投影放映機4K技術淺談

近幾年隨著顯示技術的發(fā)展4K技術已經(jīng)不再是一個新鮮的名字，4K技術不斷豐富和充斥著我們生活中的方方面面，在近期大熱的電影行業(yè)，除了一部部票房不斷創(chuàng)出新高的國內(nèi)外大片之外，電影院對畫面的放映質量要求和觀眾的觀影感受也在不斷的提高。為了緊跟電影市場的發(fā)展步伐，作為放映技術發(fā)展的引領者和開拓者的NEC公司，也將在 2016年隆重推出，擁有3芯片DLPCinema？1.38英寸DC4K的三色激光數(shù)字放映機NC3540LS-1+。這樣就使得NEC三色激光放映機在擁有2K三色激光產(chǎn)品線的同時，又增加了一條4K三色激光產(chǎn)品線。

一、4K技術是什么

為了了解4K技術我們先說下4K的定義。4K指的是依照橫縱排列的像素數(shù)量，大家都知道傳統(tǒng)的高清畫面分辨率是1920x1080，電影行業(yè)使用的 2048x1080分辨率，以上兩種分辨率我們都稱之為2K分辨率。那么對于4K技術工程領域是3840x2160，電影行業(yè)4096x2160，這兩種我們都可以稱之為4K分辨率，當然除了分辨率還有幀率，顏色采樣率，色深等都會決定最終顯示技術形態(tài)，這些參數(shù)本文暫不做討論。

按照應用環(huán)節(jié)分類，4K技術又包括了，4K片源制作、4K播放設備、4K信號傳輸、4K顯示技術，這里我們會對4K顯示技術進行一定的了解。

二、4K顯示技術

作為投影機的顯示技術，現(xiàn)在主流的主要有三種，LCD（液晶面板顯示技術），LCOS（單晶硅反射式液晶顯示技術），DLP（數(shù)字光處理顯示技術）。目前應用在數(shù)字電影放映技術中采用最多的是DLP技術，DLP技術開發(fā)者是TI（德州儀器），NEC公司專注于為行業(yè)提供專業(yè)的顯示解決方案，NEC公司不但是TI（德州儀器）公司在全球范圍中授權產(chǎn)生DLP數(shù)字放映機三家廠商的其中一家，而且在工程、商務、教育、家用都擁有者功能多樣化、種類豐富的DLP投影機產(chǎn)品線。對于NEC的4K三色激光放映機NC3540LS-1+則采用的是三片1.38英寸的DMD芯片來顯示4K畫面，每個芯片的物理分辨率是4096x2160，三個芯片分別獨立對應一種RGB顏色中的一種。

4KDLPCinema？顯示技術中的DMD芯片擁有著有別其他顯示技術的獨特優(yōu)勢，這些優(yōu)勢也使得其可以很好的應對高亮度輸出、長時間使用、苛刻的運行環(huán)境等諸多顯示應用要求。下面我們來一一了解下。

支持高亮度

這幾年中國電影市場蓬勃發(fā)展，根據(jù)2015年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這一年中中國新增銀幕數(shù)量已經(jīng)達8035塊，市場銀幕保有總數(shù)已經(jīng)達到了31600塊。隨之而來的問題是在同一個地區(qū)影城的密度越來越大，影城和影城之間的差異化越來小，競爭也越加嚴峻。打造有特色的影城已經(jīng)成為影城面臨的新問題。為了增加影城的競爭力，體現(xiàn)差異化現(xiàn)在的影院中的銀幕尺寸正在趨于兩極化，10米以下的小尺寸銀幕對應小型廳、VIP廳、情侶廳等，這些小影廳投資成本小，建設周期短，排片更加靈活，亦可加入主題式的裝修風格，所以在有一定程度的上座率的前提下，可以使得影城的收益達到最大化。15-20米左右的大尺寸銀幕，大尺寸銀幕又類似巨幕廳，雖然投資成本大，建設周期長、維護成本高，但是大尺寸畫面的沉浸感、沉浸式音效的震撼感、高標準的畫面質量，是小影廳所無法帶來的優(yōu)勢，使得影城可以大片來臨時獲得極高的收益。影城為了在如此之大的畫面上體現(xiàn)出較高的放映品質，就必須保證一定的畫面亮度（例如DCI規(guī)范中建議的 2D@14±3fL或3D@4.38fL［1］），而且目前國內(nèi)3D片源的播放需求日益劇增，幾乎所有影院在影廳的建設標準和設備配置都會按照3D的播放要求執(zhí)行，加之現(xiàn)有影城放映間環(huán)境問題日趨凸顯放映機亮度受灰塵影響大，3D設備目前的技術還無法提供足夠的光效，低增益，廣電總局也在前段時間也發(fā)文明確了影城應當提高放映質量。基于以上原因的考慮影城一般都會選擇輸出亮度較高的放映機，從而保證畫面亮度。放映機輸出亮度越高對于芯片的耐熱和光利用率要求就越高。DMD芯片采用的金屬鋁片利用不同的偏轉角度把光反射到不同的位置實現(xiàn)畫面明暗變化，光利用方式則為全反射顯示，所以光的利用率較高，也正是由于光線絕大多數(shù)都被金屬面反射出去了，芯片上的熱量堆積就會變的很少，在配上高效的液冷散熱，使得芯片可以在高亮高溫的環(huán)境下任然可以保持一個良好運行狀態(tài)。也正是因為這點使得目前市場主流的高流明投影機（2.5萬流明或以上）采用的幾乎都是3片DLP技術。圖1為DMD芯片的工作原理示意圖［1］

