放映機(jī)4K技術(shù)淺談

    近幾年隨著顯示技術(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(guó)內(nèi)外大片之外，電影院對(duì)畫(huà)面的放映質(zhì)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(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DLP Cinema® 1.38英寸 DC4K 的三色激光數(shù)字放映機(jī)NC3540LS-1+。這樣就使得NEC三色激光放映機(jī)在擁有2K三色激光產(chǎn)品線的同時(shí)，又增加了一條4K三色激光產(chǎn)品線。

    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?cái)?shù)量，大家都知道傳統(tǒng)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(duì)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(dāng)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(shù)本文暫不做討論。

    按照應(yīng)用環(huán)節(jié)分類(lèi)，4K技術(shù)又包括了，4K片源制作、4K播放設(shè)備、4K信號(hào)傳輸、4K顯示技術(shù)，這里我們會(huì)對(duì)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(jī)的顯示技術(shù)，現(xiàn)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(shù)字光處理顯示技術(shù)）。目前應(yīng)用在數(shù)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(quán)產(chǎn)生DLP數(shù)字放映機(jī)三家廠商的其中一家，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(jī)產(chǎn)品線。對(duì)于NEC的4K三色激光放映機(jī)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(dú)立對(duì)應(yīng)一種RGB顏色中的一種。

    4K DLP Cinema®顯示技術(shù)中的DMD芯片擁有著有別其他顯示技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)也使得其可以很好的應(yīng)對(duì)高亮度輸出、長(zhǎng)時(shí)間使用、苛刻的運(yùn)行環(huán)境等諸多顯示應(yīng)用要求。下面我們來(lái)一一了解下。

    支持高亮度

    這幾年中國(guó)電影市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，根據(jù)2015年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這一年中中國(guó)新增銀幕數(shù)量已經(jīng)達(dá)8035塊，市場(chǎng)銀幕保有總數(shù)已經(jīng)達(dá)到了31600塊。隨之而來(lái)的問(wèn)題是在同一個(gè)地區(qū)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(jìng)爭(zhēng)也越加嚴(yán)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(jìng)爭(zhēng)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(duì)應(yīng)小型廳、VIP廳、情侶廳等，這些小影廳投資成本小，建設(shè)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(dá)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(shè)周期長(zhǎng)、維護(hù)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(biāo)準(zhǔn)的畫(huà)面質(zhì)量，是小影廳所無(wú)法帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，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(xiàn)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(guī)范中建議的2D@14±3fL或3D@4.38fL[1]），而且目前國(guó)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(shè)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備配置都會(huì)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(wèn)題日趨凸顯放映機(jī)亮度受灰塵影響大，3D設(shè)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(yīng)當(dāng)提高放映質(zhì)量�；�于以上原因的考慮影城一般都會(huì)選擇輸出亮度較高的放映機(jī)，從而保證畫(huà)面亮度。放映機(jī)輸出亮度越高對(duì)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(zhuǎn)角度把光反射到不同的位置實(shí)現(xiàn)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(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(yùn)行狀態(tài)。也正是因?yàn)檫@點(diǎn)使得目前市場(chǎng)主流的高流明投影機(jī)（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]

    支持長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用，芯片壽命時(shí)間長(zhǎng)，

    一般影院都是營(yíng)利機(jī)構(gòu)，時(shí)間對(duì)于影城來(lái)說(shuō)就是利潤(rùn)，在大片扎堆或節(jié)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(dá)15個(gè)小時(shí)，有的影城甚至?xí)�推出午夜�?chǎng)，這種情況就要求設(shè)備一定要可以支持長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用，采用DLP技術(shù)放映機(jī)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(duì)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(xiàn)金屬微鏡（Mirror），轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸鏈（Hinge），結(jié)構(gòu)也是鋁制結(jié)構(gòu)，這些金屬結(jié)構(gòu)使得芯片幾乎不受到熱量和紫外線老化的影響，DMD結(jié)構(gòu)如下圖2[2]。最后DMD芯片利用電荷吸引與排斥可以達(dá)到每秒鐘翻轉(zhuǎn)5000多次（通過(guò)脈沖寬度調(diào)試控制的偏轉(zhuǎn)時(shí)間占比時(shí)間不同灰階），這也是使得熱量很難長(zhǎng)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(shè)備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用。目前TI公司宣傳的DLP技術(shù)中DMD芯片的運(yùn)行壽命已經(jīng)高達(dá)10萬(wàn)個(gè)小時(shí)。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(jī)。

    圖2 DMD結(jié)構(gòu)示意圖

    芯片防塵設(shè)計(jì)好，散熱性好，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)

    現(xiàn)今觀眾對(duì)于影城的觀影質(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)的觀眾也會(huì)在眾多影城中挑選亮度較好的影廳觀看。那么對(duì)于影城來(lái)說(shuō)如何在設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后保證更好的觀影效果已經(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芯片都有著工藝成熟的金屬封裝結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)和金屬結(jié)構(gòu)，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3 DMD芯片外觀示意圖

    圖3 DC4K DMD芯片

    市場(chǎng)認(rèn)可度高

    縱觀全球投影機(jī)行業(yè)，采用DLP投影機(jī)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(yī)療等諸多領(lǐng)域，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在2015年全球1萬(wàn)流明以上的投影機(jī)銷(xiāo)量中采用3片DLP技術(shù)投影機(jī)占比高達(dá)80%，3千-1萬(wàn)流明之間3DLP投影機(jī)占比為50%左右，我們?cè)诳聪码娪靶袠I(yè)截止到2015年年底，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)在市場(chǎng)保有量高達(dá)3多萬(wàn)塊銀幕的中國(guó)電影市場(chǎng)中采用DLP技術(shù)的電影機(jī)保有量占比為90%左右，采用非DLP技術(shù)的電影機(jī)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(duì)應(yīng)用方式和應(yīng)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(xiàn)更多的內(nèi)容

