投影放映機4K技術(shù)淺談

近幾年隨著(zhù)顯示技術(shù)的發(fā)展4K技術(shù)已經(jīng)不再是一個(gè)新鮮的名字，4K技術(shù)不斷豐富和充斥著(zhù)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 )出新高的國內外大片之外，電影院對畫(huà)面的放映質(zhì)量要求和觀(guān)眾的觀(guān)影感受也在不斷的提高。為了緊跟電影市場(chǎng)的發(fā)展步伐，作為放映技術(shù)發(fā)展的引領(lǐng)者和開(kāi)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(xiàn)的同時(shí)，又增加了一條4K三色激光產(chǎn)品線(xiàn)。

一、4K技術(shù)是什么

為了了解4K技術(shù)我們先說(shuō)下4K的定義。4K指的是依照橫縱排列的像素數量，大家都知道傳統的高清畫(huà)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(chēng)之為2K分辨率。那么對于4K技術(shù)工程領(lǐng)域是3840x2160，電影行業(yè)4096x2160，這兩種我們都可以稱(chēng)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(huì )決定最終顯示技術(shù)形態(tài)，這些參數本文暫不做討論。

按照應用環(huán)節分類(lèi)，4K技術(shù)又包括了，4K片源制作、4K播放設備、4K信號傳輸、4K顯示技術(shù)，這里我們會(huì )對4K顯示技術(shù)進(jìn)行一定的了解。

二、4K顯示技術(shù)

作為投影機的顯示技術(shù)，現在主流的主要有三種，LCD（液晶面板顯示技術(shù)），LCOS（單晶硅反射式液晶顯示技術(shù)），DLP（數字光處理顯示技術(shù)）。目前應用在數字電影放映技術(shù)中采用最多的是DLP技術(shù)，DLP技術(shù)開(kāi)發(fā)者是TI（德州儀器），NEC公司專(zhuān)注于為行業(yè)提供專(zhuān)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數字放映機三家廠(chǎng)商的其中一家，而且在工程、商務(wù)、教育、家用都擁有者功能多樣化、種類(lèi)豐富的DLP投影機產(chǎn)品線(xiàn)。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(lái)顯示4K畫(huà)面，每個(gè)芯片的物理分辨率是4096x2160，三個(gè)芯片分別獨立對應一種RGB顏色中的一種。

4KDLPCinema？顯示技術(shù)中的DMD芯片擁有著(zhù)有別其他顯示技術(shù)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(cháng)時(shí)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(lái)一一了解下。

支持高亮度

這幾年中國電影市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，根據2015年的統計數據，這一年中中國新增銀幕數量已經(jīng)達8035塊，市場(chǎng)銀幕保有總數已經(jīng)達到了31600塊。隨之而來(lái)的問(wèn)題是在同一個(gè)地區影城的密度越來(lái)越大，影城和影城之間的差異化越來(lái)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(wèn)題。為了增加影城的競爭力，體現差異化現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(fēng)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(lèi)似巨幕廳，雖然投資成本大，建設周期長(cháng)、維護成本高，但是大尺寸畫(huà)面的沉浸感、沉浸式音效的震撼感、高標準的畫(huà)面質(zhì)量，是小影廳所無(wú)法帶來(lái)的優(yōu)勢，使得影城可以大片來(lái)臨時(shí)獲得極高的收益。影城為了在如此之大的畫(huà)面上體現出較高的放映品質(zhì)，就必須保證一定的畫(huà)面亮度（例如DCI規范中建議的 2D@14±3fL或3D@4.38fL［1］），而且目前國內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(huì )按照3D的播放要求執行，加之現有影城放映間環(huán)境問(wèn)題日趨凸顯放映機亮度受灰塵影響大，3D設備目前的技術(shù)還無(wú)法提供足夠的光效，低增益，廣電總局也在前段時(shí)間也發(fā)文明確了影城應當提高放映質(zhì)量?；谝陨显虻目紤]影城一般都會(huì )選擇輸出亮度較高的放映機，從而保證畫(huà)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(shí)現畫(huà)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(xiàn)絕大多數都被金屬面反射出去了，芯片上的熱量堆積就會(huì )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(gè)良好運行狀態(tài)。也正是因為這點(diǎn)使得目前市場(chǎng)主流的高流明投影機（2.5萬(wàn)流明或以上）采用的幾乎都是3片DLP技術(shù)。圖1為DMD芯片的工作原理示意圖［1］

