王化鋒

摘要：文章通過對(duì)當(dāng)前數(shù)字影院系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制及技術(shù)要求的分析，探討影響LED顯示屏在數(shù)字影院中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)及尋求這些關(guān)鍵技術(shù)的解決方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字影院；版權(quán)；色度；黨度；灰度

隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字影院已成為影院系統(tǒng)的發(fā)展主流，世界三大標(biāo)準(zhǔn)組織國際標(biāo)準(zhǔn)化組織電影技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（International Organization for Standardization//Technical Committee，ISO/TC36）、數(shù)字電影倡導(dǎo)組織（Digital Cinema Initiatives，DCI）和美國電影電視工程師協(xié)會(huì)數(shù)字影院標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（Society of Motion Picture andTelevision Engineers，SMPTE DC28）相繼發(fā)布了多項(xiàng)數(shù)字影院技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，正是這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定使得數(shù)字影院技術(shù)逐步形成和完善。

LED顯示屏作為數(shù)字圖像顯示載體，隨著LED小型化技術(shù)的發(fā)展，小尺寸LED封裝產(chǎn)品技術(shù)的成熟，使得LED顯示屏在會(huì)議、指揮調(diào)度系統(tǒng)等一些室內(nèi)近視距場(chǎng)合得到廣泛使用，原有的DLP背投、

LCD液晶拼接屏市場(chǎng)，已逐步被高清LED顯示屏取代；目前能夠批量生產(chǎn)的高清LED顯示屏可以實(shí)現(xiàn)像素間距0.9 mm，9 m2的顯示面積就可以實(shí)現(xiàn)4 K的顯示分辨率，一些公司相繼推出全LED電視機(jī)，且已經(jīng)開始進(jìn)入一些高端家用市場(chǎng)。那么高清LED顯示屏是否可以在數(shù)字影院中得到很好的應(yīng)用？

1 當(dāng)前數(shù)字影院系統(tǒng)的主要技術(shù)要求

1.1 數(shù)字影院系統(tǒng)運(yùn)行流程

根據(jù)DCI DDS-V1.2規(guī)范，數(shù)字影院系統(tǒng)由片源制作系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和院線系統(tǒng)三大部分組成，如圖1所示。前兩個(gè)系統(tǒng)不是本文研究的內(nèi)容，只做簡單的概述；院線系統(tǒng)是本文關(guān)注的重點(diǎn)。

1.2 院線系統(tǒng)

數(shù)字院線系統(tǒng)是由投影機(jī)、媒介存儲(chǔ)設(shè)備、安全管理器、音響燈光和銀幕管理系統(tǒng)（Theater Management System，SMS）5個(gè)部分組成（見圖2）。銀幕管理系統(tǒng)提供人機(jī)界面控制系統(tǒng)，完成播放控制選擇、編輯播放表、開始放映、結(jié)束放映等，要求可以實(shí)現(xiàn)2K/4K的電影放映，支持3D/4D數(shù)據(jù)。

在數(shù)字影院系統(tǒng)中對(duì)版權(quán)的保護(hù)是非常重要的，將直接影響整個(gè)院線系統(tǒng)每個(gè)投資方的經(jīng)濟(jì)利益，因此對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)都要求加密處理，當(dāng)前采用數(shù)據(jù)加密和密鑰相結(jié)合的方式，院線系統(tǒng)作為數(shù)字影院系統(tǒng)的終端環(huán)節(jié)，接觸的人員廣，更易出現(xiàn)盜錄，因此播控設(shè)備的加密保護(hù)尤其重要。

高清LED顯示系統(tǒng)被應(yīng)用在院線系統(tǒng)，將涉及與觀賞直接相關(guān)的放映系統(tǒng)（2D/3D/4D）和銀幕系統(tǒng)，因此首先要分析這兩個(gè)系統(tǒng)的光學(xué)性能、電氣性能，下面重點(diǎn)對(duì)當(dāng)前影院的播放環(huán)境、圖像的光學(xué)性能要求做重點(diǎn)分析，研究和探討兩種機(jī)制的差異，找出局清LED顯7K系統(tǒng)如何才能實(shí)現(xiàn)在數(shù)字影院的完美應(yīng)用。

