基于LED小间距显示屏的空管模拟系统显示方案设计
来源：数字音视工程网 编辑：marie145 2017-04-17 16:15:33 加入收藏
前言
近期机场安全事故频发，光上海就发生了2起因空管指挥失误导致的机场事故，所以空管的准确性和稳定性对整个机场安全运行起到非常关键的作用。
空中交管指挥是机场的大脑，主要由塔台，进近，区调，飞服组成，塔台主要负责控制飞机的地面滑行和指挥飞机起降，有空中交警之称，而空中指挥不比地面，机场建设成本高昂，所以对机场设施的合理重复利用是空管的重点，而在塔台里面实际操作的空管人员更是整个机场管控和飞行安全关键，一天几百架次的飞机从一条或2条跑道上进行高速起飞降落，只要出一点事，就有可能是机毁人亡的大事， 因此空管人员业务的熟练和应急情况的快速反应成为整个机场有序安全运行的根本，
如何快速的让空管人员熟悉空中交管指挥系统，可以无缝对接机场塔台实景情况，成为了空中交管模拟系统中的关键，只有场景越真实，才能让空管人员更快积累经验，人工模拟各项机场突发险情，可以快速的锻炼空管人员，提高空中交管指挥的安全性和高效性，渐少或杜绝威胁飞行安全事故发生。
本方案以我司去年在华东某空中交通管制模拟训练系统项目实施过程的设计方案和施工过程为依据进行阐述。
一：方案概述
1：需求分析
图 1 ：塔台外景
图 2 ：塔台内景
如上2张图片所示，机场塔台因对视野的要求较高，所以塔台指挥一般是360°环形透明状态，即人站在塔台里面可以看到机场的所有情况，从真实再现场景的角度出发，即需要建成一个360°环形的显示屏幕来模拟机场实时场景显示信息。
而1比1建造一个真实的塔台成本太高，且实用性不大，例如本次项目实际的建设地点为客户一楼的会议室改建，不同于机场实际塔台，空管人员可以乘垂直电梯进出，所以需要360°环形屏幕中有一个门型装置，可以打开和关闭，且不能影响整体的显示。
图3：项目现场模拟系统放置平面图
2：设计原则
本方案全彩LED显示系统设计的基本指导思想和原则是：统筹规划，以需求为导向，以应用促建设，同时考虑高起点、高度集成、实用性与先进性相结合，具有安全性、易用性，前瞻性。
以需求为第一出发点: 系统的设计核心就是提供全方位、方便、快捷多媒体信息发布的服务。
高起点: 即先进性，系统采用的硬件设备应是目前世界上较为先进的设备，能够满足业务和应用的发展需要。软件设计上应着眼于超前打算，综合利用，有较长的使用周期。
高度集成： 将计算机处理、全彩色LED显示屏通信、视像显示以及所有信息处理集成在统一的平台上同步、集中控制，各功能子系统可实现同步联动。并可通过强大的通用接口，将原有显示屏系统挂接进来，实现同步控制，提供了一个高度集成、同步控制的户外显示应用系统。
系统化的设计： 突破传统设计惯式，运用LED显示技术的科技内涵，结合行业特色，对系统进行完善的细节设计。
实用性与先进性相结合： 系统的各种设备及软件系统应讲求实用，满足现有的应用需求，并对未来需求提供良好的扩展能力。
安全性： 充分考虑系统对信息安全的需求，保证各类信息安全可靠运行。设计时各部分关键线路、设备、数据均采用相应的技术措施。
易用性： 充分满足用户的功能要求，易于操作，保证系统信息处理、传递安全，可靠，准确。
前瞻性： 即系统具有可扩展性并适度超前。采用的硬件设备和软件系统应具有足够的扩展接口、支持相应的协议和升级能力。同时，由于当前显示技术和计算机技术发展十分迅速，而随着应用的不断增长，对计算机系统资源(包括速度、容量、网络)的要求会越来越大。因此，本系统在保证技术先进性的基础上适度超前。
3：设计标准
本项目显示系统设计遵循以下原则：
《LED显示屏通用规范》SJ/T 11141-2003
《LED显示屏测试方法》SJ/T 11281-2003
