LEDpedia

Der Blog rund um LED Videowalls und DOOH

Helligkeitseinstellung von LED Displays ohne Graustufenverlust

 

Thema:

 

Die LED Technik hat in den vergangen Jahren eine rasante Entwicklung erfahren. Sinkende LED Preise und neue Treibertechnologien machen auch hohe Auflösungen immer erschwinglicher.

Im selben Maße wie die Technik vorangeschritten ist haben dich auch die Ansprüche der Kunden bzgl. der Bildqualität erhöht. Das macht die richtige Einstellung der Displayparameter zu einer der wichtigsten Aufgaben von Herstellern und Systemintegratoren.

Hierbei zählt die richtige Einstellung der Helligkeit ohne den Verlust von Graustufen und somit Kontrast und ohne Änderung der Farbtemperatur zu einer der größten Herausforderungen.

Die extreme Helligkeit der LED Technik ist hierbei Segen und Fluch zugleich. Daraus folgt nämlich, daß z.B. bei einer Festinstallation im Freien die benötigte Helligkeit zwischen Tag und Nachtbetrieb so stark differiert das Graustufenverluste im "gedimmten" Betrieb beinahe zwangsläufig auftreten.

Dies kann durch neue Treibertechnologien und Steuerungskonzepte die diese zu nutzen wissen aber vermieden werden. Der folgende Artikel soll hier die Grundlagen zum Verständnis legen und Hilfestellung bei der Auswahl der Technik geben.

 

Grundlagen:

 

1. Helligkeitseinstellungsmethoden

 

Die Helligkeit mit der eine LED leuchtet ist abhängig vom durchschnittlichen Vorwärtsstrom If der durch die Diode fließt. Dieser Strom wird vom Treiberbaustein erzeugt und zwar indem Konstantstromimpulse unterschiedlicher Längen sequentiell aneinander gereiht werden. So ergibt sich aus einem digitalen Datenwort eine bestimmte Helligkeit. Die folgende Grafik zeigt ein 4-bit Beispiel für den Helligkeitswert 5 (0101).

 

 

Daraus folgt das die Helligkeit einer LED auf 2 Arten geändert werden kann. Entweder durch Änderung des Konstantstroms Ik oder durch die Änderung des Datenworts.

 

Im folgenden wollen wir wollen die Vor und Nachteile beider Methoden vergleichen.

 

A. Änderung der LED Helligkeit über die Änderung des Graustufenwerts. - Dies ist die klassische und gebräuchlichste Methode die Displayhelligkeit einzustellen. Die meisten Steuerungen arbeiten nach diesem Prinzip. Und mit den klassischen Treibertypen ist dies auch der einzige Weg, da bei Ihnen Ik über einen externen Widerstand eingestellt wird. Der Nachteil der Methode ist das sie aber besonders bei sehr dunkeln Einstellungen zwangsläufig zu Graustufenverlust führt.

 

B. Änderung der Displayhelligkeit durch ändern der Amplitude der Konstantstromimpulse Ik. Diese Methode ist nur mit aktuellen Treiberbausteinen (MBI 5X5X/MBI504X/MBI503X) möglich und erfordert natürlich auch die entsprechende Steuerung die diese Treibertypen beherrscht (z.B. Novastar).

Vorteile dieser Methode ist, dass sich durch die Helligkeitseinstellung keinerlei Graustufenverluste ergeben. Nachteil der Methode ist die Änderung der Farbtemperatur insbesondere bei großen Helligkeiten.

 

1.1 Helligkeitseinstellung mittels Graustufenwert

 

Die Helligkeit über die Veränderung des RGB Werts der Videoquelle einzustellen ist die einfachste Methode. Allerdings ist diese auch mit einem Graustufenverlust behaftet.

Zur Erklärung hierfür müssen wir ein bisschen ausholen.

 

1.1.1 Einstellung durch prozentuale Verminderung des Graustufenwerts Das folgende Bild zeigt die Einstellung mit Nova LCT Mars

Die Einstellung der prozentualen Helligkeit bedeutet dass sich bei der Darstellung eines Graustufengradienten, mit einem 8-bit Datenwort (d.h. 8-bit Farbtiefe) bei 100% Helligkeit auch 256 verschiedene Helligkeiten dargestellt werden können. Stellt man die Helligkeit jetzt auf 50% so hat man nur noch 128 Graustufen- und somit Helligkeitswerte zur Verfügung. Je weiter man diesen Wert jetzt vermindert umso größer werden die Graustufenblöcke die erkennbar sind. Versärkt wird dieser Effekt im unteren Bereich der Skala noch durch die sogenannte Gamma Korrektur.

 

1.1.2 gamma Korrektur und die Folgen

 

Die Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges ist nicht linear. Tatsächlich nehmen wir Menschen Lichtveränderungen im dunkeln Bereich stärker wahr als im hellen . Um diesen Effekt auszugleichen und dem Auge bei Ausgabe eines gleichmäßig en Graustufengradienten einen linearen Helligkeitsverlauf vermitteln muss mittels der sog. gamma Korrektur der exponentielle Charakter der menschlichen Lichtwahrnehmung ausgeglichen werden. Das geschieht indem die Graustufenwerte im hellen Bereich gespreizt und im dunklen Bereich gestaucht werden.

