LED显示屏在电影院线的应用研究

　　摘要

　　本文从显示效果、音效、安全、可靠性、以及成本等方面，客观阐述了LED显示屏进入电影院线的优势以及存在的问题。

　　LED显示屏的像素间距不断突破更小尺寸，为其进入专业领域带来了契机。

　　正当小间距显示屏在高端音视频领域厮杀之时，行业内的一部分目光投向了电影院线市场。根据《人民日报》报道，截至2017年3月，我国银幕总数达到44489块，超过整个北美地区，从市场容量上成为世界第一大电影市场。我国在世界范围内率先全面实现数字化放映，其中3D银幕38377块，占银幕总数的86.26%，巨型银幕(IMAX和中国巨幕)总数已达616块，其规模世界第一。

　　近两年，小间距LED显示屏在安防领域和高端会议市场大获成功。在室内，尤其是在电影院线，小间距LED显示屏拥有绝对优势。

　　①　点对点显示优势

　　4K投影机仅能够在银幕中心区域实现高清画质，是由于投影机到银幕中心部位和四个顶角的距离是不一样的，边缘通常存在散焦问题。除此之外，因为三基色的排布，失会聚问题也存在于银幕边缘，造成彩色镶边的问题。因此，选好座位是确保观赏电影最佳效果的前提。

　　LED显示屏采用点对点的控制方式，画面在中心和边缘区域均可正常显示，不会出现任何显示信息的缺失与画面的变形问题。这是投影机一直无法解决的问题，却是LED显示屏的优势之所在。

　　②　亮度和对比度优势

　　国家新闻出版广电总局在2013年底发布的GD/J 047-2013《数字影院立体放映技术要求和测量方法》指导性技术文件中规定了立体放映银幕中心亮度标准仅为：16-3+6cd/ m2(≈4.5FL)【1】。众所周知，我们常用的液晶电视亮度在131-175FL(450-600cd/ m2)，即使是家庭投影的亮度也有超过12FL(41cd/ m2)。显然16-3+6cd/ m2的亮度标准过低。

　　尽管SMPTE(美国动画与电视工程协会)提出了对全暗环境适中的亮度标准的建议值为12 ~ 16fL (Foot Lambert )【2】。2D电影的亮度值可基本满足要求，但是3D立体电影的亮度值显然不足，这是3D电影被诟病的重要原因，它造成的影响是长时间观看引发头晕目眩，眼睛胀痛。

　　而LED显示屏完全没有亮度不足的困扰，LED显示屏厂通过选用合适的灯珠，驱动IC和控制器，设计合理的电路，可确保LED显示屏实现不同的亮度。在近些年小间距的发展中，亮度低于500cd/ m2，刷新率超过3840Hz，灰度等级16bit等技术的出现，为小间距在室内领域大放异彩打下了技术基础。

　　③　主动发光优势

　　电影播放是被动发光的过程，它通过将光照射在银幕上，反射至人眼中显示画面，在此过程中，两台投影机的位置关系等因素会引发光与光之间互相干扰，造成部分画面模糊，尤其是在暗环境下看不清楚。

　　为此，银幕通常为非光滑表面，设计者利用漫反射原理来减少镜面反射，但反射现象依然存在。而LED显示屏为主动发光，表面面罩采用漫反射设计，从根本上杜绝了光与光的相互干扰，这是投影机无法做到的!

　　LED显示屏有投影机无法媲美之处，但是想要真正进入电影院线还有如下问题有待解决：

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　　满足电影标准

　　在众多颜色空间标准中(图1)，我们发现Rec.709/sRGB和DCI-P3的色域空间最大，能够表现更多的颜色。

　　图1 各种颜色空间标准的色域相对范围

　　根据国外的参考文献，DCI-P3比sRGB的色域空间大25%，考虑DCI的独特背景(好莱坞数字电影倡导组织(DCI)是由迪士尼、福克斯、米高梅、派拉蒙、索尼图像、环球和华纳兄弟7家制片公司共同出资建立的专门从事数字电影技术规范研究与评价的机构。)鉴于好莱坞在全球电影市场的垄断地位，因此，全球的院线经营商和数字电影设备制造商都在密切关注DCI技术规范制定的进展情况。【3】

