视频显示系统工程技术发展概述

李庆伟，吴 畏，王少坤

（中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

视频显示系统工程技术从各级政府、大型企事业单位、公安、军队到金融证券、能源交通和医疗教育等行业，均得到广泛应用。近几年来，随着新技术、新材料、新工艺的快速发展，视频显示技术、视频处理技术在数字化、超高清化、IP 化、低延时、大型化、多功能、易用化及节能降耗等方面呈现出快速提升的趋势。本文从发光二极管（Light Emitting Diode，LED）型、投影型、整机型3 种显示方式[1]出发，分别介绍视频显示技术的发展现状及趋势，从图像拼接切换技术、分布式坐席协作技术、可视化运维管控技术3 个角度介绍视频信号交互与处理技术的现状及最新发展成果，为系统设计人员在项目设计中实现更好的显示效果、更强大的交互能力及更人性化的交互方式提供有效支撑。

1 视频显示系统工程技术发展趋势

本文讨论的视频显示系统由视频显示屏系统、传输系统、信号交互与处理系统以及辅助系统组成，可实现单路视频信号全屏显示或多路视频信号在屏幕不同位置以所需的图像分辨率同时显示。

近几年，视频显示系统工程技术发展迅速，出现了一些具有代表性的发展趋势，主要有以下特点。

（1）超高清化。近年来，随着相关领域技术的发展，高清、标准4K、超4K 超高清视频内容来源日趋多样化，超高清视频已得到广泛应用，并获得工程用户的普遍接受。因此，各种类型的视频显示系统工程需要面对用户日益增加的更高分辨率显示需求。更高的分辨率可以呈现更多的画面细节，为用户带来更为生动、全面的视觉体验。

（2）画面显示高品质化。除了分辨率取得大幅度进步外，LED 型、投影型、整机型显示屏系统在色域覆盖率、可视角度、墨色一致性、颜色均匀度、对比度、可靠性及可维修性等方面均取得了不同程度的进步，开发了逐点校验、三色激光光源投影及量子点[2]显示等多种技术，逐步为用户提供了更为绚丽、逼真、畅快、可靠的高品质视频显示体验。

（3）网络化。自2010 年起，互联网及相关应用呈爆发式增长，专业视听产品进入网络化时代。随着互联网技术（Internet Technology，IT）网络基础设施的大规模建设，在当前全面信息化建设的时代背景下，专业视听厂商基于网络化、分布式构建整体解决方案，将之前独立大屏、座席、会议等系统进行融合，使一套信号交互与处理系统可以满足多种使用需求，同时具备音视频信号处理、环境控制及外部信息采集等功能。分布式系统凭借系统灵活性高、扩展性强、单一节点故障不影响整个系统运作等特点，成为网络化时代的主流产品。将音视频、控制等诸多信息元素全部数字化、网络化，传输方式采用标准的IP 网络，减少了多种规格的模拟专用接口使用，大大简化了物理连接，给工程设计者和用户提供了全新的音视频网络化整体解决方案。

（4）智能化、可视化、易用化。在万物互联的时代，人工智能技术已经渗透到各行各业，成为重要的技术支撑。在视频显示领域，智能化技术的应用大幅提升了用户的体验感。将人工智能技术融合到专业化视听产品中是大势所趋。相关技术以使用者为中心进行设计，对系统设备进行智能化、一体化的管理、调度、监测及控制，最大限度地降低系统设备出现故障的风险，发掘并满足用户使用需求及管控操作需要。依托人工智能、人机互动技术构建数据可视化呈现，能够进一步满足各行各业信息化、智能化的展示需求，已逐渐在视听信息技术行业中得到深入、广泛的应用。