1.2.1 放映系統(tǒng)和銀幕系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

銀幕系統(tǒng)存在審片室和營業(yè)性電影廳兩種使用場(chǎng)合，對(duì)銀幕系統(tǒng)要求有所不同，審片室亮度色度一致性要求高于影院；SMPTE RP 431-1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)審片室和營業(yè)性影院銀幕的絕對(duì)亮度級(jí)、白點(diǎn)的色度以及電影圖像在銀幕各部位的亮度及色度一致性給出了明確的定義（見表1）。該標(biāo)準(zhǔn)希望實(shí)現(xiàn)所放映畫面的影調(diào)及反差與母版制作過程中的意圖相匹配。

對(duì)審片室與營業(yè)性影院標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：（1）環(huán)境光亮度分別為0.01 cd/m2與0.03 cd/m2。（2）銀幕必須為漫反射類型，并支持1.85：1與2.39：1兩種寬高比。（3）配光時(shí)的參考觀看距離為銀幕高度的1.5?3.5倍。

1.2.2 3D電影

隨著數(shù)字電影技術(shù)發(fā)展和觀賞需求的提高，3D/4D電影的需求和應(yīng)用將成為未來主流趨勢(shì)，以投影機(jī)作為播放設(shè)備的電影技術(shù)，除了要求播放機(jī)（2臺(tái)）具備3D/4D的播放功能外，3D電影的觀賞均需要影院配備專用的3D眼鏡，當(dāng)前數(shù)字影院都采用被動(dòng)式3D技術(shù)。

2 高清LED顯示屏如何應(yīng)用在數(shù)字影院

根據(jù)以上分析可以看出，高清LED顯示屏作為播放顯示設(shè)備被應(yīng)用在院線系統(tǒng)，它處于放映系統(tǒng)和銀幕兩個(gè)環(huán)節(jié)，最直接、快速、經(jīng)濟(jì)的方式是用LED專用播控系統(tǒng)和高清LED顯示屏取代原來的放映機(jī)（投影機(jī)系統(tǒng)）和銀幕（白幕），其他系統(tǒng)設(shè)備可以保留使用，直接替代方式如圖3所示。高清LED顯示屏影院應(yīng)用系統(tǒng)中虛線框部分。

但由于高清LED顯示屏的播控及圖像再現(xiàn)技術(shù)與目前院線放映機(jī)系統(tǒng)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上存在較大的差異，當(dāng)前數(shù)字院線系統(tǒng)是采用高亮度投影的技術(shù)路線，通過銀幕反射呈現(xiàn)圖像；而LED顯示屏是通過脈寬調(diào)制技術(shù)根據(jù)圖像的灰度級(jí)直接驅(qū)動(dòng)LED實(shí)現(xiàn)圖像再現(xiàn)還原，屬于主動(dòng)發(fā)光機(jī)制；如果采取直接替換的方式，必須要做一定的技術(shù)升級(jí)改造，才能適合當(dāng)前數(shù)字影院播放的要求。

3 高清LED顯示屏在數(shù)字影院應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

高清LED顯示屏作為數(shù)字影院電影播放載體，最重要的指標(biāo)是對(duì)母片影像內(nèi)容的真實(shí)還原、可靠性（7X12小時(shí)無故障運(yùn)行）、聲音圖像的同步，其次是版權(quán)保護(hù)。

3.1 影像的真實(shí)還原

放映影像需要真實(shí)再現(xiàn)數(shù)字母片的影像效果，以真實(shí)還原電影拍攝時(shí)希望得到的效果，這些影像效果是通過色域、灰度、亮度、亮色均勻性4個(gè)主要光學(xué)指標(biāo)來具體體現(xiàn)的，下面通過對(duì)高清LED顯示屏的色度、灰度和亮度的分析，找出其與當(dāng)前數(shù)字影院播放技術(shù)存在的差異，探究技術(shù)改善的方法。

