Интересная работа светодиодной матрицы

[sergey zhukov]

Знаете, в вагонах питерского метро часто можно увидеть светодиодные матрицы с бегущей строкой, на которых высвечиваются названия станций. Сама матрица самая обычная - прямая решетка где-то 10×100 светодиодов. Когда текст на ней неподвижен, то ничего необычного в нем нет. Скажем, восклицательный знак выглядит, как вертикальная палочка толщиной в один светодиод.

Но когда текст перемещается в виде бегущей строки справа налево, то совершенно отчетливо (на глаз) видно, что тот же самый восклицательный знак, во первых, приобретает наклон вправо, а во вторых - явно удваивается в толщине до двух светодиодов. Причем если между неподвижными светодиодами матрицы есть заметные промежутки, то между этими "бегущими" светодиодами их почти нет, они выглядят буквально идущими вплотную, как будто разрешение светодиодной матрицы удваивается по горизонтали.

Иллюзия наклона получается, вероятно, от того, что разные строки матрицы зажигаются с небольшим запозданием (нижние раньше верхних). А как получается иллюзия удвоение числа светодиодов, увеличения их плотности? Я на различных светодиодных табло с бегущей строкой на это обращал внимание (не только в метро). Иногда такой эффект есть, а иногда - нет: никакого наклона или удвоения не возникает.

[Dmitriy40]

Про наклон тоже удивлялся, решил что это связано с методом обновления информации в экранном буфере: если он обновляется весь сразу, то наклона нет, если же обновляется по строкам (каждые несколько кадров сканирования), то наклон будет.

Удвоение объяснить сложнее, тут может и чисто психологический эффект (при достаточной большой яркости глаз не успевает понять что точка уже погасла и получается иллюзия следа), а может и правда сначала зажигают светодиод левее, и лишь с некоторой задержкой гасят светодиод правее. Про плавное зажигание и погасание светодиодов при сдвиге говорить не буду, это хоть и возможно физически, но вряд ли где реализовано (зато сдвиг будет визуально намного более плавным).

И то и другое по идее будет видно при просмотре замедленной съёмки (вплоть до покадрово), но мне всё лень снять и изучить, да и попадаю довольно редко на такие бегущие строки.
Как-то даже хотел собрать макетку и самому реализовать эти эффекты, но тоже поленился (да и матриц у меня мало, длинной строки не получится, а покупать они заразы недешёвые, по работе же бегущие строки пока что не попадались).

[EUgeneUS]

sergey zhukov

В самом простом случае, эти матрицы представляют собой решетку, в узлах которой находится светодиод, катод которого подключен к вертикальному терму, а анод - к горизонтальному (или наоборот).
Это резко снижает количество проводов, но требует динамической индикации - может светиться только одна строка или только один столбец.
Это в свою очередь требует повышенной яркости светодиодов при включении, так как светодиод светится только долю времени $1/N$, где $N$ - количество столбцов (или строк).
Если матрица "сильно прямоугольная", например, строк сильно меньше, чем столбцов, и цельная, а не собранная из квадратных элементов, то и разворачивать лучше "по строкам", а не "по столбцам" - тогда конкретный светодиод будет светить бОльшую долю времени.
Вот Вам и развертка "по строкам", о которой писал уважаемый Dmitriy40.

Надо сказать, что это самый простой, но далеко не единственный способ устроить динамическую индикацию на светодиодной матрице. Есть и другие способы, в том числе, которые могут заметно улучшить качество изображения, но они требуют размещения непосредственно на матрице регистров-защелок\триггеров.

Что касается "удвоения разрешения" матрицы. Очевидно, никакими "схемотехническими решениями" этого сделать нельзя.
Скорее всего это связано с тем, что на изображение накладывается вибрация, качка вагона при движении. Насколько помню, в вагонах метро строка стоит при остановках и движется при движении поезда.

[sergey zhukov]

Dmitriy40
Если следить за отдельным светодиодом, то, на мой взгляд, заметно, что он зажигается и гаснет плавно, а не вдруг. Больше даже похоже на лампу накаливания. По моему, там применяется плавное зажигание/погасание светодиодов.

EUgeneUS
Ну нет, вибрацией и качкой это точно никак не обьяснить. Эффект очень стабильный, да его и в стоячем вагоне видно. Я подумал так: когда одна точка бежит вдоль экрана, и ты следишь за ней глазом, никакой дискретности в ее движении не ощущается совершенно. Плавность просто удивительная, хотя точно известно, что между светодиодами есть большие промежутки. Видимо, из-за плавного зажигания/погасания светодиодов мозгу удается очень хорошо интерполировать движение светящейся точки. Похоже, такой плавности можно добиться, только если плавно гасить светодиод $n$ и плавно зажигать светодиод $n+1$, это как-то и приводит к визуальному появлению "копии" каждой точки, бегущей за ней вплотную без промежутка. Т.е. добиться такой плавности движения бегущей сторки без такого удваивания не выйдет.