    采用了DMD芯片的4K顯示技術(shù)除了支持高亮度，長(zhǎng)時(shí)間使用，防塵密封性好，市場(chǎng)認(rèn)可度高等優(yōu)勢(shì)外，在4K顯示在畫(huà)面內(nèi)容的表現(xiàn)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的2K畫(huà)面。

    通常如果想讓畫(huà)面顯示更多的內(nèi)容放映設(shè)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(nèi)容中最小的一個(gè)顯示內(nèi)容單元（放映機(jī)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(jì)算，放映機(jī)的芯片是2K的話其橫縱像素就是2048x1080，共計(jì)可以用以表達(dá)顯示畫(huà)面內(nèi)容的像素?cái)?shù)量就是2048x1080=221.2萬(wàn)個(gè)

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

    圖4  2K和4K畫(huà)面分辨率示意圖Full HD: 1920x1080，Ultra HD: 3840x2160，4K: 4096x2160

    通常4K畫(huà)面可以由兩個(gè)2x2拼接排列2K畫(huà)面組成。4K畫(huà)面能表達(dá)的信息量為2K畫(huà)面的4倍。

    四、4K顯示技術(shù)可以使得畫(huà)面更加細(xì)膩

    目前為止現(xiàn)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(shè)計(jì)的，其中有一項(xiàng)非常重要的人眼特性“視覺(jué)銳度”通常與顯示畫(huà)面的像素大小和觀看距離被一起用來(lái)描述人眼觀看畫(huà)面的細(xì)膩程度。像素尺寸大小一般取決于芯片的大小、像素?cái)?shù)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)。觀看距離指的就是人眼距離與所觀看畫(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(xì)節(jié)的能力叫視力，又叫視覺(jué)銳度(VA)。人的視網(wǎng)膜上光敏細(xì)胞間的物理距離決定了人眼分辨率的極限，當(dāng)成像在黃斑區(qū)的時(shí)候，分辨率達(dá)到最高1’角度。

    通常當(dāng)視角小于1 ’時(shí)，人眼是無(wú)法分辨的。

    同時(shí)當(dāng)亮度和對(duì)比度過(guò)低時(shí)，則視覺(jué)銳度隨之下降（錐狀細(xì)胞的對(duì)亮度的靈敏度低，此時(shí)主要桿狀細(xì)胞起作用）；當(dāng)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(duì)分辨率的影響也不一樣，不過(guò)要低于亮度對(duì)分辨率的影響（通常綠色對(duì)于人眼分辨率的貢獻(xiàn)最大），人眼對(duì)于靜止的畫(huà)面的分辨力相對(duì)于運(yùn)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 ’）[4]。

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

    我從圖中可以看出，當(dāng)人眼的視覺(jué)銳度（視力）為一個(gè)定值時(shí)像素尺寸越小，觀看距離越遠(yuǎn)，人眼對(duì)于像素的分辨能力就越低，當(dāng)像是尺寸越大，觀看距離越近，人眼對(duì)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(gè)觀看距離和人眼觀看到的畫(huà)面細(xì)膩程度的關(guān)系圖：

    現(xiàn)行《數(shù)字電影巨幕影院技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定最近觀看距離為銀幕畫(huà)面寬度0.5倍，如果是2K畫(huà)面的話，每個(gè)像素相對(duì)人眼的角度為3.36 ’，4K畫(huà)面以此基礎(chǔ)計(jì)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(xì)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(shù)可以讓觀眾有更好的視覺(jué)沉浸感

    之前上一段文章中所提到的畫(huà)面細(xì)膩程度決定了觀看者的觀看距離，因?yàn)槿说难劬τ兄�另一個(gè)特性視野范圍，那么這樣就不同的觀看距離就會(huì)影響到視野范圍和畫(huà)面之間的相對(duì)關(guān)系，例如由于人眼的視野范圍有限，觀看距離越近，人眼感覺(jué)到的畫(huà)面包裹感或者臨場(chǎng)感就越強(qiáng)，觀看距離越遠(yuǎn)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(jié)合上面的畫(huà)面細(xì)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(dāng)?shù)臏p少觀看距離，可以大大增加人眼的觀看畫(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(yīng)用方式

    基于產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢(shì)最終服務(wù)于終端市場(chǎng)的應(yīng)用原則，4K顯示技術(shù)的畫(huà)面細(xì)節(jié)增加、畫(huà)面細(xì)膩程度提升和沉浸感增強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)讓其在很多領(lǐng)域中都得到了很好的應(yīng)用。擁有大型銀幕的電影院和主題樂(lè)園，需要多路信號(hào)，高分辨率顯示的大屏指揮監(jiān)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(yīng)對(duì)消費(fèi)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(shì)。

    [1] GD/J 040-2012 數(shù)字電影巨幕影院技術(shù)規(guī)范和測(cè)量方法

    [2] DMD 101:Introduction to Digital Micromirror Device (DMD)Technology Application Report

    DLPA008A–July 2008–Revised October 2013 Benjamin Lee

    [3] Current Status and Future Applicationsfor DMD.-Based Projection Displays Larry J. Hornbeck

    [4] The Limits of Human VisionMichael F. Deering Sun Microsystems