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高清LED显示屏数字影院应用的关键技术
ZOBO卓邦-高清LED显示屏数字影院应用的关键技术

文章详情:通过对当前数字影院系统运行机制及技术要求的分析,探讨影响LED显示屏在数字影院中应用的关键技术及寻求这些关键技术的解决方法。高清LED显示屏在数字影院应用还存在一定的技术缺陷,无法完全替代投影技术,要实现商业影院的应用,在以下技术上必须有所突破。

内容详情 / Details of the content

  本文通过对当前数字影院系统运行机制及技术要求的分析,探讨影响LED显示屏在数字影院中应用的关键技术及寻求这些关键技术的解决方法。随着数字技术的飞速发展,数字影院已成为影院系统的发展主流,世界三大标准组织国际标准化组织电影技术标准委员会(International Organization for Standardization//Technical Committee,ISO/TC36)、数字电影倡导组织(Digital Cinema Initiatives,DCI)和美国电影电视工程师协会数字影院标准委员会(Society of Motion Picture andTelevision Engineers,SMPTE DC28)相继发布了多项数字影院技术标准和规范,正是这些标准和规范的制定使得数字影院技术逐步形成和完善。

  LED显示屏作为数字圖像显示载体,随着LED小型化技术的发展,小尺寸LED封装产品技术的成熟,使得LED显示屏在会议、指挥调度系统等一些室内近视距场合得到广泛使用,原有的DLP背投、LCD液晶拼接屏市场,已逐步被高清LED显示屏取代;目前能够批量生产的高清LED显示屏可以实现像素间距0.9 mm,9 m2的显示面积就可以实现4 K的显示分辨率,一些公司相继推出全LED电视机,且已经开始进入一些高端家用市场。那么高清LED显示屏是否可以在数字影院中得到很好的应用?

  一、当前数字影院系统的主要技术要求

  1、数字影院系统运行流程

  根据DCI DDS-V1.2规范,数字影院系统由片源制作系统、传输系统和院线系统三大部分组成。前两个系统不是本文研究的内容,只做简单的概述;院线系统是本文关注的重点。

  2、院线系统

  数字院线系统是由投影机、媒介存储设备、安全管理器、音响灯光和银幕管理系统(Theater Management System,SMS)5个部分组成。银幕管理系统提供人机界面控制系统,完成播放控制选择、编辑播放表、开始放映、结束放映等,要求可以实现2K/4K的电影放映,支持3D/4D数据。

  在数字影院系统中对版权的保护是非常重要的,将直接影响整个院线系统每个投资方的经济利益,因此对每个环节都要求加密处理,当前采用数据加密和密钥相结合的方式,院线系统作为数字影院系统的终端环节,接触的人员广,更易出现盗录,因此播控设备的加密保护尤其重要。

  高清LED显示系统被应用在院线系统,将涉及与观赏直接相关的放映系统(2D/3D/4D)和银幕系统,因此首先要分析这两个系统的光学性能、电气性能,下面重点对当前影院的播放环境、图像的光学性能要求做重点分析,研究和探讨两种机制的差异,找出局清LED显7K系统如何才能实现在数字影院的完美应用。

  (1)放映系统和银幕系统主要技术参数

  银幕系统存在审片室和营业性电影厅两种使用场合,对银幕系统要求有所不同,审片室亮度色度一致性要求高于影院;SMPTE RP 431-1标准对审片室和营业性影院银幕的绝对亮度级、白点的色度以及电影图像在银幕各部位的亮度及色度一致性给出了明确的定义。该标准希望实现所放映画面的影调及反差与母版制作过程中的意图相匹配。

  对审片室与营业性影院标准规定:(1)环境光亮度分别为0.01 cd/m2与0.03 cd/m2。(2)银幕必须为漫反射类型,并支持1.85:1与2.39:1两种宽高比。(3)配光时的参考观看距离为银幕高度的1.5〜3.5倍。

  (2)3D电影

  随着数字电影技术发展和观赏需求的提高,3D/4D电影的需求和应用将成为未来主流趋势,以投影机作为播放设备的电影技术,除了要求播放机(2台)具备3D/4D的播放功能外,3D电影的观赏均需要影院配备专用的3D眼镜,当前数字影院都采用被动式3D技术。

高清LED显示屏数字影院应用的关键技术研究

  二、高清LED显示屏如何应用在数字影院

  根据以上分析可以看出,高清LED显示屏作为播放显示设备被应用在院线系统,它处于放映系统和银幕两个环节,最直接、快速、经济的方式是用LED专用播控系统和高清LED显示屏取代原来的放映机(投影机系统)和银幕(白幕),其他系统设备可以保留使用,直接替代方式。高清LED显示屏影院应用系统中虚线框部分。