（5）节能降耗。在双碳政策背景下，节能化是我国任何产业都在为之努力的方向。大型显示屏系统涉及大量电能的使用和运营成本，因此节能关系到大屏幕使用者的利益，也关系到社会能源的有效利用。采用高效LED 光源、安装智能化驱动芯片、使用自动调光传感器，可以为各种类型的大屏幕显示系统降低能源消耗；采用共阴LED 供电、主动驱动静态显示等技术，可以使LED 显示屏达到降低产品能耗、减少亮度衰减、减小电磁辐射的效果。从目前的技术来看，节能显示屏并不会比常规显示屏增加太多成本，而且在后期使用中还会节约成本，因此受到市场的推崇。近年来，大屏幕制造商更加注重能源效率和环境友好性，通过技术创新减少能源消耗并提高屏幕的使用寿命，以此满足人们不断增加的节能环保需求。

2 视频显示技术发展

2.1 LED 型视频显示技术

LED 既可作为液晶显示（Liquid Crystal Display，LCD）背光源应用于大尺寸显示屏、智能手机、车用面板以及笔记本等产品，也可通过红绿蓝（Red Green Blue，RGB）三色LED 芯片实现自发光显示。当前，Mini LED 背光应用及直显产品已进入量产阶段。Micro LED 作为发展方向受到行业领先企业追捧，其高性能且设备兼容性强的特点注定了它将受到市场欢迎。相关技术产品日臻成熟、快速迭代，将为视频显示领域带来技术革命。Mini LED 即尺寸为 50 ～200 μm 的LED。由这类LED 作为基本发光像素构成的显示屏称为Mini LED 显示屏，由该LED 作为光源的背光称为Mini LED 背光。Micro LED即芯片尺寸小于50 μm 的LED。由该LED 作为基本发光像素构成的显示屏称为Micro LED 显示屏。

LED 直显屏封装从行业诞生之初单一的双列直插封装（Dual In-line Package，DIP），到现在已经发展成为DIP、表面贴装器件（Surface Mounted Devices，SMD）、矩阵式集成封装（Integrated Matrix Devices，IMD）、板上芯片封装（Chips on Board，COB）、 基于Micro LED 的封装（Micro LED In Package，MIP）、COG（Chip On Glass，COG）等多种封装方式并存的产业格局。自2001 年SMD 封装方式诞生后，DIP 封装的市场份额逐年下降，SMD独占LED 显示封装统治地位十余年。此后，IMD、COB、MIP、COG 陆续兴起并逐步成熟。由于不同间距产品采用的工艺模式、性价比有所不同，故多种封装共存将会持续一段时间。但从间距逐步减小、性价比逐步提升的趋势来看，COB、MIP、COG 具有明显的优势。下面介绍几种具有代表性的LED封装技术。

2.1.1 SMD 技术

SMD 技术将裸芯片固定在支架上，通过金线/铜线将二者进行电气连接，用环氧树脂进行保护，再通过打件机做成显示模组。SMD 是近十年来占据主流的LED 封装技术，芯片安装方式为正装，一般可采用100 ～300 μm 的芯片。SMD 工艺问世后，很快占据了LED 显示屏封装工艺市场的主流地位。采用SMD 封装工艺的企业在市场中占据较大份额。SMD 封装具有技术成熟稳定、制造成本低、散热效果好以及维修方便等优点，目前仍为传统小间距主流方案。

然而，由于SMD 器件变得越来越小，灯板上焊点面积也急剧缩小，对SMT贴片工艺要求大幅提升，同时厂家的生产效率也受到极大影响。例如，P1.5的产品，每平方米需要贴44 万颗灯，而到了P1.0 的产品，每平方米需要贴100 万颗灯，不仅贴片的数量增加了约2.3 倍，而且SMT 机器的贴片速度会大幅下调，极大地影响整体生产效率。过小的SMD 器件也给售后服务带来了极大困难。在客户的使用现场，几乎无法完成1 mm 以内的产品维修。另外，当前市场发展迅速，小间距LED 芯片呈微缩化趋势，SMD 的表贴封装形式面临技术瓶颈，已经难以在更小间距的领域发挥更大的作用。

