投影機(jī)4K技術(shù)淺析

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)出新高的國內(nèi)外大片之外，電影院對(duì)畫面的放映質(zhì)量要求和觀眾的觀影感受也在不斷的提高。

一、4K技術(shù)是什么?

為了了解4K技術(shù)我們先說下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(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，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(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芯片來顯示4K畫面，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。

4KDLPCinema?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(jù)2015年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這一年中中國新增銀幕數(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。隨之而來的問題是在同一個(gè)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(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，大尺寸銀幕又類似巨幕廳，雖然投資成本大，建設(shè)周期長、維護(hù)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(biāo)準(zhǔn)的畫面質(zhì)量，是小影廳所無法帶來的優(yōu)勢(shì)，使得影城可以大片來臨時(shí)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(zhì)，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(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?；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(jī)，從而保證畫面亮度。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1 DMD工作原理

支持長時(shí)間連續(xù)使用，芯片壽命時(shí)間長

一般影院都是營利機(jī)構(gòu)，時(shí)間對(duì)于影城來說就是利潤，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)瞥鑫缫箞?chǎng)，這種情況就要求設(shè)備一定要可以支持長時(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)量的要求越來越高，即使從來沒有接觸過技術(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)于影城來說如何在設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行后保證更好的觀影效果已經(jīng)變成了一個(gè)尤為重要的問題。其實(shí)畫面亮度變暗的一個(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3DMD芯片外觀示意圖

圖3 DC4KDMD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，大型演藝娛樂、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1萬流明以上的投影機(jī)銷量中采用3片DLP技術(shù)投影機(jī)占比高達(dá)80%，3千-1萬流明之間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多萬塊銀幕的中國電影市場(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)類型的銷量占比來看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顯示在畫面內(nèi)容的表現(xiàn)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(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)顯示畫面內(nèi)容的像素?cái)?shù)量就是2048x1080=221.2萬個(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)顯示畫面內(nèi)容的像素?cái)?shù)量就是4096x2160=884.7萬個(gè)。這也就意味著如果畫面內(nèi)容是4K的片源時(shí)，并且用4K放映機(jī)播放時(shí)畫面顯示的信息量會(huì)是2K放映機(jī)播放2K畫面信息量的4倍如下圖4所示。

圖4 2K和4K畫面分辨率示意圖FullHD:1920x1080，UltraHD:3840x2160，4K:4096x2160

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

四、4K顯示技術(shù)可以使得畫面更加細(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特性來進(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(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(xì)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(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)，人眼是無法分辨的。

同時(shí)當(dāng)亮度和對(duì)比度過低時(shí)，則視覺銳度隨之下降(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)亮度過高時(shí)，視覺銳度不會(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)于靜止的畫面的分辨力相對(duì)于運(yùn)動(dòng)的畫面能力要更高(靜止畫面2-3'，動(dòng)態(tài)畫面3-4')[4]。

圖5 D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(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面寬度0.5倍，如果是2K畫面的話，每個(gè)像素相對(duì)人眼的角度為3.36'，4K畫面以此基礎(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畫面縮小了像素尺寸像素密度增加，使得畫面更加細(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沉浸感

之前上一段文章中所提到的畫面細(xì)膩程度決定了觀看者的觀看距離，因?yàn)槿说难劬τ兄硪粋€(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，人眼感覺到的畫面包裹感或者臨場(chǎng)感就越強(qiáng)，觀看距離越遠(yuǎn)人眼感覺到的畫面包裹感或臨場(chǎng)感就越不明顯。我們結(jié)合上面的畫面細(xì)膩程度和人眼的視野范圍，圖7說明他們之間的關(guān)系。

圖7 如果顯示畫面為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面時(shí)候的沉浸感，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生畫面顆粒感。

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)的畫面細(xì)節(jié)增加、畫面細(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。除了專業(yè)領(lǐng)域，為了應(yīng)對(duì)消費(fèi)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(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行業(yè)，4K技術(shù)也必將是未來顯示技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。