Návrh riadiaceho systému LED obrazovky — ako vyberiete ovládač a ako ho nadimenzujete

1.Cesta signálu — čo sa deje od obsahu po obrazový bod

LED obrazovka nie je monitor. Nemá vstavaný škálovač, sama nedokáže interpretovať signál HDMI a nič si sama nerozdelí. Každému obrazovému bodu treba osobitne povedať, v ktorej sekunde má svietiť akým jasom — a túto prácu robí reťazec riadenia. Ak je ktorýkoľvek jeho článok nesprávne nadimenzovaný, na výsledku to vidieť: blikanie, pruhovanie, oneskorenie, farebné rozdiely medzi kabinetmi. Väčšina technických sporov sa týka niektorej zastávky tohto reťazca, preto sa oplatí prejsť ich všetky.

Zdroj obsahu je to, čo obraz vytvára: mediálny prehrávač, PC, kamera, videomixér alebo výstup rozbočovača signálu. Toto je jediný bod, kde sa dá rozlíšenie obsahu slobodne zvoliť, a práve tu sa rozhodne, či bude obrazovka pracovať vo svojom natívnom rozlíšení, alebo dostane škálovaný, rozmazaný obraz. Praktické pravidlo: obsah treba vždy vyrábať na presný pixelový rozmer obrazovky, nie na 1920 × 1080, ktoré potom niekto „roztiahne“.

Mediálny prehrávač alebo PC spúšťa prehrávací softvér a obraz posiela ďalej svojím grafickým výstupom. V asynchrónnom systéme sa táto úloha zlieva s ovládačom: vysielacie zariadenie obsah samo ukladá aj prehráva. V synchrónnom systéme prehrávač žije samostatne a obrazovka zobrazuje len to, čo je práve na jeho výstupe — keď počítač zamrzne, stmavne aj obrazovka.

Vysielací ovládač (sending card, sending box, procesor) je srdcom reťazca. Prijme videosignál vo forme HDMI, DisplayPort, SDI alebo sieťového protokolu, vykoná škálovanie a orezanie obrazu, a potom obraz rozdelí na toľko dátových tokov, koľko má sieťových portov. Drží aj nastavenia obrazu a farieb, jas, gamu a tempo obnovovania obrazu — na tomto zariadení visí najviac peňazí a najviac neskorších mrzutostí.

Dáta od ovládača k obrazovke vedie kábel Cat6 alebo optické vlákno. Na medi je bezpečná dĺžka úseku približne 90 – 100 m, nad 80 m sa však už oplatí prejsť na optiku: netienený kábel je citlivý na rušenie z napájacích zdrojov. V exteriéri prichádza do úvahy len tienený kábel odolný voči UV, s vodotesným krytom konektora.

Prijímacia karta (receiving card) sedí v každom kabinete. Z dátového toku si berie svoj vlastný plátok, stará sa o odtiene sivej, o kalibračnú korekciu a o samotné riadenie LED. V tejto karte je uložená konfigurácia kabinetu aj továrenské kalibračné dáta, takže po výmene prijímacej karty zostane kabinet farebne chybný dovtedy, kým sa doňho konfigurácia a kalibrácia nenahrajú späť.

Doska HUB (adapter board) vytvára fyzické prepojenie medzi prijímacou kartou a modulmi: sú na nej 16-pinové konektory modulov a vchádza sem aj napájanie modulov. Typ HUB (HUB75, HUB75E, HUB320) určuje, koľko modulov sa dá pripojiť na jednu kartu a v akom rozložení — pri miešanom nákupe je to najčastejšie miesto nekompatibility. Na konci reťazca stojí modul s budiacimi obvodmi (driver IC).

2.Synchrónne, alebo asynchrónne — ktorý systém sem patrí

Rozdiel medzi oboma architektúrami v jednej vete: v asynchrónnom systéme je obsah uložený v ovládači a obrazovka ho prehráva sama, v synchrónnom systéme obrazovka zrkadlí živý videosignál a vlastný obsah nemá. Z toho vyplýva všetko ostatné: spôsob prevádzky, odolnosť voči chybám aj cena.