2.1.2 IMD 技术

IMD 技术是将2 组、4 组乃至更多组的RGB芯片封装在一个小器件单元中。典型的IMD 封装以2×2 或四合一的形式存在。四合一的意思是每个IMD 封装中包括4 个像素组，每个像素组由RGB三色芯片组成。IMD 的工艺流程大致分为固晶、焊线、压模、烘烤、划片、测试分选和编带。IMD 采用的芯片以正装为主。IMD 器件继承了传统SMD 成熟工艺的基因，可以在短期内实现快速量产，采用了集成封装思路，与传统SMD 相比，具有更好的防碰撞性能，其SMT 贴片效率有一定提升。IMD 具有颜色一致性高、SMT 工艺兼容性好、可支持现场单点维修等优点，目前已有不少应用。然而，和SMD技术一样，IMD 也面临着封装密度难以突破的限制。

2.1.3 COB 技术

COB 技术将裸芯片直接固定于印刷线路板，进行引线键合，再用有机胶将芯片和引线包封保护，从而实现芯片与线路板电极之间的电气与机械上的连接。与传统的SMD 工艺相比，COB 封装省略LED 芯片制作成灯珠和回流焊两大流程，设备精度较高，封装流程简便，间距可以做到更小。芯片焊压后用有机胶固化密封保护，使焊点及焊线不受到外界损坏，可靠性更高。

COB 封装技术分为正装和倒装两种，最大区别在于COB 倒装技术取消了LED 发光芯片连接线，采用芯片倒置封装结构。COB 倒装[3]工艺的固晶方式是将裸晶与电路直接连接，不需要焊线。一方面使热途径减到最短，很好地增强了芯片的导热能力，也提供了更大的发光面积；另一方面，由于省略了焊接等环节，生产效率和良率都将得到很大的提升。相对于正装技术，倒装COB 结构更加简单，耐更高电流，制造工艺简化，RGB 混光效果好，散热更佳，稳定性更好。

2.1.4 MIP 技术

MIP 是将Micro LED 和分立器件有机结合，通过半导体级封装思路，将微米级Micro LED 倒装芯片通过巨量转移技术固晶至封装基板，进行封装切割，使其在更小面积下大幅提升良率，同时有效降低成本。这样更小面积下良率控制将得到大幅提升，同时测试环节从芯片后移至封装阶段。目前，主要头部LED 显示厂商都已经布局了MIP 技术[4]路线的研发，部分企业进行了相关技术储备，已经投入试产甚至量产。MIP 封装以其成本优势和高亮度、低功耗、兼容性强等性能优点，成为LED 封装头部企业和显示屏企业在大尺寸Micro LED 领域的重要共识。

2.1.5 COG 技术

COG 指将LED 芯片直接固晶到玻璃基板再进行整体封装，利用覆晶导通方式，将晶片直接对准玻璃基板上的电极，利用各向异性导电膜材料作为接合的材料，使两种结合物体垂直方向的电极导通。这一技术有3 个主要特点：

（1）LED 晶体颗粒直接封装，这是微米级芯片的巨量操作；

（2）背板电路采用薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）玻璃基板等新型产品替代传统的印制线路板（Printed Circuit Board，PCB）；

（3）LED 芯片的工作方式是主动矩阵式（Active Matrix，AM）驱动，而非传统被动矩阵式（Passive Matrix，PM）驱动。

玻璃基板在平坦度、部件精度及模组拼缝等方面比以往技术更具优势。由于COG 技术更适合于采用AM 有源驱动方式的面板厂商，因此更受习惯面板组装工艺的终端电视厂商的青睐。

如果未来行业主流选择COG 路线，则以Mini/Micro-LED 为代表的微显示产业链将会发生巨变。从PCB 载板过渡到TFT 玻璃基板，从PM 无源驱动过渡到AM 有源驱动，在TFT 玻璃基板领域具有巨大影响力的企业，将会获得更大的优势。因此，在COG 时代，TFT 玻璃基板作为上游产业链，对LED显示行业将可能占据决定性的地位。目前市场上已经出现了LTPS P0.5 COG AM 直显LED 产品，但短期内该技术还存在一些技术瓶颈需要突破，成熟度有待提高。目前主要是按客户要求进行定制化生产。

