快速響應矩陣碼對發光二極管顯示屏技術之影響

中國視聽網資訊更新時間：2013-8-5 17:09:29　編輯：溫情　[ 大中小 ]

引言

隨著發光二極管顯示屏(LED Display，以下簡稱LED顯示屏)技術發展與應用普及，對其是否能于各種應用場合完整呈現數字內容的要求隨之升高。以商業廣告之LED顯示屏為例，企業主對于如何充份利用約30秒的短暫廣告時段，呈現更多的訊息給予往來的消費者，并且成功吸引其目光，一直是企業主最困擾的。利用消費者之手機，結合快速響應矩陣碼(Quick Response Code, QR Code，以下簡稱二維碼)，無疑提供了相當好的消費者使用體驗，然而此一應用，也進一步的提高了LED顯示屏之技術門坎。

二維碼之市場趨勢

1970年代后，銷售時點情報系統(Point f sale，POS)與條形碼(Barcode)的出現(圖一)，解決了傳統零售業者沒有一個好的工具，可以統計商品銷售與庫存的問題，也使條形碼(Barcode)得以普及，但新的問題也隨之而來。問題在于條形碼(Barcode)的容量有限，條形碼(Barcode)本身代表的英文數字最多只能容納20個字。“編碼(Code)本身要是能夠含更多的信息就好了”的需求日與俱增。

圖一、Coke Coca商品條形碼(Barcode)

1994年，DENSO WAVE INCORPORATED公開了二維碼。二維碼這名稱源自快速響應矩陣碼(Quick Response Code, QR Code，以下簡稱二維碼)，又稱二維條形碼(2D Barcode)，二維碼可容納約7000個英文數字的大容量，可進行漢字處理，且讀取速度比其它編碼快10倍以上。

2002年，具有二維碼讀取功能的手機開始上市，這種包含許多信息的圖形，吸引著人們，通過讀取可以很方便地造訪手機網站，或者獲得各種優惠，因此二維碼迅速在社會上普及[1]。根據獨立研究機構Forrester Research, Inc.,調查，平均而言在美國、英國、法國、德國，有15%的消費者已經在使用手機掃描二維碼(圖二)[2]，且比例仍然持續增長。

圖二、各國手機二維碼使用率

LED顯示屏基本工作原理

LED顯示屏是以模塊所組成之顯示屏，其長寬大小分辨率可依需求任意調整，然而輸入消息源卻是固定分辨率，一般而言是經由多媒體播放軟件進行縮放，這容易使原始影像比例改變。

另LED顯示屏的基本工作原理是行掃描，陸續點亮第一行，第二行等由上至下，將一幀圖像完整呈現，此稱為靜態掃描。考慮到芯片成本與對發光亮度之需求，行掃描又分為1~32行掃描，但有顯示效果差、亮度損失較大等缺點。其中顯示效果差包括了LED顯示屏刷新率降低(圖三)。

圖三、LED顯示屏刷新率不足

二維碼于LED顯示屏之應用限制

二維碼在二維碼的顯示清晰且符合標準的情況下才可以保證穏定讀取，這在電子郵件(E-mail)、因特網(Website)等可經由液晶顯示屏(Liquid Crystal Display, LCD)顯示時，不會有任何問題。而應用在如雜志印刷、產品外包裝盒、名片等等應用時，二維碼為因應上述應用變臟、破損等，提供了糾錯功能，最多可以糾錯約30%，以確保可穏定讀取。

然而，如上述LED顯示屏行掃描基本工作原理，二維碼應用于LED顯示屏時，則容易出現以下錯誤情形，而無法讀取。

1. 三處定位圖案 (Position detection patterns)

二維碼從360〫任一方向均可快速讀，其奧秘就在于二維碼中的3處定位圖案，可以說明二維碼不受背景樣式的影響，實現快速穏定的讀取。然而在LED顯示屏效能不佳，無法實現高刷新率(室內LED顯示屏：刷新率>500Hz / 室外LED顯示屏：刷新率>1000Hz)時，三處定位圖案則無法完整呈現，因而無法有效定位(圖四)。

圖四、三處定位圖示

2. 碼元變形 (QR code whose modules are distorted)

當LED顯示屏效能不佳，無法實現高灰階(>14bit)，以及在無搭配視屏處理器進行縮小或放大時，容易導致各個碼元(Code module)變形，雖然外觀上與普通的二維碼一樣，但實際上卻很難讀取，甚至有時無法讀取。(圖五)

圖五、碼元變形圖示

二維碼應用LED顯示屏實例－「傳統開關型」

LED顯示屏依驅動芯片的不同，可區分成「傳統開關型」、「Scrambled PWM型」二種，以聚積科技芯片為例，「傳統開關型」驅動芯片包括JIX5020、MBI5024等，「傳統開關型」驅動芯片在「刷新率」、「灰階等級」及「LED燈亮度」三個效能，需進行取舍，一般應用，為得到高LED燈亮度，所以會選擇「高LED燈亮度模式」，如此即使刷新率、灰階效能變差(室內LED顯示屏：刷率頻率<500Hz / 室外LED顯示屏：刷新率<1000Hz)。二維碼應用于「高LED燈亮度模式」下，用手機進行掃描，會出現無法正確掃描的情況。

「傳統開關型」驅動芯片－低灰階、高刷新 (高刷新率模式下)

「傳統開關型」驅動芯片包括JIX5020、MBI5024等，「傳統開關型」驅動芯片在實務上，搭配控制系統，可選擇「高刷新率模式」，以1:16掃描之LED顯示屏為例，使用「傳統開關型」技術之LED驅動芯片播二維碼圖片(如圖六，左下方為原始圖像)。

現行二維碼多都都已與背景圖像進行搭配設計，但是當使用「傳統開關型」驅動芯片選擇「高刷新率模式」播放之二維碼影像時，由于灰階不足，所以使用手機在進行掃描時，

1. 二維碼中的3處定位圖案及編碼與其背景顏色混淆不清，使得二維碼無法被辨識率大幅降低

2. 因色階表示不足，拍攝出來的效果與背景圖像出現嚴重色塊，使廣告效果也大打折扣

圖六、「傳統開關型」驅動芯片－高刷新、低灰階二維碼被辨識率大幅降低

「傳統開關型」驅動芯片－高灰階、低刷新 (高灰階模式下)

「傳統開關型」驅動芯片包括JIX5020、MBI5024等，「傳統開關型」驅動芯片在實務上，搭配控制系統，可選擇「高灰階模式」，以1:16掃描之LED顯示屏為例，使用「傳統開關型」技術之LED驅動芯片播二維碼圖片(如圖七，左下方為原始圖像)。

用「傳統開關型」驅動芯片選擇「高灰階模式」播放之二維碼，由于刷新率不足，所以使用手機在進行掃描時，導致各個碼元(Code module)變形，而無法讀取。同樣的對廣告主而言，其廣告效果也相當的差。

圖七、「傳統開關型」驅動芯片－高灰階、低刷新無法正確讀取二維碼

二維碼應用LED顯示屏實例－「Scrambled PWM型」

Scrambled PWM技術，改進傳統脈波寬度調變(PWM)技術，將一個影像導通的時間分散成數個較短的導通時間，以增加整體的視覺刷新率。因此相較于「傳統開關型」驅動芯片，「Scrambled PWM型」能大幅提升「刷新率」 (室內LED顯示屏：刷新率>500Hz / 室外LED顯示屏：刷新率>1000Hz)、「LED燈亮度」與「灰階」，都能有效使二維碼辨識之正確率大幅提升。(圖八，左下方為原始圖像)