Asynchrónny systém je lacnejší a samostatnejší. V ovládači je vnútorné úložisko, obsah sa dá nahrať cez 4G, Wi-Fi alebo sieť, a odvtedy obrazovka beží aj bez počítača. Na oplátku zvládne len prehrávací zoznam: naživo doňho zasiahnuť nemožno a pojem oneskorenia tu ani nedáva zmysel, pretože živý zdroj neexistuje. Pre reklamnú tabuľu, portál predajne a informačnú obrazovku je to správna voľba.

Synchrónny systém pracuje so živým signálom, preto je povinný všade, kde obraz na obrazovke vzniká v reálnom čase: prezentácia, kamerový prenos, koncertný vizuál, športový výsledok, štúdiové pozadie. Má to svoju cenu: treba k nemu spoľahlivý prehrávací alebo mixážny stroj a obrazovka funguje len dovtedy, kým funguje zdroj. Jedno druhé nevylučuje — mnohé profesionálne ovládače prepnú na asynchrónnu zálohu, keď sa synchrónny zdroj stratí.

3.Výpočet pixelov krok za krokom

Dimenzovanie riadenia stojí a padá na jedinej veličine: koľko obrazových bodov treba preniesť za sekundu. Z nej vyjde počet portov, z neho typ ovládača a z toho cena. Výpočet je jednoduchý, treba ho však robiť v správnom poradí.

4.Tri konkrétne obrazovky, prepočítané do konca

Tri typické objednávky, tri ponaučenia: pri prvej delenie na kabinety pekne vyjde, pri druhej nie, a pri tretej sa ukáže, že aj obrovská obrazovka sa zmestí na jediný port.

Prvý prípad — 6 × 3 m, P3,91, exteriérová obrazovka na prenájom, s kabinetmi 500 × 500 mm. Jeden kabinet má 500/3,91 ≈ 128 × 128 pixelov. Obrazovka je 12 kabinetov široká a 6 vysoká, spolu 72 kabinetov. Jej rozlíšenie je 1536 × 768 pixelov, teda 1 179 648 obrazových bodov. Po delení číslom 650 000 vyjde 1,81, takže minimum sú 2 porty — v praxi ju delíme na 3 porty, po štyroch stĺpcoch kabinetov na port, so zaťažením okolo 60 %. Postačí jediný štvorportový ovládač.

Druhý prípad — 4 × 2,25 m, P2,5, interiérová rámová konštrukcia postavená z modulov 320 × 160 mm. Jeden modul má 128 × 64 pixelov. Vodorovne 4000/320 = 12,5 modulu, zvislo 2250/160 = 14,06 modulu — ani jedno nie je celé číslo. Takýto rozmer obrazovky sa teda takto postaviť nedá. Po zaokrúhlení nadol 12 × 14 modulov: 3840 × 2240 mm, čiže 1536 × 896 pixelov, spolu 1 376 256 obrazových bodov. To je zaťaženie 2,12 portu, delíme teda na 3 porty: po štyroch stĺpcoch modulov na port, 512 × 896 = 458 752 pixelov, zaťaženie 71 %. Najdôležitejším ponaučením tu nie je počet portov, ale to, že rozmer obrazovky určuje raster modulov, nie výkres.

Tretí prípad — 10 × 5 m, P10, exteriérový bilbord s kabinetmi 960 × 960 mm. Jeden kabinet má 960/10 = 96 × 96 pixelov. Raster desať kabinetov na šírku a päť na výšku dá obrazovku 9,6 × 4,8 m s 960 × 480 pixelmi, čo je iba 460 800 obrazových bodov. Ide o 48 metrov štvorcových obrazovky, a predsa sa zmestí na jediný gigabitový port so zaťažením 71 %. Sem nepatrí procesor, ale jednoportový asynchrónny ovládač s mediálnym prehrávačom. Obrazovka má však „len“ 960 pixelov na šírku, takže aj obsah treba vyrábať v tomto rozlíšení a s veľkými písmenami.