2.2 投影型视频显示技术

本文讨论的投影型视频显示屏系统根据工作方式可分为背投影显示屏系统和正投影显示屏系统，根据投影机显示器件的种类可分为数字光学处理技术（Digital Light Processing，DLP）、LCD、硅上液晶（Liquid Crystal On Silicon，LCOS）型显示屏系统，根据投影机发光器件的种类可分为高压汞灯、氙灯、LED、单色激光、三色激光型显示屏系统，根据投影机数量可分为拼接显示屏系统和非拼接（单台）显示单元。下面介绍几种具有代表性的投影显示成像技术和光源技术。

2.2.1 不同的显示成像技术

单片式LCD 内部安装一块液晶板。3LCD 被称为三片式LCD，是指将光源发出的白色光分解成红、绿、蓝3 种颜色（光的三原色）的光，并使其分别透过各自的液晶板进行成像。由于其可以充分利用光的3 种原色，因此可以更有效地利用光源，有着图像自然、观感柔和的特点，可有效避免频闪现象，减轻观看的视觉疲劳。

DLP 的核心元器件为DMD，全称为Digital Micro-mirror Device，意为“数码微镜装置”，通过控制镜片的偏转达到显示图像的目的。DLP 前面的数字表示这种技术用的DMD 芯片的数量。单片DLP投影仪内部只安装一片DMD 芯片，3 片DLP 投影仪内部安装3 片DMD 芯片，光源发出的光被棱镜分离成3 路。这3 路光线经过滤光分别成为红、绿、蓝3 种颜色，然后分别照射到相应的DMD 芯片上。

LCOS 投影机的基本原理与LCD 投影机相似，只是LCOS 投影机是利用LCOS 面板来控制光线的投射。LCOS 面板是以CMOS 芯片为电路基板及反射层，液晶被注入CMOS 集成电路芯片和透明玻璃基板之间。CMOS 芯片被磨平抛光后当作反射镜，光线透过玻璃基板和液晶材料，经调光后从芯片表面反射出来。

单片LCD 投影机色彩较差，定位低端，适合成本要求高的场合。3 片式LCD 色彩还原度更好，技术成熟，但是亮度方面存在弱点，目前在办公场所有一定应用。LCOS投影机视觉效果较好、体积较小、光源利用率高，但是成本较高，适用于高档办公及中型会议应用。单DLP 投影机画面对比度高，采用封闭式光路防止灰尘，亮度较好，目前也是工程领域主流产品。3DLP投影机色彩鲜艳、显示效果出色，但是体积大、价格高，适用于电影院和大型工程。

2.2.2 不同的光源技术

投影机发光器件可分为高压汞灯、氙灯、白色LED、三色LED、单色激光、双色激光和三色激光等。

早期，投影仪的光源以灯泡为主。这类灯泡通常注入碘或溴等卤素气体，在高温的时候通过升华钨丝与卤素能够产生化学作用，冷却后的钨会重新凝固在钨丝上，形成一个平衡的循环，避免钨丝过早断裂。除了卤素灯泡，也有氙灯光源。氙灯灯泡内的放电物质是惰性气体氙气，其激发电位和电离电位相差较小，寿命和亮度都比卤素灯高。灯泡光源发热大、寿命偏短、色域覆盖范围较窄、后续维修成本高，近年来应用逐渐减少。

随后出现的白色LED 投影机光源可以大幅降低成本、提升寿命，有力推动了投影仪的普及。白色LED 缺点是亮度较低，只适合暗环境下使用，色域范围也比较窄，适合个人或小范围环境使用。用三色LED 作光源，可以提高光源亮度，提高色彩纯度，大幅扩展色域。由于使用多组光源和不同光路设计，其成本有所提升，但显示效果也有所提升。目前，LED 光源的投影机在会议场景得到了比较广泛的应用。