圖1DMD工作原理

支持長時間連續(xù)使用 芯片壽命時間長

一般影院都是營利機構，時間對于影城來說就是利潤，在大片扎堆或節(jié)日假期的時間段，影城單個廳一天的排片總時間可以高達15個小時，有的影城甚至會推出午夜場，這種情況就要求設備一定要可以支持長時間連續(xù)使用，采用DLP技術放映機的DMD芯片首先使用的都是液冷散熱，液冷系統(tǒng)可以精確有效的對發(fā)熱源實施快速有效的散熱。其次DMD的每個像素都是一個金屬微鏡（Mirror），并且就連用來實現(xiàn)金屬微鏡（Mirror），轉動的鉸鏈（Hinge），結構也是鋁制結構，這些金屬結構使得芯片幾乎不受到熱量和紫外線老化的影響，DMD結構如下圖2［2］。最后DMD芯片利用電荷吸引與排斥可以達到每秒鐘翻轉 5000多次（通過脈沖寬度調試控制的偏轉時間占比時間不同灰階），這也是使得熱量很難長時間堆積到芯片上。以上諸多優(yōu)點讓采用DMD芯片的DLP技術可以很好的支持設備長時間連續(xù)使用。目前TI公司宣傳的DLP技術中DMD芯片的運行壽命已經(jīng)高達10萬個小時。目前影城中還有為數(shù)不少的影廳還在使用 7-8年前的第一代DLP數(shù)字電影放映機。

圖2 DMD結構示意圖

芯片防塵設計好，散熱性好，對環(huán)境的適應能力強

現(xiàn)今觀眾對于影城的觀影質量的要求越來越高，即使從來沒有接觸過技術的觀眾也會在眾多影城中挑選亮度較好的影廳觀看。那么對于影城來說如何在設備長時間運行后保證更好的觀影效果已經(jīng)變成了一個尤為重要的問題。其實畫面亮度變暗的一個最大因素就是灰塵

而且一般都是由于目前堪憂的放映間環(huán)境造成的。但從芯片的角度來看，每片DMD芯片都有著工藝成熟的金屬封裝結構，微鏡表面有一塊耐高溫高透過率的密封玻璃，這些密封設計和金屬結構，都可以使得DMD芯片即使在情況不佳的環(huán)境下，任然可以保證很好的使用壽命。圖3DMD芯片外觀示意圖

市場認可度高

縱觀全球投影機行業(yè)，采用DLP投影機已經(jīng)涉及到教育，企業(yè)政府，家庭娛樂，大型演藝娛樂、制造業(yè)，醫(yī)療等諸多領域，根據(jù)不完全統(tǒng)計，在2015年全球 1萬流明以上的投影機銷量中采用3片DLP技術投影機占比高達80%，3千-1萬流明之間3DLP投影機占比為50%左右，我們在看下電影行業(yè)截止到 2015年年底，根據(jù)不完全統(tǒng)計在市場保有量高達3多萬塊銀幕的中國電影市場中采用DLP技術的電影機保有量占比為90%左右，采用非DLP技術的電影機保有量占比不到10%。

從顯示技術類型的銷量占比來看DLP技術更加適合高流明并對應用方式和應用環(huán)境更為苛刻的高端市場。

三、4K顯示技術可以表現(xiàn)更多的內(nèi)容

采用了DMD芯片的4K顯示技術除了支持高亮度，長時間使用，防塵密封性好，市場認可度高等優(yōu)勢外，在4K顯示在畫面內(nèi)容的表現(xiàn)上遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的2K畫面。

通常如果想讓畫面顯示更多的內(nèi)容放映設備的顯示芯片就必須擁有更多的像素，每芯片上的像素都代表了畫面內(nèi)容中最小的一個顯示內(nèi)容單元（放映機芯片最小像素單元就是DMD芯片上的每個小微鏡）。我們先做一個簡單的計算，放映機的芯片是2K的話其橫縱像素就是2048x1080，共計可以用以表達顯示畫面內(nèi)容的像素數(shù)量就是2048x1080=221.2萬個