  但由于高清LED显示屏的播控及图像再现技术与目前院线放映机系统在技术实现上存在较大的差异,当前数字院线系统是采用高亮度投影的技术路线,通过银幕反射呈现图像;而LED显示屏是通过脉宽调制技术根据图像的灰度级直接驱动LED实现图像再现还原,属于主动发光机制;如果采取直接替换的方式,必须要做一定的技术升级改造,才能适合当前数字影院播放的要求。

  三、高清LED显示屏在数字影院应用的关键技术

  高清LED显示屏作为数字影院电影播放载体,最重要的指标是对母片影像内容的真实还原、可靠性(7X12小时无故障运行)、声音图像的同步,其次是版权保护。

  1、影像的真实还原

  放映影像需要真实再现数字母片的影像效果,以真实还原电影拍摄时希望得到的效果,这些影像效果是通过色域、灰度、亮度、亮色均匀性4个主要光学指标来具体体现的,下面通过对高清LED显示屏的色度、灰度和亮度的分析,找出其与当前数字影院播放技术存在的差异,探究技术改善的方法。

  (1)色域

  在影视领域主要有3种色彩标准,分别为Rec.2020,DCI-P3, Rec.709,其中Rec.709是国际上电影行业普遍遵循的标准,能够满足电影播放所需要的色彩,目前影院使用的投影设备基本上都是按照这个色彩标准设计。色坐标对比如图4所示。表明了LED,DLP所呈现的三基色坐标与Rec.709的色域坐标,可以清楚看出,LED显示屏三基色的色度坐标与Rec.709要求存在一定的差异:(1)LED色域范围比Rec.709标准要求的大。(2)LED在红和绿的色域可以完全覆盖Rec.709的色域,但蓝色区域与Rec.709有些偏差。(3)LED的蓝色区域与目前数字影院使用的DLP投影机有些偏差。

  LED显示屏在色域上可以呈现更多的颜色,可以通过色空间转换基本满足当前数字院线对图像色彩的播放要求。

  (2)亮度

  根据SMPTE RP 431-1标准数字影院屏幕亮度为(48.0±10.2)nit,也就说最大亮度是58.2 nit,高清LED显示屏亮度可以从0到600 nit,远大于标准规定亮度要求,且LED显示屏具备亮度任意调节的能力,因此,在亮度上完全满足影院环境的使用需要。

  (3)灰度及亮色一致性

  灰度是在某一亮度下图像颜色从黑到亮变化的量化指标,变化的级数越多,再现的图像越细腻、越清晰,对图像细节的表现力更强,能够呈现的颜色就越丰富。目前数字影院一般是按12 bits/色制作的母片,因此高清LED显示屏必须至少具备12 bits/色的颜色表现能力,且需要在亮度不大于60 cd/m2环境下;也就是说要求LED显示屏在60 cd/m2的亮度下,每种颜色具有4 096级灰度的表現能九就目前高清LDE显示普遍采用的灰度处理技术存在一定的技术难度,主要因素如下。

  (a)高清LED显示屏灰度处理是采取脉宽调制(PulseWidth Modulation, PWM)技术,驱动电路的最小灰阶脉宽(13 ns)限制了低灰度级的表现力。

  (b)影院应用的局清LED显7K屏必须具备不小于3 840Hz的刷新频率,以满足2〜3小时观赏舒适度的要求,这对高灰度级的实现又是一个限制。

  (c)高清LED显示屏工作亮度低,要求LED的驱动电流小,LED小电流下的非线性特征,将对亮色一致性产生不良的影响,尤其对低灰图像细节产生较大的破坏,将直接影响电影的观赏效果。

  (d)LED模组PCB上的寄生电容、电感的大小也将影响每个LED的工作电流,出现电流差异,导致低亮下灰度变差,这种情况在低灰度下更为突出,因此,PCB设计时必须要尽量降低寄生电容和电感。

  (e)高清LED显示屏具备像素级逐点亮度色度一致性校正的功能,且支持现场校正,整屏白场亮度一致性可以达到95%以上,白场色差△x≤±0.003, △y≤0.003,完全符合SMPTE RP 431-1 的要求。

  因此,高清LED显示屏需要解决低亮度下灰度表现力较弱这一技术瓶颈,才能真正满足数字影院的使用。

  2、版权保护

  母片版权保护是数字影院系统的重要核心,要求在任何环节都必须有加密措施,整个系统不能存在能复制拷贝的环节。LED显示系统是由显示屏(模组)、LED驱动(扫描)、专用数据发送器、拼接处理器构成,高清LED显示屏工作流程如图5所示,是目前普遍采用的控制方式,可以看出有3个主要环节可能存在泄密的可能。