5.Obnovovacia frekvencia a kamera — prečo obrazovka na videu bliká

LED nevie svietiť „napoly“: buď je zapnutá, alebo vypnutá. Odtiene sivej vytvára driver IC tak, že LED niekoľkotisíckrát za sekundu prepína a jas vydáva pomerom času, keď je zapnutá. Tomu hovoríme obnovovacia frekvencia (refresh rate) a s obrazovou frekvenciou videa nemá nič spoločné. Oko ju nad 1000 Hz už nevníma, kamera však áno, pretože jej uzávierka zbiera svetlo len v krátkom okne na každú snímku.

Pri čase uzávierky 1/1000 s vidí kamera jednu tisícinu sekundy blikania. Pri obrazovke s 1920 Hz sú to sotva dva úplné cykly, takže riadky dostanú rôzne množstvo svetla: na zázname bežia po obraze tmavé pruhy. Pri 3840 Hz trvá jeden cyklus 260 mikrosekúnd, takže tá istá milisekundová uzávierka už integruje takmer štyri úplné cykly a pruhovanie prakticky zmizne. Odborným minimom pri kamerovom použití je preto 3840 Hz, a v XR štúdiu či pri vysokorýchlostnom zázname 7680 Hz alebo viac.

Pomer scan (1/8, 1/16, 1/32) hovorí, koľká časť riadkov modulu svieti naraz. Pri 1/16 scan dostávajú riadky prúd šestnástinu času, takže na rovnaký zdanlivý jas by bol potrebný šestnásťnásobný okamžitý prúd — v praxi to znamená, že modul s vysokým pomerom scan dokáže menej svetla, dá sa však postaviť s menším počtom driver IC, teda je lacnejší. Pri exteriérových obrazovkách nad 5000 nitov je preto typický scan 1/2 alebo 1/4, v interiéri však na 600 – 1200 nitov bohato stačí aj 1/16 alebo 1/32.

Scan a obnovovacia frekvencia spolu súvisia: pri rovnakom driver IC necháva vyšší pomer scan menej času na riadok, takže vysokú obnovovaciu frekvenciu je ťažšie dosiahnuť. Kto na interiérovom module 1/32 žiada 3840 Hz, potrebuje modernejší driver IC — staršie typy to nezvládnu.

6.Farebná hĺbka, gama a tmavé časti obrazu

Bitová hĺbka hovorí, v koľkých stupňoch sa dá jas odtieňovať. Vstupné video býva 8-bitové (256 stupňov na kanál), dobré prijímacie karty ho však pre vnútorné spracovanie rozvinú na 14 – 16 bitov. Úžitok z toho nie je viac farieb, ale to, že aj pri stiahnutom jase zostane dosť stupňov na jemné prechody.

Toto je low grayscale, teda práca s odtieňmi sivej pri nízkom jase, a práve ona najviditeľnejšie oddeľuje dobrú obrazovku od zlej. Exteriérová obrazovka beží v noci na 10 – 20 % jasu: ak je ovládač 8-bitový, z 256 stupňov zostane 25 – 50 a tmavá obloha sa zobrazí pruhovane. Pri 14-bitovom spracovaní je tých istých 10 % stále niekoľko tisíc stupňov.

Gama je to, čo vstupnú číselnú hodnotu premieta na skutočný jas. Videonorma stojí zhruba na game 2,2, pri LED obrazovke ju však treba prispôsobiť podmienkam pozerania: v tmavej sále dáva vyššia gama kontrastnejší obraz, v silnom dennom svetle treba plochšiu krivku. Toto je súčasť uvedenia do prevádzky, nový hardvér si to nevyžaduje.