《中国电气装置安装工程施工及验收规范》GBJ232-82
《微型数字电子计算机通用技术条件》GBJ98113-88
《总线局域域标准》IEEE802.3
《环型局域域标准》IEEE802.3
《建筑与建筑综合布线系统工程设计规范》CECS 72.95
《蓝皮书K11建议“过电压和过电流防护的原则”》CCITT
《建筑物防雷设计规范》GB50057-94
《通信电路和通信设备的防雷手册》CCITT
《计算机通讯技术条件》GB9813-88
《信息技术设备的安全》GB4943-95
符合最新版中国电磁兼容性(EMC)标准要求
《电力子操作工作站机房设计规范》 GB50174-93
《国际串行通讯标准》 EIARS-232-C
《工业操作工作站系统安装环境条件》 ZBN18-001
《UTP电缆芯线定义》 EIA/TIA-T568B
《电磁兼容》 GB/T17626
《工业与民用电力装置的接地设计规范》GBJ65-88
《远动设备及系统工作条件环境条件和电源》 GB/T 15153-94
《计算机信息系统安全保护等级划分准则》 GB17859-1999
国际电信联盟有关标准 ITU-T
国际电气与电子工程师学会标准 IEEE
《标志用公共信息图形符号/通用符号》 GB/T10001.1—200
通信行业标准《电信专业房屋设计规范》
《计算机信息系统防雷保安器》 GB173-1998
《建筑电气设计技术规程》 JDJ16-83
《电气装置安装工程施工及验收规范》 GBJ232-82
《电气装置件暗装用、调整板和接线盒》 GB1245-87
《电气装置安装工程 接地装置施工及验收规范》 GB50169-92
《计算机机房设计规范》 GB50174-93
《低压配电设计规范》 GB50054-95
《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》 CECS72：97
《智能建筑设计标准》 DBJ08-47-95
二：系统设计
2.1设计需求
Ø 要求可以完整点对点显示9个1080P的图像画面。
Ø 9个1080P组成一整幅图像，即总分辨率为9*1920点宽，1080点高。
Ø 整个画面无颜色，亮度差异，无明显缝隙，相邻2路1080P显示无撕裂
Ø 显示屏幕为环形360°内弧显示
Ø 施工完成后内弧直径为9.0m-9.5m。
Ø 通道侧必须有可打开和关闭的门，且开门和关门不影响显示。
Ø 产品必须采取无噪声设计，即在环形操作台处听不见屏工作声音
Ø 屏幕支持广播级色域调整，可以真实还原物体实际颜色。
2.2 详细设计说明
2.2.1 产品选型
实际内弧半径很小，要做到很好的观看效果DLP和LCD由于其产品尺寸大，无法实现360°环形效果，所以只能选用投影机和LED小间距屏，但是投影机处理环形融合时的融合带和梯型融合算法会导致图像色彩失真和变形，因此最终选定使用LED小间距显示屏为本次项目的显示产品。
图 4 ：弧形效果对比图
选用小间距LED显示屏作为显示终端，则需要考虑2个设计需求，一个是360°环形屏幕需要点对点显示9个1080P，即总的横向点数为17280*1080，一个是完成后的内弧直为9米至9.5米，依据GB50464—2008,LED视频显示屏系统的安装现场视距要求，选择1.667mm作为本案的LED小间距显示屏的像素间距，通过周长与模组夹角CAD模拟结果，选用400X300压铸铝箱体产品为本次LED小间距显示屏的最小安装单元。
图5：CAD弧形模拟图
2.2.2 系统方案设计
本案的场景模拟是通过三维图像实现的，人工采集机场周边的地形图像信息，加入机场航班飞行信息组成空管真实场景模拟，通过服务器管控9台工作站输出矢量三维图像信息至大屏，为了保证9台工作站组成的图像信息完整性，采用北京小鸟科技的小间距LED显示屏专用拼接器，使每个1080P显示单元的同步性控制在0.1ms以内。
