一种用于夜视训练的LED屏

本发明属于视景显示系统，更为具体地讲，涉及一种用于夜视训练的led屏。

背景技术：

1、模拟训练或模拟仿真即是通过软件建模、硬件仿制或两者结合而搭建起的一种与真实环境接近的模拟训练平台，为受训者提供一种逼真的训练环境，以达到快速训练，多人同时训练和多任务训练等目的的一种方法或手段。尤其在军事领域，如飞行模拟器、战车模拟器和舰船模拟器等通过在地面或厂房构造了一个虚拟环境，以此来复现真实飞机在空中飞行、战车在各种路面行驶、舰船在江海航行的动态过程，不仅提供逼真的视觉、力感、声音、运动感觉，而且可以模拟飞机、战车和舰船上任何可能出现的故障和危险环境。因此，一种先进的模拟器不仅可以节约大量的训练时间，降低训练成本，提高训练效果，而且还可以模拟各种真实训练无法训练到的突发或危险情况等，从而使得训练模拟器越来越受到重视并被广泛应用。

2、一套先进的模拟器系统集成了仿真计算机及仿真模型、视景显示系统、运动系统、音响系统、操纵负荷系统等，视景显示系统作为其中最核心的组成部分之一，主要功能是为受训者提供一种逼真的视景场景，让其获得一种身临其境的视觉感受，因此，其显示清晰度、显示亮度及对比度、显示视场角及动态响应速度等技术指标直接决定了视景显示系统的性能。目前针对视景显示系统的研制和生产主要有基于平板显示技术的拼接大屏，基于投影显示技术的拼接幕以及最新的基于led显示技术的拼接幕。由于基于平板显示的拼接大屏视场有限，且存在较大的拼接缝隙以致受训者获得的视觉感受不佳，但是由于其低廉的价格和易实现的优点，在低端模拟器方面仍然拥有较大市场，而在高端模拟器上，基于投影显示技术和基于led显示技术的视景显示系统仍然是主流。

3、但是，目前的视景显示系统主要专注于白天场景的模拟和展示，而对夜晚场景的模拟和仿真却很少，尤其是对需要佩戴夜视设备才能观看到的夜视场景的模拟和仿真更少。因为人眼能够感知的光波长在400nm—700nm之间，夜晚情况下该波长范围内的光特别弱以致人眼无法感知到其存在从而获得漆黑感的视觉感受，此时就需要借助相应的夜视设备才能观察到夜晚场景，常见的微光夜视仪就是一种可以对波长在450nm-930nm范围的微弱光放大15000倍以上并以灰度图像方式呈现的一种设备，因其可以在夜晚帮助人眼展示看不到的光谱，也使得微光夜视仪在军事领域应用极为广泛。因此，在夜视模拟训练领域，为了更加逼真模拟夜视场景，通常都会戴夜视仪进行模拟训练，这也就对视景显示设备提出了特殊的需求，即视景显示设备需要适配夜视仪探测要求，一方面视景显示设备发射光谱要在夜视仪探测光谱范围内，另一方面视景显示设备要求低亮度，避免因光强太强损坏夜视仪，最后因夜视仪只能显示单色的灰度图像，因此要求视景显示设备拥有高对比度，高动态范围。也正是这些技术难点的存在，因此专注于夜视模拟训练用的视景显示设备的研究非常少。