Кстати, случайно заметил один интересный эффект, связанный с синхронной вибрацией наблюдателя и мерцанием светодиода. Я часто бываю в силовых электрораспределительных помещениях, где много электрощитов с лампочками-индикаторами. Некоторые из них - лампы накаливания, а некоторые - светодиодные. Часто на глаз их и не отличишь. Питаются они от переменного тока. Один раз я случайно прислонился головой к двери одного электрощита (которая вибрировала на частоте 50 Гц из-за вибрации силового оборудования внутри шкафа), посмотрел в таком положении на другие электрошкафы и увидел интересную картинку: все лампочки накаливания в глазах просто расплылись (из-за вибрации глаз), а все светодиодные - остались четкими, но стали медленно "плавать" (какой-то эффект биений частот).

[Dmitriy40]

sergey zhukov в сообщении #1566245 писал(а):

Видимо, из-за плавного зажигания/погасания светодиодов мозгу удается очень хорошо интерполировать движение светящейся точки. Похоже, такой плавности можно добиться, только если плавно гасить светодиод $n$ и плавно зажигать светодиод $n+1$, это как-то и приводит к визуальному появлению "копии" каждой точки, бегущей за ней вплотную без промежутка. Т.е. добиться такой плавности движения бегущей сторки без такого удваивания не выйдет.

Это называется антиалиасинг, только не в статике, а в динамике. И да, если оно присутствует, то именно мозг и "восстанавливает" плавную картинку.

Снимите в следующий раз на камеру смартфона и изучите покадрово что и как там зажигается и гасится. Если поделитесь хорошей съёмкой, то и я бы глянул.

sergey zhukov в сообщении #1566245 писал(а):

посмотрел в таком положении на другие электрошкафы и увидел интересную картинку: все лампочки накаливания в глазах просто расплылись (из-за вибрации глаз), а все светодиодные - остались четкими, но стали медленно "плавать" (какой-то эффект биений частот).

Вот это странно, такое может быть если светодиоды включены в матрицу с динамической индикацией и реально горят лишь малую долю периода сети, но для индикаторных светодиодов такое не практикуется, они обычно включены статически, как лампы накаливания, и мигать не должны, а следовательно вести себя в такой ситуации должны как лампы накаливания.

-- 08.10.2022, 13:07 --

EUgeneUS в сообщении #1566241 писал(а):

Надо сказать, что это самый простой, но далеко не единственный способ устроить динамическую индикацию на светодиодной матрице. Есть и другие способы, в том числе, которые могут заметно улучшить качество изображения, но они требуют размещения непосредственно на матрице регистров-защелок\триггеров.

Интересно было бы послушать про другие способы, ведь в дешёвых бегущих строках обычно не ставят отдельные светодиоды (из-за огромной трудоёмкости сборки такой конструкции и соответственно себестоимости), а сразу готовые матрицы 8х8, в которых просто нет 65-ти выводов для статической индикации, только 16 для динамической. Ну и для статической индикации нужно в разы больше микросхем драйверов светодиодов, а они тоже не такие уж и дешёвые, да и место под них на плате и стоимость пайки.
Развёртку по столбцам бегущей строки никто не делает — слишком велики пиковые токи и через светодиоды, и через ключи (микросхемы драйвера), не 1:8, а 1:120. Теоретически можно каждый блок 8х8 развёртывать не по строкам, а по столбцам, объединив все столбцы групп последовательно, но это лишняя боль программисту без очевидных преимуществ.
Изредка ставят светодиоды со встроенным драйвером, которые можно объединять в длинную цепь и управлять всей цепочкой по паре проводов (а то и одному), тогда сам светодиод работает всегда в статике, но тут другая проблема: они во первых заметно дороже, во вторых отказ одного (иногда двух) в цепочке гасит всю цепочку, что заметно сказывается на надёжности всего изделия (нередко видел бегущие строки с неработающими несколькими светодиодами, практически не мешали, а вот неработающий блок или строка - это 100% в ремонт), в третьих номенклатура таких светодиодов очень невелика.

[sergey zhukov]

Dmitriy40
Возможно, я преувеличил. Четкость там вряд-ли такая уж идеальная сохраняется, но отличить одно от другого можно. Возможно, там светодиоды только половину периода горят, а лампы - полный период.