　　LED显示屏通过DCI-P3的认证，需要LED厂、封装厂、芯片厂以及驱动芯片厂商的共同努力，目前主要从发光器件及发光器件的应用技术入手。行业内大量出货的发光管主波长为：红色620-630nm;绿色520-530nm;蓝色465-475nm。而根据国外文献DCI-P3规定的色坐标(图2)转换波长值如下：红色615nm、绿色544nm，蓝色465nm。

　　图2 DCI-P3的色坐标参数【4】

　　查阅LED芯片资料以及实测数据，我们发现驱动电流<5mA时，绿色和蓝色主波长受电流的影响较大。小间距显示屏的使用电流恰恰低于5mA，绿色和蓝色通常2mA左右，而电影院线因亮度要求低，实际使用的电流会低于3mA，甚至低于1mA，因此，一方面需要在芯片厂调整芯片的波长范围，封装厂降低分光分色电流接近电影院线显示屏实际使用的电流。从上游芯片处了解到，如果需要非主BIN的芯片，主要有产出和成本两大问题，基于外延调整波段投料，会带来更多偏波的产出片源损失，对于产出的分布，有待芯片厂家的进一步论证。同样，封装厂采用新电流标准分光分色后，也存在和芯片厂类似的问题，而这些产出和成本问题的解决，都依赖于市场需求的推动。

　　另一方面LED显示屏厂需要和芯片厂合作，设计合理的电路，选用或开发电流输出精度更高的驱动芯片。

　　从技术角度来看，使用偏波波长生产满足DCI-P3标准的显示屏是可行的。通过整个供应链上各方的努力，LED显示屏可以更完美的画质进入电影院市场。

　　目前，行业内一部分企业已经展开这方面的研究，某公司于今年在拉斯维加斯推出了全球第一台通过DCI-P3测试的LED显示屏，再一次证实了LED显示屏进入电影院线市场的可行性。

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　　满足立体声效

　　显示对于声音的要求是能够与视频同步，影院音频的播放与处理被看做是与银幕显示同等重要。

　　据报道，此次在拉斯维加斯推出的全球第一台DCI-P3 LED显示屏，扬声器环绕屏幕四周，为了确保音效，显示屏厂使用了专有的音频处理技术和JBL的Sculpted Surround系统。

　　据了解，影院立体声实现主要由主声道扬声器，次低音扬声器和环绕声扬声器组成。除了环绕声扬声器分布于放映厅的侧面墙壁和后壁以外，主声道扬声器和次低音扬声器均安装于银幕的背后。其中，主声道扬声器分左、中、右路组成，由于影片画面中对话人物一般位于画面中间，为了避免最佳听音位置后移、减少，或是声像与图像分离，影院立体声必须增加中路信息，扬声器置于银幕后，声音给观众的感受就像是自然发出的【5】;

　　鉴于目前影院成熟的立体声学系统，采用屏幕边缘布置扬声器的显示屏暂时无法实现大尺寸显示。此次在拉斯维加斯发布的LED显示屏长约为10.3米，高度5.4米，可满足基本影院的放映需求，但是当屏幕为目前市场主流的IMAX(标准的IMAX银幕为22米宽、16米高)，甚至更大时，此类LED显示屏如何能够实现影音的完美结合，有待论证。

　　笔者认为LED显示屏在显示效果上更胜一筹，但是在立体声效的实现上，是否可以同银幕一样实现一定透声率，将是LED显示屏是否能够拿下电影院线市场的关键一步。

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　　亮区和暗区的比例问题

　　填充系数又称为亮区比例，即每个像素的发光面积与该像素所占物理表面积之比。LED显示屏的像素之间存在不发光区域，当近距离观看时，会出现明显的颗粒感，因此，我们提出了最小观看距离。TCO’99标准规定，填充系数不应低于50%，以目前LED显示屏的填充系数做下表：