4、公开号为cn 112255839 a的中国专利文献公开了一种夜视仪模拟训练用的液晶显示方法，根据液晶屏的透过率曲线，在普通的白色led光源加750nm后截止的滤色片，同时一路增加匹配模拟夜晚星空环境光谱的特殊背光光源，并通过控制其光谱、功率，保证显示器在相对夜视仪的辐射光谱总能量与实际夜空相对夜视仪的辐射光谱总能量接近，从而实现模拟真实夜空的显示效果；确保在目视观察液晶显示器与自然界夜空观察效果相近的同时，夜视仪观察液晶显示器的光谱与夜视仪观察自然界夜空的光谱相近。该发明通过模拟图像的设计控制，可以模拟形式不同的夜晚天空照明条件下的环境，提高训练效果。公开号为cn 110515262 a的中国专利文献公开了一种具有夜视功能的投影系统，包括激光光源、量子点板、菲涅尔透镜、dlp芯片、投影镜头、夜视led和合成器，所述激光光源发出的光依次通过量子点板、菲涅尔透镜后照射到dlp芯片上，通过dlp芯片上的dmd微阵列镜片，旋转a度后抵达投影镜头，所述夜视led发出的光通过合成器，照射到dlp芯片上，通过dlp芯片上的dmd微阵列镜片，旋转b度后抵达投影镜头。该发明投影系统不仅满足了投影显示与飞机夜视成像系统的兼容性等要求，同时降低了整体液晶显示设备的成本，且增加了可靠性。公开号为cn 111711808 a的中国专利文献公开了一种夜视成像装置，包括：光源模块、调光模块、视频处理模块、数字微镜器件和控制模块；光源模块用于产生光线；调光模块与光源模块连接，用于调节光源模块输出的光线亮度；视频处理模块用于接收夜视场景第一图像信号，并将夜视场景第一图像信号转换为夜视场景第二图像信号；控制模块分别与视频处理模块及数字微镜器件连接，用于根据夜视场景第二图像信号控制数字微镜器件进行偏转；数字微镜器件设置在光源模块的光路上，用于在控制模块控制的偏转角度下对光源模块输出的光线进行反射，形成影像光源。该装置可为夜视仪提供接近真实的微光夜视场景的激励信号，可用于显示夜间微光条件下的模拟视景。

5、这三篇公开的专利文献中，专利cn 112255839 a是在传统的液晶平板显示上额外增加适用于夜视环境的背光光源来实现夜视显示功能，专利cn 110515262a与cn111711808 a则是对现有投影显示技术进行升级改进，也是通过额外增加新的夜视用光源来实现夜视场景显示功能。但是，由于平板显示技术与投影显示技术都属于被动显示技术，其显示对比度较低，因此，即使通过增加夜视光源来增加夜视显示功能，两种设备的夜视显示对比度都较低，再加之夜视图像通常为单色图像，较低的对比度会使图像看起来较模糊，较难识别细节，从而降低显示质量。同时，基于液晶平板的夜视视景显示系统通常视场较小，且拼接缝隙较大，因此给人的沉浸感较弱，基于投影的夜视视景显示系统可获得较大的视场和较强的沉浸感，但是存在多通道图像拼接、融合和校正，视频处理系统较复杂。

6、另外，目前基于led显示屏的驱动都基于pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)技术输出不同的占空比的脉冲来实现图像的灰度显示功能，这里的显示灰度实际上是led亮度的量化体现，而显示屏的亮度又与扫描周期内pwm脉冲高电平时间成正比，对于目前室外led显示屏亮度都在2000cd/m2以上和室内led显示屏亮度都在1000cd/m2以上的高亮度驱动情况，通过加长扫描驱动时间进而使得pwm脉冲高电平时间足够长来实现，这种情况下也使得一个扫描周期内pwm脉冲可以被细分成更多份，led可表现的亮度信息也更多，因此也可以表现出图像更多的灰度层次，这也是高亮显示屏可以实现更多灰度层次显示的原理。相反，若显示屏最大显示亮度只有10cd/m2，为了实现低亮度，整个扫描时间要求缩短且一个扫描周期内pwm脉冲受限于驱动芯片引脚的开关特性也不能无限细分，从而使得图像显示的灰度层次低，图像模糊。总结而言，采用基于led显示技术设计满足夜视仪可探测的视景显示系统会面临几个问题：一是led优势是亮度高，而太高的亮度会严重损伤夜视仪；二是由于led均采用pwm驱动方式，降低led亮度会使图像灰度损失严重，而夜视仿真通常显示夜晚场景，图像本身灰度细节就缺失，再加之led显示驱动因素会导致夜晚场景图像显示更模糊，细节丢失以及对比度降低；三是由于led均采用pwm驱动方式，降低led亮度会使图像刷新率降低，采用分时提高图像灰度的方法会使得屏幕闪烁严重，从而影响最终使用效果。因此，针对采用led设计实现满足夜视仪探测的视景显示系统仍然面临的这些问题。