Или же это я сравнивал между собой не светодиоды и лампы накаливания, а лампы постоянного и переменного тока (на шкафах есть и лампы постоянного тока). Подзабыл уже, если честно, чем эффект объяснялся, но он точно есть.

[EUgeneUS]

Dmitriy40
Подумалось, было бы странно, чтобы такая распространённая штука, как бегущая строка не была стандартизирована.
И погуглил немного по стандартам.
1. Размер пиксела стандартизирован. Наиболее распространенный - P10, то есть 10 мм между светодиодами. Но бывают и другие, попадались P4, например.
2. Практически все панели собираются из дискретных светодиодов.
3. Управление панелями также стандартизировано. Наиболее распространенная версия стандарта на интерфейс - HUB75.
4. Управление предполагает наличие на панели сдвиговых регистров-защёлок по столбцам. И дешифратора адреса по строкам. То есть развертка всегда по строкам.
5. Количество отображаемых строк может различаться: один к 8, к 16 или к 32.
6. Бывают RGB панели, но без извращений они всего лишь 8-ми цветные. При некоторых приседаниях и увеличении частоты развертки, можно их запускать как полноцветные.

Это - "как правило" и "стандартно".

А теперь, как бывает.
Вот тут, например, некий товарищ разбирается с найденными на помойке панелями, где каждый пиксель имеет индивидуальную адресацию.

[sergey zhukov]

EUgeneUS в сообщении #1566241 писал(а):

Это в свою очередь требует повышенной яркости светодиодов при включении, так как светодиод светится только долю времени $1/N$, где $N$ - количество столбцов (или строк).

Как-то один знакомый сказал мне, что если светодиод питать импульсным током, а не постоянным, то он горит ярче (хитрость, мол, такая есть для светодиодов освещения). И дал ссылку на статью одну. А там написано примерно о том, что дальность цифровой ИК-связи можно увеличить, если уменьшить скважность импульсов на светодиод и увеличить мощность импульсов.

Если скважность импульсов уменьшать, а их мощность увеличивать так, чтобы средняя по времени тепловая энергия, выделяемая на светодиоде, оставалась постоянной, то в импульсе продолжительностью в 1 нСек можно заставить светодиод излучать на мощности и в 1 кВт (грубо говоря, если следовать этой простой линейной модели). Т.к. для цифрового канала скважность большого значения не имеет, а важна только мощность импульса, то это действительно работает. Но не для освещения, конечно. Из-за всяких нелинейностей средняя мощность свечения светодиода в импульсном режиме, скорее всего, может быть только меньше, чем в непрерывном.

[Dmitriy40]

sergey zhukov в сообщении #1566643 писал(а):

хитрость, мол, такая есть для светодиодов освещения

Это не хитрость, а непонимание отдельными личностями принципов работы (и технических решений) осветительных приборов и появляющиеся из-за этого мифы. Импульсный режим работы светодиодов вводят вовсе не по этой причине. И разумеется никакого выигрыша в освещённости он не даёт (при частотах выше десятка Гц, ниже которых мерцание/мигание страшно раздражает).
А вот в паре с достаточно быстродействующими приёмниками (вместо глаз человека) да, импульсный режим выгоднее (и не только чисто энергетически). Но всегда есть ограничения на максимальный импульсный ток, т.е. скважность нельзя загнать в небеса.

[Dmitriy40]

Был сейчас в метро, попал на светодиодную строку, причём именно на матрицах 8х8. Снять не получилось, но заметил другой интересный эффект: если сфокусировать взгляд на строке, то наклон есть, если же сфокусировать взгляд даже немного дальше, то наклон пропадает. Прочитать ничего не получается, бежит быстро, даже на буквы почти не делится, но что без наклона заметно отчётливо. Внятного объяснения у меня нет, это явно что-то с обработкой в зрительной коре и не на самом нижнем уровне, но детальнее не разбираюсь.

[Mihaylo]

Объясните, о чем речь? Наклон - это сдвиг верхней части символов на один пиксель вправо относительно нижней части?

-- 18.10.2022, 08:25 --

Можно наклон объяснять тем, что пиксели обновляются построчно с миллисекундной задержкой?
Допустим берется супер лонг интежер - 128 пикселей самой верхней линии пикселей - сдвигаются на пиксель влево и отрисовываются сразу, а не в буфер. И так далее.

А расширение символов может объясняться переходным процессом переключения светодиодов? Почему тогда только по горизонтали?