圖1DMD工作原理

支持長(cháng)時(shí)間連續使用 芯片壽命時(shí)間長(cháng)

一般影院都是營(yíng)利機構，時(shí)間對于影城來(lái)說(shuō)就是利潤，在大片扎堆或節日假期的時(shí)間段，影城單個(gè)廳一天的排片總時(shí)間可以高達15個(gè)小時(shí)，有的影城甚至會(huì )推出午夜場(chǎng)，這種情況就要求設備一定要可以支持長(cháng)時(shí)間連續使用，采用DLP技術(shù)放映機的DMD芯片首先使用的都是液冷散熱，液冷系統可以精確有效的對發(fā)熱源實(shí)施快速有效的散熱。其次DMD的每個(gè)像素都是一個(gè)金屬微鏡（Mirror），并且就連用來(lái)實(shí)現金屬微鏡（Mirror），轉動(dòng)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(xiàn)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(guò)脈沖寬度調試控制的偏轉時(shí)間占比時(shí)間不同灰階），這也是使得熱量很難長(cháng)時(shí)間堆積到芯片上。以上諸多優(yōu)點(diǎn)讓采用DMD芯片的DLP技術(shù)可以很好的支持設備長(cháng)時(shí)間連續使用。目前TI公司宣傳的DLP技術(shù)中DMD芯片的運行壽命已經(jīng)高達10萬(wàn)個(gè)小時(shí)。目前影城中還有為數不少的影廳還在使用 7-8年前的第一代DLP數字電影放映機。

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

現今觀(guān)眾對于影城的觀(guān)影質(zhì)量的要求越來(lái)越高，即使從來(lái)沒(méi)有接觸過(guò)技術(shù)的觀(guān)眾也會(huì )在眾多影城中挑選亮度較好的影廳觀(guān)看。那么對于影城來(lái)說(shuō)如何在設備長(cháng)時(shí)間運行后保證更好的觀(guān)影效果已經(jīng)變成了一個(gè)尤為重要的問(wèn)題。其實(shí)畫(huà)面亮度變暗的一個(gè)最大因素就是灰塵

而且一般都是由于目前堪憂(yōu)的放映間環(huán)境造成的。但從芯片的角度來(lái)看，每片DMD芯片都有著(zhù)工藝成熟的金屬封裝結構，微鏡表面有一塊耐高溫高透過(guò)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(guān)示意圖

市場(chǎng)認可度高

縱觀(guān)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(lè )，大型演藝娛樂(lè )、制造業(yè)，醫療等諸多領(lǐng)域，根據不完全統計，在2015年全球 1萬(wàn)流明以上的投影機銷(xiāo)量中采用3片DLP技術(shù)投影機占比高達80%，3千-1萬(wàn)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，根據不完全統計在市場(chǎng)保有量高達3多萬(wàn)塊銀幕的中國電影市場(chǎng)中采用DLP技術(shù)的電影機保有量占比為90%左右，采用非DLP技術(shù)的電影機保有量占比不到10%。

從顯示技術(shù)類(lèi)型的銷(xiāo)量占比來(lái)看DLP技術(shù)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(chǎng)。

三、4K顯示技術(shù)可以表現更多的內容

采用了DMD芯片的4K顯示技術(shù)除了支持高亮度，長(cháng)時(shí)間使用，防塵密封性好，市場(chǎng)認可度高等優(yōu)勢外，在4K顯示在畫(huà)面內容的表現上遠遠優(yōu)于傳統的2K畫(huà)面。