Praktický úžitok z podpory HDR je ten, že ovládač rozumie metaúdajom HDR10 alebo HLG a veľkú dynamiku správne premietne na jas obrazovky. Ak obsah nie je HDR — pri reklamných a informačných obrazovkách takmer nikdy nie je —, táto funkcia neprinesie nič; v štúdiu a pri prémiovej interiérovej obrazovke však ide o skutočný rozdiel.

7.Oneskorenie, genlock a viac obrazoviek v synchronizácii

Oneskorenie (latencia) je čas medzi príchodom signálu a rozsvietením obrazového bodu. Reťazec sa oneskorí na dvoch miestach: škálovanie vo vysielacom procesore o jednu snímku a spracovanie v prijímacej karte o ďalší zlomok snímky. Dobre nadimenzovaný systém zostane medzi 1 a 2 snímkami, čo je pri 50 Hz 20 – 40 ms.

Na reklamnej tabuli a v portáli predajne je tento údaj ľahostajný. V konferenčnej miestnosti už záleží: ak kamerový obraz na stene za rečníkom mešká o pol sekundy, je to rušivé a použitie v štýle čítacieho zariadenia sa tým znemožní. Na živom podujatí zas obraz posunutý voči riadeniu svetla a zvuku kazí rytmus šou.

V štúdiu a vo virtuálnej produkcii nie je oneskorenie otázkou pohodlia, ale presnosti na snímku: kamera a obrazovka musia ukazovať tú istú snímku, inak sa virtuálne pozadie posunie voči skutočnému pohybu kamery. Cieľom je tu merané a garantované oneskorenie pod jednu snímku, a na to si treba vyžiadať spoločný údaj dvojice ovládač plus prijímacia karta — obe hodnoty sa sčítavajú.

Ak sú v jednom priestore dve alebo viac LED obrazoviek so samostatnými ovládačmi, obrazovky sa obnovujú vo vlastnom tempe. Okom to vidieť nie je, kamerou však okamžite: na jednej obrazovke beží pruh, na druhej nie, alebo sa obraz oboch líši o pol snímky. Riešením je synchronizácia, ktorá má dve úrovne.

Frame lock znamená, že ovládače pracujú na tej istej hranici snímky, spravidla tak, že jeden ovládač je master a ostatné sa nastavujú podľa jeho signálu. Mnohé procesory sa dokážu synchronizovať priamo medzi sebou, ak dostávajú signál z toho istého zdroja. Táto úroveň stačí pri dvoch až troch susedných obrazovkách, ak nejde o štúdio.

Genlock je prísnejší: ovládač sa naviaže na vonkajší referenčný signál (tri-level sync alebo black burst), na ten istý, na ktorý sú naviazané aj kamery a mixér. Tým beží celá štúdiová technika na jednom spoločnom takte a obnovovanie obrazovky má pevnú fázu voči uzávierke kamery. Väčšina profesionálnych procesorov má vstup genlock na BNC, v lacnejšej kategórii však chýba — túto špecifikáciu treba vyjasniť vopred, pretože dodatočne sa doplniť nedá.

8.Redundancia — kedy sa oplatí zdvojenie

Typické jednotlivé miesta poruchy sú tri: sieťový kábel, napájanie a samotný ovládač. Všetky tri sa dajú zdvojiť, všetky tri však stoja peniaze, a preto treba rozhodnutie merať cenou výpadku. Pri pouličnej reklamnej tabuli je poldeň tmavej obrazovky mrzuté; štúdiová obrazovka, ktorá vypadne počas živého prenosu, však znamená koniec produkcie.

Najlacnejšou a najužitočnejšou ochranou je slučkové zálohovanie Cat6 (loop backup). Z posledného kabinetu v reťazci ide druhý kábel späť na iný port ovládača. Ak sa reťazec kdekoľvek preruší, dáta prídu z opačného smeru a vypadne nanajvýš jeden kabinet. Hardvéru navyše netreba takmer nič, preto sa to oplatí urobiť pri každej obrazovke, kde to porty dovolia.