[EUgeneUS]

Вот в этом посте в ЖЖ есть две фотографии бегущей строки в вагонах московского метро, на которых все эффекты отлично видны. Фотографии можно кликнуть, тогда ЖЖ покажет оригиналы с хорошим разрешением.

Что мы видим? На фото с большими буквами:
За время экспозиции произошло следующее:

1. Начался рисоваться кадр по строкам (сверху вниз)
2. Где-то на третьей строке сверху картинка изменилась - сдвинулась на один пиксель влево.
3. Новую, сдвинутую картинку строка успела отобразить несколько раз, пока время экспозиции не закончилось. Поэтому "новая картинка" более яркая и более размытая - так как бОльшее время происходила съемка и больше накопилось тряски и дрожания.

На фото с маленькими буквами всё тоже самое, с небольшими отличиями:
1. В начале экспозиции несколько раз отрисовался кадр полностью.
2. Потом картинка сдвинулась на один пиксель влево
3. И до окончания экспозции успело отрисоваться только нижняя часть строк нового кадра\картинки.

При рассматривании фото на некотором расстоянии мы видим всё, о чем писал ТС:
1. И наклон букв.
2. И кажущееся увеличение разрешения.

[Dmitriy40]

Mihaylo в сообщении #1567013 писал(а):

переходным процессом переключения светодиодов?

Он ограничен долями микросекунды (время реакции микросхемы драйвера, сам же светодиод скорее наносекундами), потому никакого визуального проявления не имеет.

[Mihaylo]

EUgeneUS в сообщении #1567040 писал(а):

1. Начался рисоваться кадр по строкам (сверху вниз)

Наоборот, снизу вверх?

EUgeneUS в сообщении #1567040 писал(а):

На фото с маленькими буквами всё тоже самое, с небольшими отличиями:

В экспозицию с прописными и строчными буквами попали противоположные фазы отрисовки.
Прописные (большие) буквы: верхние четыре строчки сместились на пиксель влево, нижние строчки не смещались.
Строчные (маленькие) буквы: верхние четыре строчки не смещались, нижние строчки сместились.

Объяснение: в алгоритме срабатывает какое-то ветвление, которое создает маленькую, но значимую задержку ровно между отрисовками пятой и четвертой строчек. Возможно, это подгрузка очередного символа. Случайно так.

[sergey zhukov]

Я заметил, что в метро есть разные матрицы, бегущий текст на которых бывает с наклоном и без. А так же с "удвоением" разрешения и без удвоения. Шрифт тоже бывает разным (в один пиксель толщиной или в два).

Вот здесь некто тоже интересуется этим вопросом. Вывод у него такой же: из-за последовательной развертки кадра матрицы нижняя часть букв на моментальном снимке оказывается на пиксель дальше по ходу движения, чем верхняя. Он даже снял довольно детальное видео, которое можно посмотреть покадрово.

Если считать, что на каждом кадре этого видео представлен мгновенный реальный кадр изображения на матрице (нет смаза из-за длинной выдержки, нет интерференции между мерцанием светодиодов и методом формирования кадра в камере), то процесс можно описать так (на примере движения вертикальной линии):


Есть две воображаемые матрицы (красная и черная), на каждой из которых в каждый момент времени нарисована совершенно прямая вертикальная линия. В каждом следующем кадре на каждой из матриц эта линия просто переносится на пиксель вправо (момент времени обозначен 1, 2, 3 и т.д.), но на нижней (красной) матрице эта линия всегда на пиксель впереди по отношению к верхней. На всех трех рисунках нарисовано 13 положений этой линии в 13 разных моментов времени. Изображение на нашей реальной матрице (нижняя) комбинируется из двух кадров этих воображаемых матриц так, как показано на рисунке. Движение происходит слева-направо, наклон в данном случае будет влево.

На видео дело осложняется тем, что по матрице бегает сверху вниз еще какая-то темная полоса, как будто изображение строится так:


Т.е. вдоль линии разделения проходит как-бы "ничейная" полоса конечно ширины, где вообще нет изображения.

Я тоже снял видео такой матрицы в метро. В данном случае это была матрица, на которой буквы имели толщину в один пиксель и в движении имели наклон. Вот результат:


В первом кадре буквы неподвижны. Видно, что алгоритм их перемещения такой, как на рисунке выше. Интересно, что бегущий текст визуально воспринимается, как имеющий толщину в один пиксель (как на неподвижном кадре), хотя ясно видно, что в движении толщина линий всегда не менее 2-х пикселей. Так же интересно, что текст перемещается на два пикселя за раз, а не на один. Это странно. Возможно конечно, что некоторые кадры тут пропущены или смазаны.