3.1.1 色域

在影視領(lǐng)域主要有3種色彩標(biāo)準(zhǔn)，分別為Rec.2020，DCI-P3， Rec.709，其中Rec.709是國際上電影行業(yè)普遍遵循的標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足電影播放所需要的色彩，目前影院使用的投影設(shè)備基本上都是按照這個(gè)色彩標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。色坐標(biāo)對(duì)比如圖4所示。表明了LED，DLP所呈現(xiàn)的三基色坐標(biāo)與Rec.709的色域坐標(biāo)，可以清楚看出，LED顯示屏三基色的色度坐標(biāo)與Rec.709要求存在一定的差異：（1）LED色域范圍比Rec.709標(biāo)準(zhǔn)要求的大。（2）LED在紅和綠的色域可以完全覆蓋Rec.709的色域，但藍(lán)色區(qū)域與Rec.709有些偏差。（3）LED的藍(lán)色區(qū)域與目前數(shù)字影院使用的DLP投影機(jī)有些偏差。

LED顯示屏在色域上可以呈現(xiàn)更多的顏色，可以通過色空間轉(zhuǎn)換基本滿足當(dāng)前數(shù)字院線對(duì)圖像色彩的播放要求。

3.1.2 亮度

根據(jù)SMPTE RP 431-1標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字影院屏幕亮度為（48.0±10.2）nit，也就說最大亮度是58.2 nit，高清LED顯示屏亮度可以從0到600 nit，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定亮度要求，且LED顯示屏具備亮度任意調(diào)節(jié)的能力，因此，在亮度上完全滿足影院環(huán)境的使用需要[1]。

3.1.3 灰度及亮色一致性

灰度是在某一亮度下圖像顏色從黑到亮變化的量化指標(biāo)，變化的級(jí)數(shù)越多，再現(xiàn)的圖像越細(xì)膩、越清晰，對(duì)圖像細(xì)節(jié)的表現(xiàn)力更強(qiáng)，能夠呈現(xiàn)的顏色就越豐富。目前數(shù)字影院一般是按12 bits/色制作的母片，因此高清LED顯示屏必須至少具備12 bits/色的顏色表現(xiàn)能力，且需要在亮度不大于60 cd/m2環(huán)境下；也就是說要求LED顯示屏在60 cd/m2的亮度下，每種顏色具有4 096級(jí)灰度的表現(xiàn)能九就目前高清LDE顯示普遍采用的灰度處理技術(shù)存在一定的技術(shù)難度，主要因素如下。

（1）高清LED顯示屏灰度處理是采取脈寬調(diào)制（PulseWidth Modulation， PWM）技術(shù)，驅(qū)動(dòng)電路的最小灰階脈寬（13 ns）限制了低灰度級(jí)的表現(xiàn)力。

（2）影院應(yīng)用的局清LED顯7K屏必須具備不小于3 840Hz的刷新頻率，以滿足2?3小時(shí)觀賞舒適度的要求，這對(duì)高灰度級(jí)的實(shí)現(xiàn)又是一個(gè)限制。

（3）高清LED顯示屏工作亮度低，要求LED的驅(qū)動(dòng)電流小，LED小電流下的非線性特征，將對(duì)亮色一致性產(chǎn)生不良的影響，尤其對(duì)低灰圖像細(xì)節(jié)產(chǎn)生較大的破壞，將直接影響電影的觀賞效果。

（4）LED模組PCB上的寄生電容、電感的大小也將影響每個(gè)LED的工作電流，出現(xiàn)電流差異，導(dǎo)致低亮下灰度變差，這種情況在低灰度下更為突出，因此，PCB設(shè)計(jì)時(shí)必須要盡量降低寄生電容和電感。