　　由此可见，在灯珠的选择上，我们尽可能选择接近点间距尺寸的灯珠，可以提高填充系数，减少屏幕的颗粒感。

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　　可靠 性问题

　　投影机的可靠性仅决定于投影机本身，而LED显示屏是由多个部件组成，其组成部件的可靠性直接影响了显示屏整体的可靠性。

　　LED显示屏的失效率=nλp=∑ni*λi*Wi

　　Λp——模组的失效率

　　Λi——部件i的失效率

　　Ni——该部件的数量

　　Wi——该部件的重要性系数

　　对于观众来说，观看LED显示屏最无法容忍的是：黑屏或是出现无信号区域，大多数情况因为开关电源的故障。举例，目前行业内可靠性较好的某电源MTBF为15万小时。假设电影播放12小时/天，由λ=12*365/MTBF=0.0292，即按照每天放映12小时计算，此款电源的年故障率为0.0292。假设352 m2的巨幕电影，制作P2.5显示屏需要约422台电源，则整屏电源的年故障率12.3224，若使用双电源热备份技术，则配对的两台电源同时失效的几率是微乎其微的。因此电源失效问题基本可以得到解决。

　　相比投影机，LED显示屏的故障率因系统的庞大而高于投影机，因此，若想要将LED显示屏真正推向电影院市场，可靠性的提升是业界的一大重要的系统工程。

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　　成本问题

　　高额的成本是目前LED显示屏进入电影院市场的一大阻碍，成本组成分为材料成本和运营成本。举例说明如下：

　　假设影厅：350 m2，170座(小型放映厅)，银幕17*9(m)

　　根据瑞典的TCO’99标准，视距S≥1718*点间距，因此，通过计算，满足17m宽显示屏的点间距至少为4.94mm，取4mm计算。

　　除此之外，相同面积的LED显示屏与投影机的用电量相差4倍以上。但是随着LED器件的成本不断下降，加之节能技术的不断发展，成本问题将逐步弱化。

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　　安全的考虑

　　LED显示屏的安全可以从两方面考虑，一是人身安全;二是人身健康。

　　a. 人身安全

　　电影院这一类人员密集的公共场所属于消防重点区域，《电影院建筑设计规范及条文说明 JGJ58-2008》等标准中严格规定了电影院装修选材的耐火等级。

　　LED显示屏自身发热存在一定的燃烧风险，LED显示屏主要由模组组成，模组外壳通常为金属材质，可能燃烧的部分为：LED、PCB、开关电源、线材、塑料件等。因此，选取阻燃或者不燃材料是LED显示屏进入电影院线的基本要求。此外，LED显示屏自身具备温度、烟雾监控与报警系统，该系统在显示屏入驻电影院线后接入电影院整体的监控与报警系统是可行且必然的。

　　b. 人身健康

　　GB/T3557-94《电影院视听环境技术要求》中指出：影院的最小视距至少大于等于银幕宽度的一半，通常影院的银幕宽度不小于8m。假设按照8m的宽度计算，最小视距为4m，距离观众较近，因此，我们必须考虑热辐射、电磁辐射对于人体的影响。

　　为了保护观看者的健康安全，在不同的场合下，进入电影院线的LED显示屏需要通过不同的认证标准，如CCC、ETL、CE、FCC、RoSH等。

　　LED显示屏拥有点对点显示、亮度和对比度高、主动发光等投影机不可匹敌的优势，从技术角度分析，LED显示屏进入电影院线市场是可行的，但是还需要在满足电影标准、透声显示、提高亮区比例、可靠性、安全等方面进行提升，就目前情况来看，LED显示屏成本还需要进一步下降，才能够有机会与激光投影一决高低，而可靠性将会是LED显示屏站稳脚跟且持续发展的重要指标。

　　我们相信LED显示屏冲击电影院市场将会成为LED显示技术再一次井喷的时期，在价格下降到可与投影相竞争之前，LED显示屏厂都应该加强自身产品的技术开发与品质提升，这不仅关系到自身产品的市场占有率，更关系到整个行业被电影市场的接受度。

　　参考文献：

　　[1] 《浅析GD/J 047-2013《数字影院立体放映技术要求和测量方法》》 match国家新闻出版广电总局电影技术质量检测所  王丰  《现代电影技术》 2014  No.11 P40-43

　　[2] http://www.av199.com/forum.php?mod=viewthread&tid=368410&page=1

　　[3] 《DCI发布数字影院技术规范最终版本》中国电影科研所 陈鼎新 《影视技术》 年卷期2005(8match)，P42

　　[4] noteloop

　　[5] 惠声影院还音系统-许朝园

　　作者简介：姜玲玲，工程师，就职于南京洛普股份有限公司研发中心。