图 6 ：系统拓扑图
图七：实际调试显示图
2.2.3 开关门设计
此项设计是整个方案的难点，要做到开门和关门不能影响显示效果，而且门关上后四周的缝隙必须要达到与周围LED屏幕一样，即看不出有门在此，所以如何开门和关门成为此案的焦点，客户要求重点阐述开关门方案设计，
如上述3个方案图所示，内弧LED屏的横截面是梯形的，单纯使用铰链式门开合时间一长精度无法保证，移动式门对现场的钢结构要求很高，所以结合二者的优缺点，采用移动加铰链双控制的设计，梯形门的移入，移出采用高精度的电动马达，行程小，精度易于控制，转向则采用大功率电动马达，此转向对精度的考虑可以不考虑LED屏的缝隙，只考虑和移动马达直接的衔接精度，这样整个方案分工明确，易于实现，实施后的显示效果很好。
图 8 ：合上门后的效果
三：阿尔泰 LED小间距产品的优势
高密度、小间距LED无缝拼接大屏幕显示系统是一个用于数字化媒体内容发布与播出的专业系统，它的大空间、大画面、大纵深、大境界的特点是其他显示设备均无法实现的。其卓越表现完全通过高质量、高技术含量、高可靠性达成的，先进的硬件组合配以优化的软件资源，能够让大屏幕展示各种信息，其传达信息更有效，产品、服务、活动或任何营销沟通的内容更加具吸引力，极具商业价值与可靠的实用主义特征。
高密度、小间距LED无缝拼接大屏幕的出现，弥补了LCD电视、投影机在亮度、尺寸、节能、防护效果上的不足，在最直观的画面上，又省去了拼接缝和黑框的问题，极大地提高了可视区域和观感。
同时高密度、小间距LED无缝拼接大屏幕又区别于市场上一般的LED显示屏，具有高密度发光点，黑表面LED具有的高对比度，视频处理更高级、呈现效果更多样等特点。
3.1 高可靠性
双冗余电源供电 ：单元箱体采用双冗余电源供电方式，在某一路供电电源故障的情况下，依然可以保证箱体正常运行，从而保证箱体供电的安全性。
双路信号热备份 ：单元箱体采用双路信号热备份输入方式，各单元箱体控制模块会自动检测两路输入信号完整性，在主输入信号完整性良好的情况下，系统默认将主输入作为输入源，当主输入信号不完整或信号故障则系统自动切换至备输入信号，切换时间<0.5秒。
信号回传机制 ：箱体具备完整的信号回传机制，单元箱体当前运行的所有状态均可回传至上位机，包括箱体当前的运行温度、参数设置、电源工作状态、信号线工作状态等等。上位机软件在采集到回传信息后，通过软件以图片或信息的形式呈现给用户，这样用户便可实时监控屏体的运行状态，如果屏体异常，软件自动报警，以提示用户采取措施，另外，所有回传信息均会生成日志，并自动保存，以便用户需要时查看。
3.2 真正无缝拼接技术
拼接大屏幕显示技术在最大限度满足客户需求同时，一直无法避免边框的影响，在目前最新的超窄边DID专业液晶屏，拼接后的拼缝依然没能达到客户的无缝拼缝要求，正因为这样，所有拼接屏厂家一直致力于此的研究，但是因为先不足依然无法如愿。得益于LED显示大屏幕无缝拼接这一先天优势，阿尔泰多年来一直致力于高密度小间距LED无缝拼接大屏幕产品的开发与运用。
LED屏幕可以任意方向、任意尺寸、任意造型拼接，画面均匀一致，受众范围更广，真正无缝拼接屏。特别是用在监控背景墙或演出舞台背景屏幕的情况下，无缝屏幕的优点更加明显，图像画面任意分割，可以接收多路输入信号，同时显示在屏幕上，且画面无分隔，没有黑线，不存在遗漏信息的情况。
3.3 纳秒级响应
在数字显示技术中，任意连续视频是由许多静止画面帧组成，其中每相邻两帧画面的更换时间，是衡量观众收看到的图像连贯、清晰的重要指标。LED显示屏的这一时间极短，在纳秒级别内，故与液晶和投影机相比，特别是在监控画面及播放动态视频的时候，具有极大的优势。