 

Die gamma Korrektur bedient sich folgender Formel Ho = (Hi/Hmax)^gamma x Hmax

Hierbei ist Hi der Eingangswert Ho der korrigierte Wert und Hmax der maximale Wert der Graustufenskala.

Bei gamma=1 heisst das Ho = Hi also ein linearer Zusamenhang 1:1

 

 

 gamma <1 die Abbildung ist konkav Kleine Eingangswerte werden gespreizt große gestaucht

 

      gamma>1 die Abbildung ist konvex kleine Eingangswerte werden gestaucht und große gespreizt.

 

Somit muß ein gamma Wert größer 1 gewählt werden wenn man die Nichtlinearität des menschlichen Auges ausgleichen will. Genauer gesagt ergibt sich ein Wert um die 2,8 .

Nehmen wir als Beispiel wieder 8-bit Farbtiefe also 255 Graustufenwerte und einen Eingangswert von 50

 

Ho=(50/255)^2.8x255

 

es ergibt sich also ein korrigierter wert von 2.

 

Hieraus wird auch offensichtlich das im unteren Bereich viele Eingangswerte zum selben korrigierten Wert führen. Mit anderen Worten es gehen Graustufenwerte des Eingangssignals verloren man spricht hier auch von Graustufenverlust oder greyscale loss. Zusammen mit der prozentualen Verminderung der Graustufenzahl ergibt sich so ein Bild mit nur wenigen und dazu noch unterschiedlich breiten Graustufen.

 

1.1.3 Lösungsansätze

 

Der einfachste Lösungsansatz ist es die Farbtiefe, und damit die Zahl der Graustufenwerte, möglichst hoch zu wählen. Es ist offensichtlich das bei einer prozentualen Verminderung ein großer Ausgangswert günstig ist, da natürlich umso mehr Graustufen übrig bleiben.

Allerdings hat eine Erhöhung der Farbtiefe also der Länge des Datenworts gleichzeitig eine Verminderung der maximalen Helligkeit zu Folge. Dies tritt deshalb auf weil insbesondere für die niederwertigen Bits die Zeit die für das Schreiben der Daten benötigt wird länger ist als der Ausgangsimpuls. Dies führt zu Totzeiten, die umso größer werden je mehr Treiberbausteine in Reihe geschaltet sind. Bei Modulen mit mehrfach scanning verstärkt sich dieser Effekt sogar noch, da diese Totzeit in jeder neuen Zeile auftritt . Dies steht leider im Widerspruch zu den Ansprüchen an ein Outdoor LED-Display das tagsüber gegen die Sonne strahlen und nachts strenge Emissionsrichtlinien einhalten soll. Bei Indoor Anwendungen mit kleineren maximalen Helligkeiten sollte man sein Display dagegen, je nach Lichtverhältnissen mit einer möglichst hohen Farbtiefe betreiben. Evtl. kann es nötig sein für eine hohe Farbtiefe unter Einhaltung der max. horizontalen Pixelzahl, die DCLK Frequenz zu erhöhen. Bedenken Sie aber das dies Einfluss auf die Elektromagnetischen Emissionen Ihrer Anlage hat.

 

Unterm Strich spricht also alles für die zweite Möglichkeit die Helligkeit zu steuern, nämlich die Helligkeitssteuerung über die Änderung der Amplitude der Konstantstromimpulse des Treiberbausteins.

 

1.2. Änderung der Displayhelligkeit durch ändern der Amplitude der Konstantstromimpulse Ik

 

Da bei dieser Methode, abgesehen vom Graustufenverlust durch die gamma Korrektur, keine weiteren Graustufenwerte verloren gehen hat diese Methode natürlich riesige Vorteile. Trotzdem gibt es aber auch Nachteile wie z.B. die Rotverschiebung bei zu starken Abweichungen vom voreingestellten Arbeitspunkt.

Außerdem unterstützen erst wenige Treiberbausteine diese Technik und auch die Steuerung muß diese Option natürlich unterstützen. Unter Generic controller suppport können Sie eine Liste der aktuellen Macroblock Treiber herunterladen. Hier ist unter der Spalte brightness module verzeichnet ob der Baustein diese Methode unterstützt und welche Steuerung den Treiberbaustein beherrscht.

 

Die Einstellung von Ik erfolgt z.B. bei Novastar Steuerungen in NovaLCT unter "Advanced Color Configuration". Dort ist sowohl die Einstellung der Grundhelligkeit über Ik als auch die prozentuale Methode verfügbar.

Hier gilt es abzuwägen zwischen Graustufenverlust bei der prozentualen Methode, und Nichtlinearität (=Rotverschiebung) bei der Steuerung der Grundhelligkeit über Ik.

 

Einstellung der Grundhelligkeit beim Nova System

 

exzellente Kontraste auch bei minimaler Displayhelligkeit - erzeugen ein schon fast plastisches Bild