7、因此，一种能够提供夜视仪可探测、高对比度、高动态范围以及强沉浸感的夜视模拟训练用的视景显示系统是本领域人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，为了实现一种夜视仪可探测，且具有高对比度和高动态范围显示功能的视景显示系统，提供一种用于夜视训练的led屏，实现led低亮情况下显示高灰度图像，同时又不影响视频图像的显示刷新率。

2、为实现上述发明目的，本发明一种用于夜视训练的led屏，其特征在于，包括：

3、呈阵列排列的多个显示箱体和固定显示箱体的结构件，显示箱体安装完成后组成led屏；

4、所述显示箱体包括呈阵列排列的多个显示模块、驱动模块和箱体结构件；

5、其中，所述显示模块又包括：安装于显示模块正面的呈阵列排列的多颗led灯珠、安装于显示模块背面的扫描驱动芯片、存储数据参数的flash芯片、可磁吸安装于箱体结构件上的铁片，铁片通过焊接方式固定于显示模块上，从而将显示模块吸附在箱体结构件上；最后各个显示模块通过各自信号接口连接到驱动模块；

6、所述驱动模块能够接收多种接口的视频信号，并设置有flash芯片，用于存储显示箱体分辨率、箱体坐标位置和灰度映射级数；

7、驱动模块能够接收多种接口的视频信号，并对接收的视频信号进行解码，再将解码后的彩色图像转换成灰度图像；接着，驱动模块再根据led灯珠的灯芯分布情况，对灰度图像的灰度值进行重映射，使其达到小数级灰度，再将小数级灰度重新映射为整数级灰度，然后将整数级灰度图像转换成控制指令发送给显示模块，显示模块上的扫描驱动芯片根据控制指令调整控制led灯珠的脉宽调制参数，从而实现led显示相应的灰度；

8、所述箱体结构件用于固定显示模块和驱动模块；驱动模块通过螺钉固定在箱体结构内部，箱体结构件的表面设置了磁铁，位置与显示模块上铁片位置对应，实现了显示模块的磁吸吸附安装；箱体结构件的四周具备快锁装置，实现各个显示箱体间的快速安装和拆卸。

9、本发明的发明目的是这样实现的：

10、本发明基本原理是采用led显示技术设计开发一种用于夜视训练的led屏，选用可发射红、绿、蓝或红外光波段的led灯珠作为led屏最小显示单元，实现led屏发射光谱满足微光夜视仪可探测范围；通过多灯芯的特殊led灯珠设计及相应的驱动技术开发，通过物理减光和多灯芯扩展灰度方法，使led屏在极低亮度显示状态下依然具备高灰度图像显示功能，实现led屏显示亮度满足微光夜视仪可探测范围的情况下还具备高灰度和高对比度图像显示功能。

11、同时，本发明一种用于夜视训练的led屏还具有以下有益效果：

12、(1)、通过对一个led灯珠进行多灯芯设计，并利用混光原理，在物理上实现了led灯珠对图像灰度的扩展，有效改善了led屏在极低亮度显示时图像灰度损失严重的问题；同时，这种多灯芯扩展灰度显示的方法还可有效解决软件分时扫描算法扩展灰度的方法对时间的消耗，即还可有效改善了led屏在极低亮度显示闪烁的问题。

13、(2)、通过对一个led灯珠进行均光设计，可有效改善单led灯珠中多灯芯的混光效果，也可避免单led灯珠显示多像素点的问题；通过对一个led灯珠进行减光设计，可以从物理上降低led屏的显示亮度，一方面可以实现led屏的极低亮度显示，另一方面也可实现在同等显示亮度条件下，降低驱动带来的灰度损失。

14、(3)、通过对led屏驱动架构及驱动的改进，实现了在不改变视频源的前提下实现了彩色图像转换为满足夜视仪探测的单色图像，并且可根据led灯珠的灯芯设计情况快速调整灰度值的重映射并实现led的驱动，最终实现led屏低亮高灰显示；同时，该驱动架构极大简化了传统led屏中视频发送设备连接视频接收卡的架构，没有复杂的连接关系，没有视频接口与网络接口的转换，而是只需一根视频线缆就可实现整个led屏中显示箱体的级联和驱动控制，不仅减少了设备使用量，也提高了系统的可靠性和稳定性。