屏幕类别 液晶显示屏(LCD) 等离子(PDP) 投影 LED显示屏
原理 背光源投射 自发光 背光源投射 自发光
颜色数 低 高 低 很高
亮度 高 高 低 高低可调
对比度 低 高 低 很高高
尺寸 小于108寸 大于42寸 任意大小 任意大小
功耗 低 高 较高 低
响应时间 中等毫秒级 很小微秒级 中等毫秒级 极小纳秒级
相对于照相机、摄像机这种记录图像的设备而言，显示屏幕是还原影像的一种设备，我们最常接触的有液晶显示屏(LCD)、等离子(PDP)、投影和LED显示屏，LED屏幕的亮度、颜色、功耗以及响应时间等方面优势明显。
注：1毫秒=1000微秒=1000000纳秒
3.4 视距与清晰度的完美平衡
与常用的近距离观看的电子产品不同，如手机屏幕，笔记本电脑屏幕等，LED显示屏适合稍远距离观看，对于同一款LED屏幕产品，视距会决定观看者收看到的显示效果清晰与否。
人眼的理论分辨能力是20角秒，可是由于感光细胞的分布以及本身的缺陷，实际上对可见光的分辨能力是1角分，宽度超过1角分的物体就和背景融在一起了。
以上所说人眼的分辨率1角分，是在十分理想的情况下(足够明亮的晴天，同时无反光)对于白纸上的黑条测试，并且是眼睛特别好的人得到的。实际上，一般人的眼睛没那么好，如果在昏暗的灯光下做这个实验结果会偏离，人眼对这种图案的灵敏度高，会3到5倍于黑背景上的白点。
本项目采用的产品，其最小视距为3.0m，最大视距为8.0m，最佳视距在4.1m处，即在此处收看到的屏幕效果最佳，既没有像素信息损失，也没有因细小像素发光而形成的颗粒感。
3.5 亮度可调
LED显示屏的亮度是指单位面积所发出的光强度，单位cd/㎡，简单说就是一平方米显示屏发出的光强度。LED显示屏的亮度是衡量大屏幕的关键性技术指标。屏幕的亮度决定其应用的场合，室内环境安装一块显示屏，亮度在600cd/m 2 以内即可。像素间距决定像素密度，LED灯品牌及型号确定的前提下，给出像素间距就能得出屏幕的理想状态下，在显示全白画面时所能到达的最大亮度值。
根据显示屏在白平衡时红、绿、蓝三色发光二极管亮度需满足3:6:1的关系，确定发光二极管的典型发光强度参数，以及红绿蓝灯的像素配比，得出一个像素点的理论发光强度，最后与点密度的乘积得出显示屏白平衡时的亮度值。
3.6 超高刷新速率
LED显示屏刷新率即为图像每秒钟显示数据被重复的次数，高速的刷新频率可完全适应高速摄影机和高清电视转播需要，显示屏达到3840 赫兹以上时，摄取画面稳定无波纹无黑屏，应对动态显示画面，图像边缘清晰，将图像信息准确真实地还原。
为了让客户更加直观的了解我司产品的刷新频率，我们现在利用高速相机对全白场的LED模组进行拍照。其原理是通过调整相机快门速度对产品成像进行抓拍，当快门速度低于模组刷新率时，观测到模组呈现的是完整的白场，当快门速度高于模组刷新率时照出的照片上模组呈现的是不完整的白场(明显的黑白间隔线)，从而可以定性的判断一款产品的刷新频率高低的影响。
由上图示意所示，截取对比的是火车头部分，需要注意的是此部分是否有重影，虚化，如果拖尾现象严重，都可以从这张屏摄图中大致表现出来。刷新速率越高，动态表现越好，这些负面现象越小。 对一块显示屏用单反数码照相机进行屏摄，可以模拟人眼接受图像的实际效果，我们对快速运动的火车影像的屏摄，需要注意的图片表现包括火车头、车窗、火车背后的景物等等。
测试视频动态响应
灰度也就是所谓的色阶或灰阶，是指亮度的明暗程度。对于数字化的显示技术而言，灰度是显示色彩数的决定因素。一般而言灰度越高，显示的色彩越丰富，画面也越细腻，更易表现丰富的细节。 3.7 广播级灰度处理
灰度等级主要取决于系统的视频处理芯片、存储器和传输系统性能，目前国内主流显示屏采用8位处理系统256级灰度，从黑到白共有256种亮度变化，共有0.167亿种颜色。我公司采用进口高端驱动芯片，16bit处理系统达到65536级灰度，可构成281万亿色。