Dvojité napájanie znamená, že do každého kabinetu idú dva napájacie zdroje a dva prívody, z inej fázy alebo z iného obvodu. Pri obrazovkách na prenájom a v štúdiu je to základ, pri trvalo inštalovanej reklamnej obrazovke to býva zbytočné. Zdvojenie má zmysel len vtedy, ak oba prívody naozaj prichádzajú z rôznych obvodov — natiahnuť dva káble z toho istého ističa je klamanie samého seba.

Pri záložnom ovládači (hot backup) dostávajú ten istý signál dva vysielacie procesory a oba sú zapojené smerom k prijímacím kartám. Prijímacie karty sledujú primárny ovládač, a keď sa dátový tok preruší, do jednej až dvoch sekúnd prepnú na záložný. V živej produkcii a v štúdiu je to opodstatnené, pri výkladovej obrazovke nie.

9.Kalibrácia — aby obrazovka zostala jednofarebná

Ani dve LED z tej istej výrobnej dávky nesvietia presne rovnako. Bez kalibrácie je preto škvrnitá aj úplne nová obrazovka: na bielom obraze vidieť hranice modulov a medzi kabinetmi je rozdiel vo farbe a jase. Kalibrácia ukladá korekčný koeficient pre každý pixel alebo modul a všetky pixely stiahne na úroveň toho najslabšieho.

Továrenská kalibrácia na úrovni pixelov vzniká na výrobnej linke: moduly sa premerajú kamerou a korekčné dáta sa zapíšu do pamäte prijímacej karty. Tieto dáta patria ku kabinetu, takže cestujú s ním. Ak niekto ponúka obrazovku bez kalibračných dát, nie je to cenová výhoda, ale chýbajúca pracovná fáza.

Kamerová kalibrácia na mieste sa robí na už zmontovanej obrazovke a opravuje to, čo sa pokazilo pri montáži: odchýlky kabinetov z miešaných výrobných dávok, vyčnievanie vymenených modulov, sfarbenie zo starnutia. Používajú sa na ňu systémy NovaStar NovaCLB, Brompton Hydra a Megapixel Omnical: meracou kamerou zmapujú obrazovku a zapíšu späť korekciu na úrovni pixelov.

Prekalibrovať treba v troch prípadoch: po výmene modulu alebo kabinetu, keď obrazovka začne škvrnitieť (v exteriéri po 2 – 4 rokoch, pretože červená, zelená a modrá LED starnú rôzne), a po premiestnení. Kalibrácia na mieste je práca na pol dňa až deň a v ponuke je samostatnou položkou — pri podpise zmluvy si vyjasnite, kto a za akú cenu kalibruje po záručnej výmene modulu.

10.Nástrahy kompatibility pri miešanom nákupe

Trh je plný lacných, „úplne rovnakých“ súčiastok, a riadenie je oblasť, kde sa to vypomstí najdrahšie. Moduly sa dajú fyzicky pospájať, ich riadenie však štandardizované nie je — rozdiel sa ukáže až pri uvádzaní do prevádzky, keď je už všetko na stene.

Pri odovzdaní treba popri fyzickom prevzatí obrazovky prevziať aj dokumentáciu k riadeniu: konfiguračný súbor kabinetu, zálohu kalibračných dát, výkres rozloženia portov, zálohu nastavení ovládača a verziu softvéru. Ak toto máte, obrazovku dokáže opraviť ktorýkoľvek odborník; ak to nemáte, ste na dodávateľa viazaní počas celej životnosti obrazovky. Týchto pár súborov má väčšiu hodnotu než záručná doba napísaná v zmluve. O návrh riadenia a rozloženia portov na mieru konkrétnej obrazovke sa dá požiadať aj na ledfalszaki.hu.