如果放映機的芯片是4K的話其橫縱像素就4096x2160共計可以用以表達顯示畫面內(nèi)容的像素數(shù)量就是4096x2160=884.7萬個。這也就意味著如果畫面內(nèi)容是4K的片源時，并且用4K放映機播放時畫面顯示的信息量會是2K 放映機播放2K畫面信息量的4倍如下圖4所示。

四、4K顯示技術可以使得畫面更加細膩

目前為止現(xiàn)今顯示技術大多都是基于人眼的視覺特性來進行設計的，其中有一項非常重要的人眼特性“視覺銳度”通常與顯示畫面的像素大小和觀看距離被一起用來描述人眼觀看畫面的細膩程度。像素尺寸大小一般取決于芯片的大小、像素數(shù)量。人眼視覺銳度（也可以理解為人眼的視力），通常與個體差異和人的年齡有關。觀看距離指的就是人眼距離與所觀看畫面的之間距離。

我們先了解下視覺銳度的概念：

眼睛分辨景物細節(jié)的能力叫視力，又叫視覺銳度（VA）。人的視網(wǎng)膜上光敏細胞間的物理距離決定了人眼分辨率的極限，當成像在黃斑區(qū)的時候，分辨率達到最高1‘角度。

通常當視角小于1’時，人眼是無法分辨的。

同時當亮度和對比度過低時，則視覺銳度隨之下降（錐狀細胞的對亮度的靈敏度低，此時主要桿狀細胞起作用）；當亮度過高時，視覺銳度不會增加，反而會有炫目感，不同的色彩對分辨率的影響也不一樣，不過要低于亮度對分辨率的影響（通常綠色對于人眼分辨率的貢獻最大），人眼對于靜止的畫面的分辨力相對于運動的畫面能力要更高（靜止畫面2-3‘，動態(tài)畫面3-4’）。

圖5D顯示畫面高度，d最小單元高度（像素高度），L觀看距離，φ畫面高度相對人眼的角度，θ單個像素高度相對人眼的角度（弧分）。

我從圖中可以看出，當人眼的視覺銳度（視力）為一個定值時像素尺寸越小，觀看距離越遠，人眼對于像素的分辨能力就越低，當像是尺寸越大，觀看距離越近，人眼對于像素的分辨能力就越高。

那么根據(jù)上面的人眼特性的原理，這樣可以得出一個觀看距離和人眼觀看到的畫面細膩程度的關系圖：

現(xiàn)行《數(shù)字電影巨幕影院技術規(guī)范》中的規(guī)定最近觀看距離為銀幕畫面寬度0.5倍，如果是2K畫面的話，每個像素相對人眼的角度為3.36‘，4K畫面以此基礎計算可得出下圖6關系。

圖6第一相同大小的銀幕4K畫面縮小了像素尺寸像素密度增加，使得畫面更加細膩。第二如像素尺寸大小相同，則人眼的觀看距離可以變得更近。

五、4K顯示技術可以讓觀眾有更好的視覺沉浸感

之前上一段文章中所提到的畫面細膩程度決定了觀看者的觀看距離，因為人的眼睛有著另一個特性視野范圍，那么這樣就不同的觀看距離就會影響到視野范圍和畫面之間的相對關系，例如由于人眼的視野范圍有限，觀看距離越近，人眼感覺到的畫面包裹感或者臨場感就越強，觀看距離越遠人眼感覺到的畫面包裹感或臨場感就越不明顯。我們結合上面的畫面細膩程度和人眼的視野范圍，圖7說明他們之間的關系。

圖7如果顯示畫面為4K分辨率時，適當?shù)臏p少觀看距離，可以大大增加人眼的觀看畫面時候的沉浸感，同時又不會產(chǎn)生畫面顆粒感。

六、4K顯示技術的應用方式

基于產(chǎn)品技術優(yōu)勢最終服務于終端市場的應用原則，4K顯示技術的畫面細節(jié)增加、畫面細膩程度提升和沉浸感增強等優(yōu)勢讓其在很多領域中都得到了很好的應用。擁有大型銀幕的電影院和主題樂園，需要多路信號，高分辨率顯示的大屏指揮監(jiān)控，需要進行高信息含量或繪制編輯的研究院、工作室等等。除了專業(yè)領域，為了應對消費類行業(yè)需求TI公司也在大力發(fā)展，小型化的4K顯示技術，縮小體積重量和成本之后4K技術也在慢慢走入家庭娛樂行業(yè)，4K技術也必將是未來顯示技術發(fā)展的一個重要趨勢。