亿元,2004年度36亿元。我国近年LED显示屏市场增长率如图1所示。
根据LED显示屏分会的统计,2001年以来成员单位的出口额每年约为4 ̄5亿元人民币,这是国内LED显示屏走向国际市场的良好迹象。
国际上,LED显示屏的应用范围主要集中在户外广告和体育场馆,其次是交通和演出,另外包括展览、租赁、集会等各种场合,估计其市场增长速度为每年30%。目前,主要制造厂商集中在日本、北美和台湾等国家和地区,我国LED制造厂商出口的份额与之相比微不足道。国际上LED显示屏的潜在市场主要在以下领域。
1)广告行业:据美国广告协会统计,1999年全美户外广告产值达到50亿美元,并且以年均8%的速度增长。在其他国家和地区,绝对值虽然没有这么大,但增长率很大。室外全彩色LED显示屏凭借高亮度、动态显示等优势,将是一个非常巨大的市场。
2)体育和运动场馆:根据美国AmusenmentBusinessStadium&Areen统计,全美约有450个体育场,其中可容纳15000名观众以上的有184个。在欧洲以及世界其他国家和地区,也有很多大型体育馆,这是一个非常大的市场。
3)交通:根据美国USFederalHighwayAd-ministrationReportNo.FHWA/RD-80/051中研究户外广告和信息对司机的影响,结果表明大型显示屏的精彩内容并不会干扰司机的注意力,相反能给司机一些有帮助的信息。这个研究得到大多数州认可,为显示屏在交通中的应用扫清了障碍。这些应用主要包括智能交通系统(ITS)和路旁广告系统两个方面。随着ITS在全球范围的发展,应用于交通信息发布的LED显示屏将具有很大的潜在市场。
4)展览和租赁:世界上较大的LED租赁公司有XLVideo、ScreenCo和Bigscreenhire等公司,他们实际上是LED生产厂商的直接客户。同时一些大型制造商如LIGHTHOUSE等本身也提供租赁服务。据估计,这种市场需求每年大约2亿美元左右。
随着LED器件性能的不断提高,全彩色显示屏将成为LED显示屏行业新的增长点,蕴含着极大的潜在市场。由于我国加入WTO以及2008年北京奥运会、2010年世博会的举办,LED显示屏市场将获得新的发展机遇。半导体照明的发展,为LED显示屏带来发展契机,户外广告、体育、交通、演出、展览、租赁和集会等领域的市场将有显著增加,并逐步成为主导。
3中国LED显示屏产业的发展
3.1产业发展历程
LED显示屏在不同的历史时期,有其特定的代表产品,也反映了产业的发展历程。以下是我国LED显示屏代表性产品及其诞生的年代:
!单色显示屏(1990)
!无线遥控条型显示屏(1991)
!双基色256级灰度图文显示屏(1992)
!双基色256级灰度视频显示屏(1993)
!室内全彩色显示屏(1994)
!室外全彩色显示屏(1995)
!专用控制芯片(1997)
!恒流驱动芯片(1998)
!表贴LED(2001)
3.2产业现状
目前中国LED显示屏产业已初具规模,形成了一批具有一定规模的骨干企业。据不完全统计,全国从事LED显示屏的各类企业约有150家,从业人员近万人。其中130家企业加入了中国光学光电子行业协会LED显示屏分会,年度销售总额占全国同行业的80%以上。目前国内主要LED显示屏制造厂商主要集中在华东、华北、华南区域。大型制造商的市场范围几乎覆盖了整个中国。国内LED厂商中,年产值上千万的有20余家。
根据中国光协LED显示屏分会的统计,2004年度,我国LED显示屏的主要生产地及以亿元人民币为单位的产值如下:
!华南地区:10.24(其中全彩6.32,出口3.47)!华东地区:9.31(其中全彩3.01,出口0.42)!华北地区:4.39(其中全彩2.21,出口0.07)!西南、西北、华中地区:4.74(其中全彩2.51,出口0.52)!东北地区:1.55(其中全彩0.80,出口0.05)
据不完全统计,世界上目前至少有150家厂商生产全彩屏,其中产品齐全,规模较大的公司约有30家左右,主要分布在美国、欧洲、亚洲(日本、中国台湾、中国)。国内从1994、1995年开始生产全彩色显示屏。就全彩色显示屏的综合水平来说,国内的全彩色LED显示屏除了价格和本地化服务的优势外,在技术深度、生产工艺等方面与国外产品有明显的差距。
LED显示屏产业基本上是在市场需求的引导下自主发展形成的,也是从事LED显示屏行业的广大科技工作者和经营管理队伍努力的结果。在我国LED显示屏市场的发展中,不乏以技术和产品引导市场的典例。服从市场导向并积极引导市场仍将是未来LED显示屏产业发展的主要模式。整个行业的总体规模趋势是企业总体数量逐年增加,国内外专业公司或部分上市企业纷纷加入;结构特点是以民营企业为主体,新兴企业占绝大多数,从业人员年龄结构比较年轻,行业内企业规模参差不齐。虽然国内LED显示屏产品及市场发展迅速,厂家众多,但目前尚无任何一家企业取得了10%以上的市场分额,市场仍然处于群雄逐鹿的状态。近年国外一些品牌企业与国内企业合资,中国制造在LED显示屏产业领域初露端倪。LED显示屏行业的竞争虽然颇为激烈,但同时竞争将逐步变得有序,突出规模化、品牌化竞争。预计在未来三、五年中,会形成几家主导国内市场、与国际接轨的颇具实力的企业和若干专业类型的企业,显示屏产业将逐步趋于成熟和稳定发展。
3.3标准化
在市场经济环境下,质量和标准化是产业发展的重要保证。产品标准体系的形成,对企业及其产品和服务的要求趋于规范。基本生产条件不完善、技术深度不够、质量和售后服务体系不齐全的企业将被市场淘汰。预计今后几年内,市场竞争中的不规范因素会减少,产品的标准化、规范化将成为产业健康发展的重要保证。
国际上有关LED显示屏的技术标准尚未形成,只有一些企业制定了相关的企业标准。我国LED显示屏标准化工作起步较早,保持了比较领先的地位。1998年1月,原电子部正式发布实施,由蓝通公司负责起草的《LED显示屏通用规范》作为电子行业标准。1998年初,中国光协光电器件分会正式成立了LED显示屏专业委员会,在引导规范行业发展、开展光电器件与LED显示屏产品技术及检测标准交流协调等方面积极开展工作。1999年在昆明召开了“LED器件与应用研讨会”,并组织起草了《LED显示屏检测方法》。经组织讨论修改后,于2000年8月正式印发,在LED显示屏专业委员会成员单位试行贯彻实施。2003年,《LED显示屏测试方法》作为信息产业部行业标准正式发布,同时,对《LED显示屏通用规范》也进行了修改,重新发布。LED显示屏分会于2003年9月在成都召开专门会议,对上述两个标准的实施进行了宣贯。2004年11月在上海又就测试的具体软件和方法组织了培训。
近年来,交通部、公安部、铁道部、国家体育总局、民航等应用部门,根据具体行业使用中对LED显示屏的不同要求,也相继制定和推出了相关的LED显示类产品标准,使我国在LED显示屏方面的标准化体系日臻完善。
目前电子标准化研究所与中国光学光电子行业协会光电器件分会、LED显示屏分会等正在就标准体系的建立和具体标准的编制组织力量积极开展工作。