激光是一种单色性很好的光源，在色准方面有天生的优势。激光光源分为单色激光、双色激光和三色激光光源。其中，单色是利用单一蓝色激光激发荧光色轮上的黄色和绿色荧光粉，然后通过棱镜分出红、绿、蓝三色光，最终组合形成其他颜色。单色激光投影机在家用和中档会议场景中应用比较多。相比之下，三色激光光源的色彩更好。它采用红、绿、蓝激光器为光源，是真正的高纯色的红、绿、蓝三基色光源，具有更高的色彩灰度表现能力，色彩还原效果真实，画面层次感强，色域覆盖范围更广阔，但是体积较大，成本也更高，适合于有高端显示要求的会议场所和指挥调度场所。

2.3 整机型视频显示技术

整机型显示技术经历了阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT）、等离子等显示技术，目前LCD已成为显示技术的主流，有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED）则是正在快速成长的显示方式。区别在于LCD 必须使用背光模组，OLED 则利用有机发光二极管作为自发光光源。下面对近年来系统工程所用的LCD 和OLED 的主要技术发展趋势进行简要介绍。

2.3.1 LCD 显示技术发展趋势

在显示领域，LCD 是目前发展最为成熟、应用最为广泛的显示技术，广泛应用于手机、平板、笔记本电脑及电视等领域。目前，工程领域应用的LCD 显示屏尺寸已完整覆盖40 ～120 英寸范围，独立显示屏分辨率覆盖1 080P、4K、8K，可以为中小会议室提供效果良好的主画面显示，为大型会议场所提供辅助显示。液晶拼接屏规格方面尺寸涵盖49 ～65 英寸，拼缝涵盖3.5 mm、1.7 mm、0.88 mm，为大尺寸高分辨率显示提供了有力支撑。近年来，基于量子点、Mini LED 等新技术的加持，LCD 显示屏在画质、色域范围、亮度及对比度方面得到了进一步提升，未来几年将在细分市场继续发挥优势。

2.3.2 OLED 显示技术发展趋势

OLED 是一种具有多层结构的有机电致发光器件，使用有机化合物-电致发光材料，点亮单个像素。与LCD 相比，OLED 的优势为轻、薄、响应速度快、视角大、功耗低、色域值广、可实现柔性显示及透明显示等。目前，OLED 柔性屏、拼接屏、双面屏、透明展示柜在工程领域已经有所应用。但是，目前OLED 核心技术仅少数企业掌握，在成熟度、显示尺寸、亮度及成本控制等方面有待进一步提升。预计未来随着技术进步，OLED 显示产品将会占据更多的市场空间。

3 信号交互与处理技术发展

受市场需求驱动，专业视听行业经历了模拟矩阵阶段、数字矩阵阶段、混合插卡阶段、大屏拼接阶段以及分布式阶段。当前，视频信号交互与处理系统主要由图像拼接切换设备、分布式坐席协作设备及可视化智能运维管控系统等组成。下面介绍上述系统设备具有代表性的技术和发展趋势。

3.1 图像拼接切换技术

目前，图像拼接切换设备主要包含矩阵切换设备和大屏拼接处理设备，产品主要有无缝切换矩阵和可视化拼接处理系统等，各种产品均由母箱和输入输出板卡构成。随着技术的发展，图像拼接切换类产品呈现出视频处理能力大型化、多种IP 视频流兼容化、矩阵切换和拼接处理功能一体化、兼容视频格式多样化、接口板卡多功能化、控制及预监直观化等特点，同时可以满足多种接口信号导入、网络视频解码、超高清信号切换推送、大屏幕多图层显示、视频资源池管理及录制以及可视化操作等功能。其视频输入输出规模可从几路到上千路，适合满足从小型会议室到大型指控场所、会议室集群等各种视频切换需求。未来，图像拼接切换设备将进一步向高画质、高可靠性、大型化、多功能化及易用化方向发展，以满足用户不断增长的使用需求，具有良好的发展空间。