（5）高清LED顯示屏具備像素級(jí)逐點(diǎn)亮度色度一致性校正的功能，且支持現(xiàn)場(chǎng)校正，整屏白場(chǎng)亮度一致性可以達(dá)到95%以上，白場(chǎng)色差△x≤±0.003， △y≤0.003，完全符合SMPTE RP 431-1 的要求[2]。

因此，高清LED顯示屏需要解決低亮度下灰度表現(xiàn)力較弱這一技術(shù)瓶頸，才能真正滿足數(shù)字影院的使用。

3.2 版權(quán)保護(hù)

母片版權(quán)保護(hù)是數(shù)字影院系統(tǒng)的重要核心，要求在任何環(huán)節(jié)都必須有加密措施，整個(gè)系統(tǒng)不能存在能復(fù)制拷貝的環(huán)節(jié)。LED顯示系統(tǒng)是由顯示屏（模組）、LED驅(qū)動(dòng)（掃描）、專用數(shù)據(jù)發(fā)送器、拼接處理器構(gòu)成，高清LED顯示屏工作流程如圖5所示，是目前普遍采用的控制方式，可以看出有3個(gè)主要環(huán)節(jié)可能存在泄密的可能。

（1）拼接處理器輸入環(huán)節(jié)：目前設(shè)備均是開發(fā)式結(jié)構(gòu)，無密鑰結(jié)構(gòu)，需要按DCI標(biāo)準(zhǔn)增加密鑰處理機(jī)制。

（2）拼接處理器與LED專用發(fā)送器環(huán)節(jié)：目前多采用千兆以太網(wǎng)或光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，多為無加密處理，即使做加密處理，其加密機(jī)制不符合DCI規(guī)范（ASE128加密）的要求[3]。

（3）LED專用發(fā)送器到LED驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)：由于高清LED顯示屏是由多個(gè)LED模組單元拼接組成，每個(gè)模組均有LED驅(qū)動(dòng)器（掃描卡）負(fù)責(zé)模組區(qū)域圖像的控制，驅(qū)動(dòng)器（掃描卡）之間以千兆以太網(wǎng)級(jí)聯(lián)，一般無加密處理。

基于上述分析，為滿足數(shù)字影院播控對(duì)版權(quán)的要求，必須對(duì)現(xiàn)有LED播控系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，集成式播控技術(shù)應(yīng)該是首選，內(nèi)部功能實(shí)現(xiàn)如圖6所示。要滿足影院播控的需要，集成式播控系統(tǒng)必須具備以下功能。

（1）支持AES128解密和密鑰（KEY）解鎖的功能；LED數(shù)據(jù)發(fā)送采用千兆以太網(wǎng)接口，但由于是分離式結(jié)構(gòu)，需要做link加密處理，模組單元內(nèi)的驅(qū)動(dòng)掃描卡完成解密。

（2）具備對(duì)播控系統(tǒng)內(nèi)部工作狀態(tài)及LED顯示屏幕工作狀態(tài)的監(jiān)視、診斷功能。

（3）至少配置一個(gè)千兆以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)與屏幕管理系統(tǒng)的連接，接受屏幕管理系統(tǒng)的控制。

（4）完成圖像、音頻數(shù)據(jù)標(biāo)志驗(yàn)證，具備實(shí)時(shí)解壓來自影院文件服務(wù)器的圖像數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)和字幕數(shù)據(jù)的功能；具有圖像與聲音同步的保證機(jī)制。

3.3 3D播放

作為數(shù)字影院使用，高清LED顯示屏必須具備3D電影的播放能力，就目前的眼鏡式3D技術(shù)而言，無論是被動(dòng)式偏振技術(shù)，還是主動(dòng)式快門技術(shù)，目前的LED驅(qū)動(dòng)顯示技術(shù)均可以輕松實(shí)現(xiàn)，且由于LED顯示屏的亮度及數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣葍?yōu)勢(shì)，其3D表現(xiàn)力比目前的投影方式要好很多。

