世博中心大堂通透式LED显示屏的设计与实现

文｜上海大晨显示技术有限公司 潘尚法

华东建筑设计研究院有限公司 林海雄

世博中心大堂通透式LED显示屏的设计与实现

文｜上海大晨显示技术有限公司 潘尚法

华东建筑设计研究院有限公司 林海雄

经济的飞速发展使人们对快速与便捷的信息传播媒体的要求越来越高，加之智能化建筑的大量出现，原有传统的LED显示屏已远远不能满足人们对新奇美观并能适合各种极具创意的外观需求。LED显示屏的个性化、艺术化及与各种建筑环境相谐调变得越来越重要。这样的新情况无论对建筑设计师或LED显示屏的设计工程师都提出了更高的要求。

1 需求的提出

世博中心是世博园区内四馆一轴永久性场馆的重要建筑。在世博期间，世博中心将是接待国家元首级贵宾，举办庆典活动和会议论坛的重要场所。世博会后，世博中心一方面将转型为具有国际一流水平的高端会议中心，具备举办“上合峰会”、“APEC”会议功能的建筑；另一方面将成为上海每年举行“两会”及其他重要政务会议的上海政务中心。因此安装在该大堂内的LED显示屏必须体现艺术性、与周边环境的谐调性和创新性。

世博中心大堂面积为 3000m2，大堂内北侧2楼、3楼、4楼各有一块1000m2的活动区域。设计者在世博中心大堂的北侧中央设计安装一块约400m2的LED显示屏，作为世博中心主要公共中心传播的媒体。如果采用传统的LED显示屏，它就显得比较古板就像一堵黑色的墙，将2楼、3楼、4楼的通廊活动区域与大堂完全分割成两个独立的压抑的空间，体现不出原本精心设计装潢施工的效果，这显然是设计师们不愿意看到的。

世博中心的建设方及建筑设计师们经过反复推敲，对超大型的LED显示屏提出了如下特殊需求：

（1）LED显示屏必须是镂空通透的，它不点亮时，2楼、3楼、4楼的通廊活动区域与大堂在视觉上应是通透的，就像一块薄薄的透明丝织物悬挂在大厅中央。

（2）显示屏不但能播放各种公共信息、图片和电视，而且还能播放高清数字视频。

（3）不论是播放节目或是停止播放时，2楼、3楼、4楼通廊活动区域的人们都能清晰地看到大堂里的活动景象，反之大堂的人们也能看到2楼、3楼、4楼通廊区域的活动景象。

（4）该LED显示屏的主要显示性能及技术参数应在国内是领先的，接近或达到国外著名品牌的水平。

2 通透率和结构强度的设计

2.1 播放高清功能的实现

（1） 分辨率设计

LED显示屏与电脑的显示屏一样，它们所显示的图像都是由像素点组成，每个像素点由红、绿、蓝颜色元组成。像素与像素之间有一定的距离，这个距离我们称为点间距PH。电脑显示屏的分辨率是可以设定的，如1024×768、1280×960、1600×1200等。

拿1280×960举例：电脑显示屏的水平方向有1280颗像素水平排列，垂直方向有960颗像素垂直排列，总共有1228800颗像素，它足够表达一幅非常细腻的图像。

如果电脑显示屏垂直方向的尺寸为300mm，那么电脑显示屏上的像素点间距PH=300/1280=0.234mm，如图1所示。PH是任何数字式显示屏的一个重要参数。

我们假定：人眼到电脑显示屏的距离为D=450mm，那么两个相邻的像素与人眼的夹角为θ，那么有等式θ=Arctg0.234/450。

如果我们将电脑显示屏放大到400m2左右，人眼到显示屏的距离也按此比例放大，如果要求感知像素点的数量不变，那么它的PH值也要求随之放大。由此可见，为保证图像像素点的感知量不变（或分辩率不变），那么θ的夹角也应该不变，如图2所示。

据此有等式 ：0.234/450=PH/35000，由此求得PH=18.2mm，即我们设计的LED显示屏的像素间距应设为18mm。

世博中心大堂大门到显示屏距离为50m，人们从大门进入到大堂到离显示屏35m处的这一人群所观看到的大屏图像效果应与人们在电脑边看到的电脑显示屏图像效果是相当的。

根据大堂的实际尺寸，我们将LED显示屏设计成宽度为25344mm，高度为14976mm，那么它的水平方向像素点25344/18=1408，垂直方向像素点14976/18=832，则分辩率为1408×832=1171456。