作为画面灰阶层次对比的两极，黑、白两色对比是显示屏幕对比度最直接的表现。灰阶层次部分采用的是黑白背景与黑白衣服的对比，当然中间色彩如酒杯、头发、人物肤色都也起到了很好对比效果。
从人的视觉生理学出发，人的眼睛对于高亮度和低亮度的灰度分辨力都较差，而对中等亮度的分辨力高。显示屏的灰度表现越出色，特别是在低亮度下显示屏灰度表现越完整，其显示的画面层次感和鲜艳度比传统显示屏越高，能表现出的图像细节更多，无信息损失。
3.8 广播级视频处理技术
在整个图像还原系统的各个环节中，LED显示屏本身属于终端显示设备，视频信号未经过处理，是无法在屏幕上显示的。在对标准视频信号进行解压、编码、编辑等处理操作后，发送到LED显示终端。这也是采用相同的LED灯，相同的结构技术、安装方法，并且有相同的尺寸和相同的分辨率后，能区分不同品质的LED制造商的必要办法。这种会影响显示屏成像效果预期的因素，恰恰是最容易忽视的地方。
3.9 单点亮度校正
每个LED显示屏由很多个显示单元以及成千上万颗LED灯构成，三种颜色LED灯组合成为一个像素。由于LED的离散性，同一种颜色每颗LED的亮度都不同，导致其每个像素的亮度有很大的差异。在同档同批筛选后的产品中，最亮和最暗LED之间的亮度差有时甚至能高达10%～15%。
即便是使用同一批次同一档次的LED灯，恒流驱动电路也存在着较大的差异，并呈离散性分布，驱动电路的差异也导致LED像素的亮度差达到6%，不进行修正也将影响到整屏亮度一致性。
为弥补这种差异满足屏幕的观看效果，除使用经过仔细分档筛选的LED灯以及相应驱动芯片外，必须采用单点亮度校正技术，即通过调整流入每个LED的电流来控制像素亮度。最终实现整屏LED一致的亮度。
单点校正工作是从显示单元组装完成后开始的，通过光感照相设备测量每颗LED的亮度，指定整个系统中亮度值最暗的像素为基本LED点，其他所有像素均与其进行对比，改变输入电流实现改变亮度，同时达到整屏亮度一致目的。
单点亮度校正前 单点亮度校正后
其中x轴为LED，y轴为以mcd表示的LED亮度和以mA表示的LED驱动电流值。在未进行点校正前，所测得的面板中每个LED之间的亮度差可高达±8%。这样大的亮度差在高端显示器中是无法接受的。
单点亮度校正前 单点亮度校正后
校正前，通过精确技术采样，各LED的色度偏差范围超过±20%以上，即偏差值最大差距高达40%以上。因此，直接使用LED组装的显示屏，必然出现色度亮度不均匀的马赛克现象。
校正前 校正后
通过LED单点亮度色度校正，使得各LED的色度偏差范围小于±1.5%，人眼已经无法察觉此偏差范围，因此可以保证LED显示屏的色彩鲜艳均匀，消除了色度亮度不均匀的马赛克现象。
单点颜色校正原理
3.10 单点颜色校正技术
从色度图上我们可以看到，CRT的色空间三角形与红色、纯绿色、蓝色LED发光二极管的色空间三角形是不同的。LED的色空间大于并包含了CRT的色空间，但是，CRT的还原颜色是最接近自然色的，如PAL制或NTSC制电视的效果，人眼看起来最适应。而在全彩色LED视频显示系统中如果不对红、绿、蓝色信号进行适当的调整(色坐标空间变换或颜色校正)，LED显示屏上反映出的色彩便不是视频源色彩的真实对应，色彩还原效果会非常差，原本应发白色光时有可能发粉红色或产生其它色偏现象。为解决以上问题，要对视频源和LED显示系统的颜色进行色坐标变换即颜色校正，从而使画面色彩更贴近真实。
将呈离散分布的同批同档LED，经过色坐标变换校正技术，都移至PAL制式色度区域内，使显示屏播放的视频颜色在PAL或NTSC制式之内，因此能够完全适合人眼对颜色的感觉习惯，真实还原自然界的颜色。