通常如果想讓畫(huà)面顯示更多的內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(huà)面內容中最小的一個(gè)顯示內容單元（放映機芯片最小像素單元就是DMD芯片上的每個(gè)小微鏡）。我們先做一個(gè)簡(jiǎn)單的計算，放映機的芯片是2K的話(huà)其橫縱像素就是2048x1080，共計可以用以表達顯示畫(huà)面內容的像素數量就是2048x1080=221.2萬(wàn)個(gè)

如果放映機的芯片是4K的話(huà)其橫縱像素就4096x2160共計可以用以表達顯示畫(huà)面內容的像素數量就是4096x2160=884.7萬(wàn)個(gè)。這也就意味著(zhù)如果畫(huà)面內容是4K的片源時(shí)，并且用4K放映機播放時(shí)畫(huà)面顯示的信息量會(huì )是2K 放映機播放2K畫(huà)面信息量的4倍如下圖4所示。

四、4K顯示技術(shù)可以使得畫(huà)面更加細膩

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

我們先了解下視覺(jué)銳度的概念：

眼睛分辨景物細節的能力叫視力，又叫視覺(jué)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，當成像在黃斑區的時(shí)候，分辨率達到最高1‘角度。

通常當視角小于1’時(shí)，人眼是無(wú)法分辨的。

同時(shí)當亮度和對比度過(guò)低時(shí)，則視覺(jué)銳度隨之下降（錐狀細胞的對亮度的靈敏度低，此時(shí)主要桿狀細胞起作用）；當亮度過(guò)高時(shí)，視覺(jué)銳度不會(huì )增加，反而會(huì )有炫目感，不同的色彩對分辨率的影響也不一樣，不過(guò)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(huà)面的分辨力相對于運動(dòng)的畫(huà)面能力要更高（靜止畫(huà)面2-3‘，動(dòng)態(tài)畫(huà)面3-4’）。

圖5D顯示畫(huà)面高度，d最小單元高度（像素高度），L觀(guān)看距離，φ畫(huà)面高度相對人眼的角度，θ單個(gè)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(jué)銳度（視力）為一個(gè)定值時(shí)像素尺寸越小，觀(guān)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(guān)看距離越近，人眼對于像素的分辨能力就越高。

那么根據上面的人眼特性的原理，這樣可以得出一個(gè)觀(guān)看距離和人眼觀(guān)看到的畫(huà)面細膩程度的關(guān)系圖：

現行《數字電影巨幕影院技術(shù)規范》中的規定最近觀(guān)看距離為銀幕畫(huà)面寬度0.5倍，如果是2K畫(huà)面的話(huà)，每個(gè)像素相對人眼的角度為3.36‘，4K畫(huà)面以此基礎計算可得出下圖6關(guān)系。

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

五、4K顯示技術(shù)可以讓觀(guān)眾有更好的視覺(jué)沉浸感

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

圖7如果顯示畫(huà)面為4K分辨率時(shí)，適當的減少觀(guān)看距離，可以大大增加人眼的觀(guān)看畫(huà)面時(shí)候的沉浸感，同時(shí)又不會(huì )產(chǎn)生畫(huà)面顆粒感。

六、4K顯示技術(shù)的應用方式

基于產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢最終服務(wù)于終端市場(chǎng)的應用原則，4K顯示技術(shù)的畫(huà)面細節增加、畫(huà)面細膩程度提升和沉浸感增強等優(yōu)勢讓其在很多領(lǐng)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(lè )園，需要多路信號，高分辨率顯示的大屏指揮監控，需要進(jìn)行高信息含量或繪制編輯的研究院、工作室等等。除了專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，為了應對消費類(lèi)行業(yè)需求TI公司也在大力發(fā)展，小型化的4K顯示技術(shù)，縮小體積重量和成本之后4K技術(shù)也在慢慢走入家庭娛樂(lè )行業(yè)，4K技術(shù)也必將是未來(lái)顯示技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。