眼鏡式3D技術(shù)存在一定的缺陷：（1）增加影院的運(yùn)營成本；（2）觀賞舒適度降低；（3）長時(shí)間觀看易引起惡心眩暈。

因此，裸眼3D技術(shù)應(yīng)該是未來數(shù)字影院的發(fā)展趨勢(shì)，投影播放技術(shù)不具備實(shí)現(xiàn)裸眼3D的基礎(chǔ)，但LED顯示屏屬于像素獨(dú)立驅(qū)動(dòng)主動(dòng)發(fā)光技術(shù)，具備實(shí)現(xiàn)裸眼3D顯示的物理基礎(chǔ)，隨著光柵分離技術(shù)或柱狀棱鏡分光技術(shù)的進(jìn)一步完善，高清LED顯示屏可以實(shí)現(xiàn)能夠商用的裸眼3D播放。

3.4 可靠性

高清LED顯示屏系統(tǒng)的可靠性關(guān)系到在其壽命期內(nèi)在影院環(huán)境的穩(wěn)定運(yùn)行，作為商業(yè)性運(yùn)行的數(shù)字院線，至少7×12小時(shí)無故障運(yùn)行是必須保證的，平均故障間隔時(shí)間（Mean Time Between Failure，MTBF）要求 10 000小時(shí)。一個(gè)4 K的院線LED顯示屏，將有4 096×2 160=8 847 360個(gè)像素組成，因此LED的可靠性將直接決定顯示屏系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)軍標(biāo)GJB/Z299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》對(duì)4 K分辨率LED顯示屏幕中主要器件LED的MTBF進(jìn)行評(píng)估，其失效率：λp=920X10-6/h，MTBF=1 086 h，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求的10 000小時(shí)，這個(gè)數(shù)據(jù)只是理論上的預(yù)測(cè)，根據(jù)近幾年高清LED顯示屏的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其MTBF可以達(dá)到5 000小時(shí)以上，但距離標(biāo)準(zhǔn)要求的10 000小時(shí)還有差距，主要原因是：當(dāng)前高清LED顯示屏均采用Chip-PCB封裝的LED，Chip—PCB LED物理尺寸只有 1.0 mm×l.O mm，以PCB為基板，內(nèi)置RGB芯片和電極引線等金屬材料，外部環(huán)氧樹脂密封，在電流的作用下，這些金屬離子會(huì)出現(xiàn)一定離子漂移，LED在使用一段時(shí)間之后，易發(fā)生內(nèi)部短路，形成顏色亮條現(xiàn)象或LED失效，直接影響觀看效果。

因此，LED的可靠性將成為影響高清LED大屏幕在數(shù)字影院應(yīng)用的核心因素，提高Chip-PCB型LED的可靠性是當(dāng)務(wù)之急。

4 結(jié)語

根據(jù)上面的研究分析，高清LED顯示屏在數(shù)字影院應(yīng)用還存在一定的技術(shù)缺陷，無法完全替代投影技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)商業(yè)影院的應(yīng)用，在以下技術(shù)上必須有所突破。

（1）可靠性方面，尤其是Chip-PCB型LED的耐候性，這是目前高清LED顯示屏的主要技^瓶頸，很多LED制造商正在通過改良封裝材料的耐候性、壓焊幫定工藝等措施，提高LED的可靠性；COB技術(shù)、MicroLED在耐候性方面有一定的優(yōu)勢(shì)，如果COB封裝能夠解決一次良品率和亮色一致性的瓶頸，應(yīng)該是不錯(cuò)的選擇。

（2）低亮度下灰度的表現(xiàn)力，通過提高驅(qū)動(dòng)電路的速率和通道電流的精度、降低PCB上的寄生電容電感和提高模組散熱的均勻性，可以較好地解決目前高清LED顯示屏在低亮度下灰度表現(xiàn)差的問題；

（3）投資成本偏高，高清LED顯示系統(tǒng)的成本比目前投影技術(shù)要高很多，雖然其壽命長，但初期投資高，需要降低其成本，否則即使上述技術(shù)得到解決，投資也將制約其在數(shù)字影院的推廣應(yīng)用。

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