人物肤色作为中间颜色，且要细腻表现出人物表情，因此也被认为是难以表现的色彩之一。下图综合色彩表现中，有红、黄、白三色玫瑰、有人物肤色、衣服、头发颜色可供比较，其中背景颜色是25%灰色。
由于每颗LED灯的特性都不一样,所以必须对每颗LED灯进行独立颜色校正，单点颜色校正技术实现两个功能：
一是使LED显示屏幕展现出自然界的真实色彩，实现颜色的真实还原。
再就是使每个像素同种颜色的色坐标之间的误差△x,y<0.003，保证LED显示屏色彩还原的均匀一致性。
LED的颜色是非常纯正的，红、绿、蓝色半导体发出的光非常鲜艳——比激光外的任何其它光源或显示器都更加鲜艳。LED的色纯度通常在90%以上，所以实际颜色比视频中使用的荧光阴极射线管的颜色强得多。在LED显示器上播放视频广播图像可能会导致某些场景着色过强而不准确，整个图像也会出现明显的色彩(红色或绿色)。我公司的单点颜色校正系统采用全矩阵校正，将像素的原色用电子装置搭配成视频标准色，最终屏幕能准确地显示各种颜色，没有色彩偏红或绿或异常色彩。
单点颜色校正前 单点颜色校正后
以LED出厂色度值点亮显示屏，颜色失真，特别是绿色偏差较大，人的皮肤颜色偏红不真实，有较差的还原度。
经单点颜色校正后，图像柔和，颜色过渡平滑，符合观众的色彩区分能力。特别是人眼最敏感的皮肤色还原力的表现，已接近真实感觉，将色彩偏差带给人眼的刺激降到最低。
单点颜色校正前 单点颜色校正后
从颜色校正曲线原理图不难发现，红绿蓝三色色坐标变换幅度最大的属绿色LED，在显示屏上的色彩差别也最大。上图为选择波长525nm的纯绿LED构成显示屏效果，可以看出绿色荷叶成像偏离真实颜色，细部特征失真，缺乏层次和真实感。校正前LED绿色波长。
将LED发光颜色校正到PAL制曲线后，成像具有明显提升，特别是绿色还原能力，真实地再现了大自然绿色植物固有的颜色，画面更具层次感，更加引人入胜。
3.11 运动补偿技术
运动补偿是一种描述相邻帧差别的方法，具体来说是描述前面一帧的每个小块怎样移动到当前帧中的某个位置去。这种方法经常被视频压缩/视频编解码器用来减少视频序列中的空域冗余。它也可以用来进行去交织(deinterlacing)的操作。处理器接收到各种视频标准的图像后，首先进行解隔行扫描。
视频图像是由许多水平扫描线组成的，NTSC视频可见的扫描线数目约为486线;PAL视频则为576线。将一个隔行扫描信号转化成非隔行扫描信号，最简单的方法就是，提取第一组扫描线，将它翻番后显示出来，忽略第二个扫描场。
运动补偿技术对比
更好的方法是将第一个扫描场保存在存储器中，在第二个扫描场到达之后，将它与第二个扫描场合并在一起，然后显示完整的画面。每个扫描场代表一个一秒快镜的1/60或1/50。如果某个物体处于快速运动状态，则它在奇数扫描场和偶数扫描场中的位置是不同的。解决这一问题需要使用实时数字处理，在合并这两个扫描场之前，对其进行插值处理，避免出现图像抖动，这种处理被称之为运动补偿。这一过程意味着模拟视频信号被数字化，所以处理过程会影响最终的成像结果。
结束语
好的方案，好的产品离不开优秀的人才，阿尔泰积聚了行业内有着数十年研发经验的高级结构，电子，软件等工程师，开发出了具有自主知识产权和多项发明专利的D-MAX显示单元，我司产品规划，产品研发，市场销售已经进入了一个良性循环，所以有如此优秀的项目完成，准确高效，让客户放心。
正是精于技术，专于产品的主体思路，认真倾听客户反馈，不断修改与完善，解决客户基于小间距LED显示屏的各种需求。
基于 LED 小间距显示屏的空管模拟系统显示方案设计
作者姓名：游胜强
作者单位：阿尔泰显示技术有限公司
时间： 2017 年 3 月 16 日
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