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LED ディスプレイの階調レベルと階調原理

階調とは何か：階調とは、いわゆる階調レベルやグレイスケールとも呼ばれ、ある色彩が明るさの程度で浅い色から濃い色まで何段階に分けられるかを指します。また、中間調（Half - tone）とも呼ばれ、主に画像の送信に用いられます。16段階、32段階、64段階の3種類の方式があり、マトリックス処理方式を用いてファイルのピクセルを16段階、32段階、64段階の階調に処理し、送信する画像をより鮮明にします。デジタル化されたディスプレイ技術を使用する場合、階調は表示可能な色数の決定要因となります。一般的に、階調が高ければ高いほど、表示される色彩が豊かになり、画面もより細かく、豊かなディテールを表現しやすくなります。

グレースケール画像は、黒から白まで256段階のグレースケール階調またはレベルを持つ単色画像です。この画像の各ピクセルは8ビットのデータで表されるため、ピクセル値は黒と白の間の256種類のグレースケールのうちの1つになります。この画像にはグレースケールレベルのみがあり、色の変化はありません。Photoshopでは、グレースケール画像は一種のカラーチャネルを持つデジタル画像として扱われます。

グレースケールレベルは主にシステムのアナログ - デジタル変換のビット数に依存します。もちろん、システムのビデオ処理チップ、メモリ、および伝送システムも対応するビット数のサポートを提供する必要があります。現在、LEDディスプレイで主に採用されているのは以下の通りです。

一、8ビット処理システム、つまり256（2の8乗）段階のグレースケールです。簡単に言えば、黒から白まで256種類の輝度変化があります。

二、10ビット処理システム、つまり1024（2の10乗）段階のグレースケールです。簡単に言えば、黒から白まで1024種類の輝度変化があります。

三、12ビット処理システム、つまり4096（2の12乗）段階のグレースケールです。簡単に言えば、黒から白まで4096種類の輝度変化があります。

四、14ビット処理システム、つまり16384（2の14乗）段階のグレースケールです。簡単に言えば、黒から白まで16384種類の輝度変化があります。

LEDディスプレイのLED階調を制御する方法

一つは、LEDを流れる電流を変える方法です。一般的にLEDチップは連続動作電流を20ミリアンペア程度許容しており、赤色LEDを除いて他のLEDの輝度は基本的に流れる電流に比例します。もう一つの方法は、人間の視覚の惰性を利用して、パルス幅変調方式を用いて階調制御を実現する方法です。つまり、光パルスの幅を周期的に変えます。この繰り返し点灯周期が十分短ければ、人の目は発光ピクセルの揺れを感じません。パルス幅変調はデジタル制御に適しているため、今日ではマイクロコンピュータを普遍的に用いてLED表示内容を提供する場合、ほとんどすべてのLEDディスプレイはパルス幅変調を用いて階調レベルを制御しています。

LEDの制御システムは通常、メインコントロールボックス、スキャンボード、および表示制御装置の三大部分で構成されています。メインコントロールボックスはコンピュータのディスプレイカードから一画面分のピクセルの各色輝度データを取得し、次にそれをいくつかのスキャンボードに再分配します。各スキャンボードはLEDディスプレイ上のいくつかの行を制御する役割を果たし、各行のLEDの表示制御信号はシリアル方式で伝送されます。現在、表示制御信号をシリアル伝送する方式には二種類あります。

一つは、スキャンボード上で各ピクセル点の階調を集中制御する方式です。スキャンボードは制御ボックスからの各行のピクセルの輝度値を分解し、次に各行のLEDの点灯信号をパルス形式（点灯は1、消灯は0）で行ごとにシリアル方式で対応するLEDに伝送し、その点灯・消灯を制御します。この方式は部品を少なく使用できますが、シリアル伝送されるデータ量が大きくなります。なぜなら、繰り返し点灯する周期内で、各ピクセルが16段階の階調では16個のパルスを、256段階の階調では256個のパルスを必要とするからです。部品の動作周波数の制限により、一般的にはLEDディスプレイを16段階の階調までしか実現できません。

もう一つの方法は、スキャンボードがシリアル伝送する内容が各LEDのオン・オフ信号ではなく、8ビットの2進数の輝度値である方式です。各LEDは自身のパルス幅変調器を持ち、点灯時間を制御します。このようにすると、繰り返し点灯する周期内で、各ピクセル点が16段階の階調では4個のパルスを、256段階の階調では8個のパルスを必要とするだけで、シリアル伝送周波数を大幅に低減できます。このような分散制御によるLED階調制御方法を用いれば、256段階の階調制御を容易に実現できます。