（2） LED显示屏的底色选择

因为任何发光体只要发光就无法表达黑色，LED显示屏表达黑色的办法是靠黑色的底色来表现，所以LED显示屏的底色应设为黑色。如果从图像质量来讲，LED显示屏的底色不是黑色的LED显示屏所显示的图像反差会较小，但是我们考虑到LED显示屏要与大堂的环境相谐调。世博中心大堂左侧是通透的垂直电梯，它的钢结构颜色是深灰色，大堂地面也为灰色的大理石，因此我们选择了灰色作为显示屏底色，它的图像反差略次于黑色。

（3） 通透率的设计

通透率太大也会使图像的反差变小，而使图像质量下降。另一方面通透率太大，显示屏的机械强度也会下降。考虑到结构的坚固性，我们采用铝合金作为发光二极管的载体，铝条的宽度为11mm，将焊有发光二极管的PCB板装入铝条内，安装好以后，它的通透率为（18-11）/18=38%。

（4） 结构设计

整个通透LED显示屏只有2种主要零件构成，即18304根1152×11×10铝灯条与23根60×300×14976的龙骨支架组成，舍弃了传统LED显示屏的笨重外框。从外观上看，它没有其他赘物与线缆等杂物，非常简洁与美观。为实现通透率和强度的统一，单元箱体的面积为普通通透LED显示屏单元的4倍，因此在材料的选用与工艺结构上都有所创新，并采用模具化生产，其制造精度≤0.3mm，一举解决了大型显示屏的拼装有明显缝隙的难题。单元箱体设计如图3所示。

3 提高LED显示屏的灰度等级和扫描速率

前述内容完成了整体结构设计和符合高清要求所需分辨率的硬件设计，其分辨率已达到了1.17百万像素。然而描述LED显示屏的性能还有两个关键参数即灰度等级和扫描速率，它们也是衡量LED显示屏质量的关键指标。它们的效果可以用摄像机或照相机拍摄的图像表现出来。如果扫描速率不够，则对LED显示屏动态图像与静态图像拍摄的图像效果较差，最常见的是会出现波纹（莫尔纹）或黑屏现象。用相同的摄像机或照相机拍摄著名品牌的LED显示屏（如巴可、达科、lighthouse等）时，效果较好，不会出现上述现象。这主要是由于后者LED显示屏的扫描速率较高的缘故。另一方面，显示屏的主要功能是如实表现真实的图像源，而大自然中的真实图像源的颜色与亮度，它有无穷个等级的灰度，人类眼睛在数百万年的进化中，已具备了辨别这些细微差别的能力，即能辨别出LED显示屏在表现自然界色彩的逼真程度，也就是说LED显示屏灰度等级越高，越能真实地表现出自然界的图像源。

世博中心启用后，会有大量的中外记者拿着摄像机、照相机蜂拥而至，甚至连普通与会者也会将摄像机、照相机对这个通透的LED显示屏进行拍摄，因此该LED显示屏的扫描速率与灰度等级这两个关键指标也要接近或到达著名同类产品的水平。提高这两个关键指标与LED显示屏采用的驱动芯片和控制器直接有关。目前国内大多数主流LED显示屏的灰度等级在12位左右，扫描速率在700Hz左右。他们采用的是台湾聚积公司的MBI5024、东芝的T62726或16位恒流驱动芯片，它们与美国德州仪器公司5942、点晶的PM632、PM634和中庆的9721不同，后者采用PWM技术，扫描速率与灰度等级极高。我们设计的产品要接近著名品牌的产品所显示的效果，因此采用了PWM技术。

台湾聚积公司在原有的PWM芯片的基础上推出了新的产品MBI5042，它是16位驱动芯片，采用的是其专利S-PWM技术，其主要性能与传统款芯片比较，如表1所示。

表1

该芯片应用灵活，南京德普达公司迅速推出了与之配套的LED显示屏控制器，世博中心LED显示屏采用了聚积公司的MBI5042驱动芯片与德普达的控制器，使其显示效果达到了著名品牌的水平。

4 效果

世博中心大堂LED显示屏于2009年11月30日安装调试结束投入试用，得到了各界的好评，于2010年3月正式通过验收并移交上展集团，完全达到建设方及设计方的全部要求。主要性能技术指标也已达到著名品牌LED显示屏的水平。效果如图4所示。