3.2 分布式坐席协作技术

分布式系统采用分布式部署节点的方式实现视音频信号的接入采集、传输交换、分析处理和调度呈现。与矩阵拼接架构相比，分布式架构扩展性更强，系统规模更加弹性，而且在分布式架构中每个节点有单独的数据处理、运算系统，单一节点的损坏不影响其他节点正常工作，稳定性更好。基于传输方式的不同，分布式系统可分为IP 分布式系统和光纤分布式系统两类。分布式系统往往兼容键盘、视频和鼠标 （Keyboard Video Mouse，KVM） 坐席协作[5]技术，可以使一组或多组键盘、显示器和鼠标远程控制数台至数百台计算机主机，实现人员与服务器、数据的分离，为人员对数据的高效、集中管理提供了极大的便利。近年来，IP 分布式系统以其开放互联、组网简单、使用方便的特点占据越来越广阔的市场。

目前，主流分布式系统均支持H.264/H.265 编码技术。其IP 化1 080P 每秒60 帧的视频码流约为每秒数兆至数十兆字节。部分厂家推出了可支持MJPG、JPEG2000、VC-2 等编码格式，码流超过每秒百兆字节的浅压缩编码技术，实现更高的画质和更低的延时。部分厂家开发了采用基于以太网的软件定义视频（Software Defined Video-over-Ethernet，SDVoE）技术的分布式系统，实现了基于10 Gb·s-1IP 网络的无压缩、零延时分布式视频信号交互。部分厂商通过采用双分布式核心的设计，将高码流与低码流分布式产品特点与优势进行整合，提供双引擎分布式产品。这种产品将两者优势根据实际应用需求进行有效整合，在具备视频高质量无损显示效果、低延时传输的同时，完善了多种应用方式，解决了实际应用中与市场上H.264/H.265 设备兼容、低网络带宽下远距离视频分享的需求。

未来，随着技术的不断发展，分布式坐席协作技术将进一步向高清晰度、高画质、高可靠性、更低带宽、更低延时、权限管理更易用以及人机交互更便利方向发展，以满足用户不断增长的使用需求，具有广阔的成长空间。

3.3 可视化运维管控技术

为了满足人工智能物联网时代的多样化需求，业内主流公司均开发了可视化[6]智能运维管理控制系统（中央控制系统）的产品。运维管控系统通过与灯光、空调及显示终端等相关设备的控制接口交互，可实现对上述设备基于多种终端的统一操控，还可以实现系统运行状态自动监测和告警。上述技术以可视化屏幕为载体，以视频图像为表现形式，以呈现数据为调度依据，以其直观、快速、方便的特点，大大提高了管控和调度的效率。运维管控系统可支持多种接口，支持IP 包解析和控制、信息提取、指令转换、事件触发及环境控制，也支持温度、光感、湿度及新风等环境参数的双向反馈。

近年来，业内主流公司的可视化智能运维管控技术已在中小型至大型项目中得到广泛的应用，技术快速进步、日渐成熟。预计未来相关技术将进一步向云计算、大数据化、智能分析化、数据可视化、量身定制化、业务导向化及人机友好化方向发展。

4 结 语

随着云计算、物联网、5G、8K、Micro LED 等技术的快速发展及广泛应用，视频显示系统工程领域相关技术取得了快速发展。一方面，在视频显示系统设备尺寸、分辨率、画质、可靠性、节能降耗方面快速提升；另一方面，在信号交互与处理系统设备方面形成高画质、高可靠性、超高清化、大型化、IP 化、多功能化、易用化、运维智能化及人机友好化的趋势。上述技术进步必将为我国视频显示系统工程领域的用户体验带来全面提升。