  (1)拼接处理器输入环节:目前设备均是开发式结构,无密钥结构,需要按DCI标准增加密钥处理机制。

  (2)拼接处理器与LED专用发送器环节:目前多采用千兆以太网或光纤实现数据的传输,多为无加密处理,即使做加密处理,其加密机制不符合DCI规范(ASE128加密)的要求。

  (3)LED专用发送器到LED驱动环节:由于高清LED显示屏是由多个LED模组单元拼接组成,每个模组均有LED驱动器(扫描卡)负责模组区域图像的控制,驱动器(扫描卡)之间以千兆以太网级联,一般无加密处理。

  基于上述分析,为满足数字影院播控对版权的要求,必须对现有LED播控系统进行改造升级,集成式播控技术应该是首选。要满足影院播控的需要,集成式播控系统必须具备以下功能。

  (1)支持AES128解密和密钥(KEY)解锁的功能;LED数据发送采用千兆以太网接口,但由于是分离式结构,需要做link加密处理,模组单元内的驱动扫描卡完成解密。

  (2)具备对播控系统内部工作状态及LED显示屏幕工作状态的监视、诊断功能。

  (3)至少配置一个千兆以太网接口实现与屏幕管理系统的连接,接受屏幕管理系统的控制。

  (4)完成图像、音频数据标志验证,具备实时解压来自影院文件服务器的图像数据、音频数据和字幕数据的功能;具有图像与声音同步的保证机制。

  3、3D播放

  作为数字影院使用,高清LED显示屏必须具备3D电影的播放能力,就目前的眼镜式3D技术而言,无论是被动式偏振技术,还是主动式快门技术,目前的LED驱动显示技术均可以轻松实现,且由于LED显示屏的亮度及数据传输的速度优势,其3D表现力比目前的投影方式要好很多。

  眼镜式3D技术存在一定的缺陷:(1)增加影院的运营成本;(2)观赏舒适度降低;(3)长时间观看易引起恶心眩晕。

  因此,裸眼3D技术应该是未来数字影院的发展趋势,投影播放技术不具备实现裸眼3D的基础,但LED显示屏属于像素独立驱动主动发光技术,具备实现裸眼3D显示的物理基础,随着光栅分离技术或柱状棱镜分光技术的进一步完善,高清LED显示屏可以实现能够商用的裸眼3D播放。

  4、可靠性

  高清LED显示屏系统的可靠性关系到在其寿命期内在影院环境的稳定运行,作为商业性运行的数字院线,至少7×12小时无故障运行是必须保证的,平均故障间隔时间(Mean Time Between Failure,MTBF)要求 10 000小时。一个4 K的院线LED显示屏,将有4 096×2 160=8 847 360个像素组成,因此LED的可靠性将直接决定显示屏系统的稳定运行。

  根据军标GJB/Z299C—2006《电子设备可靠性预计手册》对4K分辨率LED显示屏幕中主要器件LED的MTBF进行评估,其失效率:λp=920X10-6/h,MTBF=1 086 h,远小于标准要求的10 000小时,这个数据只是理论上的预测,根据近几年高清LED显示屏的实际运行数据统计,其MTBF可以达到5 000小时以上,但距离标准要求的10 000小时还有差距,主要原因是:当前高清LED显示屏均采用Chip-PCB封装的LED,Chip—PCB LED物理尺寸只有 1.0 mm×l.O mm,以PCB为基板,内置RGB芯片和电极引线等金属材料,外部环氧树脂密封,在电流的作用下,这些金属离子会出现一定离子漂移,LED在使用一段时间之后,易发生内部短路,形成颜色亮条现象或LED失效,直接影响观看效果。

  因此,LED的可靠性将成为影响高清LED大屏幕在数字影院应用的核心因素,提高Chip-PCB型LED的可靠性是当务之急。

  四、结语

  根据上面的研究分析,高清LED显示屏在数字影院应用还存在一定的技术缺陷,无法完全替代投影技术,要实现商业影院的应用,在以下技术上必须有所突破。

  (1)可靠性方面,尤其是Chip-PCB型LED的耐候性,这是目前高清LED显示屏的主要技^瓶颈,很多LED制造商正在通过改良封装材料的耐候性、压焊帮定工艺等措施,提高LED的可靠性;COB技术、MicroLED在耐候性方面有一定的优势,如果COB封装能够解决一次良品率和亮色一致性的瓶颈,应该是不错的选择。

  (2)低亮度下灰度的表现力,通过提高驱动电路的速率和通道电流的精度、降低PCB上的寄生电容电感和提高模组散热的均匀性,可以较好地解决目前高清LED显示屏在低亮度下灰度表现差的问题;

  (3)投资成本偏高,高清LED显示系统的成本比目前投影技术要高很多,虽然其寿命长,但初期投资高,需要降低其成本,否则即使上述技术得到解决,投资也将制约其在数字影院的推广应用。