快速响应矩阵码对发光二极管显示屏技术之影响

中国视听网资讯更新时间：2013-8-5 17:09:29　编辑：温情　[ 大中小 ]

引言

随着发光二极管显示屏(LED Display，以下简称LED显示屏)技术发展与应用普及，对其是否能于各种应用场合完整呈现数字内容的要求随之升高。以商业广告之LED显示屏为例，企业主对于如何充份利用约30秒的短暂广告时段，呈现更多的讯息给予往来的消费者，并且成功吸引其目光，一直是企业主最困扰的。利用消费者之手机，结合快速响应矩阵码(Quick Response Code, QR Code，以下简称二维码)，无疑提供了相当好的消费者使用体验，然而此一应用，也进一步的提高了LED显示屏之技术门坎。

二维码之市场趋势

1970年代后，销售时点情报系统(Point f sale，POS)与条形码(Barcode)的出现(图一)，解决了传统零售业者没有一个好的工具，可以统计商品销售与库存的问题，也使条形码(Barcode)得以普及，但新的问题也随之而来。问题在于条形码(Barcode)的容量有限，条形码(Barcode)本身代表的英文数字最多只能容纳20个字。“编码(Code)本身要是能够含更多的信息就好了”的需求日与俱增。

图一、Coke Coca商品条形码(Barcode)

1994年，DENSO WAVE INCORPORATED公开了二维码。二维码这名称源自快速响应矩阵码(Quick Response Code, QR Code，以下简称二维码)，又称二维条形码(2D Barcode)，二维码可容纳约7000个英文数字的大容量，可进行汉字处理，且读取速度比其它编码快10倍以上。

2002年，具有二维码读取功能的手机开始上市，这种包含许多信息的图形，吸引着人们，通过读取可以很方便地造访手机网站，或者获得各种优惠，因此二维码迅速在社会上普及[1]。根据独立研究机构Forrester Research, Inc.,调查，平均而言在美国、英国、法国、德国，有15%的消费者已经在使用手机扫描二维码(图二)[2]，且比例仍然持续增长。

图二、各国手机二维码使用率

LED显示屏基本工作原理

LED显示屏是以模块所组成之显示屏，其长宽大小分辨率可依需求任意调整，然而输入消息源却是固定分辨率，一般而言是经由多媒体播放软件进行缩放，这容易使原始影像比例改变。

另LED显示屏的基本工作原理是行扫描，陆续点亮第一行，第二行等由上至下，将一帧图像完整呈现，此称为静态扫描。考虑到芯片成本与对发光亮度之需求，行扫描又分为1~32行扫描，但有显示效果差、亮度损失较大等缺点。其中显示效果差包括了LED显示屏刷新率降低(图三)。

图三、LED显示屏刷新率不足

二维码于LED显示屏之应用限制

二维码在二维码的显示清晰且符合标准的情况下才可以保证穏定读取，这在电子邮件(E-mail)、因特网(Website)等可经由液晶显示屏(Liquid Crystal Display, LCD)显示时，不会有任何问题。而应用在如杂志印刷、产品外包装盒、名片等等应用时，二维码为因应上述应用变脏、破损等，提供了纠错功能，最多可以纠错约30%，以确保可穏定读取。

然而，如上述LED显示屏行扫描基本工作原理，二维码应用于LED显示屏时，则容易出现以下错误情形，而无法读取。

1. 三处定位图案 (Position detection patterns)

二维码从360〫任一方向均可快速读，其奥秘就在于二维码中的3处定位图案，可以说明二维码不受背景样式的影响，实现快速穏定的读取。然而在LED显示屏效能不佳，无法实现高刷新率(室内LED显示屏：刷新率>500Hz / 室外LED显示屏：刷新率>1000Hz)时，三处定位图案则无法完整呈现，因而无法有效定位(图四)。

图四、三处定位图示

2. 码元变形 (QR code whose modules are distorted)

当LED显示屏效能不佳，无法实现高灰阶(>14bit)，以及在无搭配视屏处理器进行缩小或放大时，容易导致各个码元(Code module)变形，虽然外观上与普通的二维码一样，但实际上却很难读取，甚至有时无法读取。(图五)

图五、码元变形图示

二维码应用LED显示屏实例－「传统开关型」

LED显示屏依驱动芯片的不同，可区分成「传统开关型」、「Scrambled PWM型」二种，以聚积科技芯片为例，「传统开关型」驱动芯片包括JIX5020、MBI5024等，「传统开关型」驱动芯片在「刷新率」、「灰阶等级」及「LED灯亮度」三个效能，需进行取舍，一般应用，为得到高LED灯亮度，所以会选择「高LED灯亮度模式」，如此即使刷新率、灰阶效能变差(室内LED显示屏：刷率频率<500Hz / 室外LED显示屏：刷新率<1000Hz)。二维码应用于「高LED灯亮度模式」下，用手机进行扫描，会出现无法正确扫描的情况。

「传统开关型」驱动芯片－低灰阶、高刷新 (高刷新率模式下)

「传统开关型」驱动芯片包括JIX5020、MBI5024等，「传统开关型」驱动芯片在实务上，搭配控制系统，可选择「高刷新率模式」，以1:16扫描之LED显示屏为例，使用「传统开关型」技术之LED驱动芯片播二维码图片(如图六，左下方为原始图像)。

现行二维码多都都已与背景图像进行搭配设计，但是当使用「传统开关型」驱动芯片选择「高刷新率模式」播放之二维码影像时，由于灰阶不足，所以使用手机在进行扫描时，

1. 二维码中的3处定位图案及编码与其背景颜色混淆不清，使得二维码无法被辨识率大幅降低

2. 因色阶表示不足，拍摄出来的效果与背景图像出现严重色块，使广告效果也大打折扣

图六、「传统开关型」驱动芯片－高刷新、低灰阶二维码被辨识率大幅降低

「传统开关型」驱动芯片－高灰阶、低刷新 (高灰阶模式下)

「传统开关型」驱动芯片包括JIX5020、MBI5024等，「传统开关型」驱动芯片在实务上，搭配控制系统，可选择「高灰阶模式」，以1:16扫描之LED显示屏为例，使用「传统开关型」技术之LED驱动芯片播二维码图片(如图七，左下方为原始图像)。

用「传统开关型」驱动芯片选择「高灰阶模式」播放之二维码，由于刷新率不足，所以使用手机在进行扫描时，导致各个码元(Code module)变形，而无法读取。同样的对广告主而言，其广告效果也相当的差。

图七、「传统开关型」驱动芯片－高灰阶、低刷新无法正确读取二维码

二维码应用LED显示屏实例－「Scrambled PWM型」

Scrambled PWM技术，改进传统脉波宽度调变(PWM)技术，将一个影像导通的时间分散成数个较短的导通时间，以增加整体的视觉刷新率。因此相较于「传统开关型」驱动芯片，「Scrambled PWM型」能大幅提升「刷新率」 (室内LED显示屏：刷新率>500Hz / 室外LED显示屏：刷新率>1000Hz)、「LED灯亮度」与「灰阶」，都能有效使二维码辨识之正确率大幅提升。(图八，左下方为原始图像)