用LED新技術(shù)點亮數(shù)字電影屏幕

喬 鵬 王 梅 贠有名

1.解放軍文化藝術(shù)中心,北京 100120

2.海軍政治工作部宣傳文化中心,北京 100841

3.南部戰(zhàn)區(qū)陸軍政治工作部,廣西南寧 530028

一百多年來,電影放映一直以投影為基礎(chǔ),雖然放映光源技術(shù)和分辨率等技術(shù)指標(biāo)不斷改進和提高,但被動顯示技術(shù)的本質(zhì)并未改變。1907年人類第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象,經(jīng)過無數(shù)科學(xué)家近百年的巨大努力和研究實踐,成功實現(xiàn)了具有小間距、可控、長壽命、高對比度、高亮度、廣色域等特點的LED全新放映方式,打破了投影的壟斷,開啟了電影顯示技術(shù)新時代。

為落實國家 “十四五”規(guī)劃文化建設(shè)大項任務(wù),《“十四五”中國電影發(fā)展規(guī)劃》指出,重點研究擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的LED屏等關(guān)鍵性電影科研成果更加豐富。部隊文化影視工作建設(shè)不斷深入推進,LED屏應(yīng)用越來越廣泛,如:影院、演出、多功能廳、會議中心等場所;由于LED不怕風(fēng)吹雨淋、大小隨需拼接,擴展至軍事訓(xùn)練、演習(xí)、指揮中心也廣泛使用。目前,相對固定的影院場所,多數(shù)更新升級為小間距LED屏。

1 LED光源的發(fā)展

圖1 電致發(fā)光纖維

(1)早期電致發(fā)光現(xiàn)象研究。1907年英國科學(xué)家亨利·約瑟夫·羅德第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象。1921年俄羅斯科學(xué)家羅塞夫再次觀察到光發(fā)射效應(yīng)。1935年法國科學(xué)家德斯提奧發(fā)表了關(guān)于硫化鋅粉末通電發(fā)光的報告,出現(xiàn)了 “電致發(fā)光”這個術(shù)語。

(2)1950年后LED高速發(fā)展。1962年美國工程師尼克·何倫亞克Nick Holonyak Jr等使用磷砷化鎵 (Ga AsP)材料制成了紅色發(fā)光二極管。

圖2 顯示單元紅綠藍LED組合

(3)LED的進一步應(yīng)用。在兩個方面有顯著改進:一是獲取能夠發(fā)出藍色可見光譜LED,進行全色顯示;二是極大地提高光效。1993年,日本科學(xué)家中村修二等人開發(fā)出了首個明亮藍色的氮化鎵LED。1999年,輸入功率達1瓦的LED商品化。近些年來,LED發(fā)展集中于光效的提高。LED白光的光效在2006年達到130流明/瓦左右,2013年白光光效已經(jīng)達到300流明/瓦,成為效率最高的電光源。

2 LED圖像還原原理

2.1 LED像素概念

(1)屏幕像素。LED作為圖像顯示所能顯示的最小單位,稱為像素,亦稱 “象素”。也可以表述為:由一個數(shù)字序列 (很多信息)表示的圖像內(nèi)容中最小的一個顯示內(nèi)容單元。LED作為圖像顯示像素組成,是指封裝好一個可以發(fā)出紅光、綠光、藍光三種顏色色光的獨立元件 (一個燈珠)。LED顯示屏的間距是指兩枚LED燈珠中心點之間的距離,用字母 “P+數(shù)字”表示,比如P 10就是燈珠中心間距為10毫米,一般間距在P 2.5以下就是小間距LED產(chǎn)品。為了控制像素的亮度和彩色深度,每個像素需要很多個二進制位來表示,如果要顯示由黑色到白色256個階梯深度的顏色,每個像素至少需要8位8bit(一個字節(jié))來表示,即2的8次方等于256;當(dāng)顯示真彩色時,每個像素要用3個字節(jié)的存儲量。像素值是指LED屏幕墻有多少個獨立元件。如水平線長度8Kmm,每1mm有1個LED獨立元件,8K個LED獨立元件,水平像素值是8K像素;垂直線長度5Kmm,每1mm有1個LED獨立元件,有5K個LED獨立元件,垂直像素值5K像素;水平8K和垂直5K總像素值為8K×5K=40000000(4千萬)像素。

(2)圖片像素。組成圖片中明暗、色彩的最小單元 (小方塊而不是一個點)稱為圖片像素。圖片一般由印刷機、打印機、繪畫等產(chǎn)生。比如一個紫色小單元是由紅色和藍色混合而成。

2.2 LED分辨率

一般來說,分辨率可以從顯示分辨率與圖像分辨率兩個方向來分類。許多LED顯示內(nèi)容單元組合在一起就形成了顯示屏。單位面積內(nèi)LED顯示單元放置的數(shù)量,即LED屏幕所能顯示的像素多少,就是像素值。LED屏幕上的點、線和面都是由LED顯示單元組成的,單位面積內(nèi)LED顯示單元數(shù)量越多,屏幕區(qū)域內(nèi)能顯示的信息也越多,畫面就越精細、分辨率就越高。分辨率等于LED屏長的數(shù)目乘以高的數(shù)目。

LED像素尺寸大小一般取決于芯片的大小、像素數(shù)量。觀看距離指的就是人眼距離與所觀看畫面之間的距離。有資料顯示: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(dāng)成像在黃斑區(qū)的時候,分辨率達到最高1′角度。通常當(dāng)視角小于1′時,人眼是無法分辨的。人眼的分辨率與觀看物體的亮度、對比度、色彩以及靜止、相對運動有關(guān)。

圖3 人眼視覺銳度

LED像素多大尺寸才能滿足我們觀看電影的要求?根據(jù)上述分析和國際標(biāo)準(zhǔn)視力表推算可得:(1)目前大型影廳銀幕寬度約20米左右、中小型影廳銀幕寬度約10米左右,觀看者站在銀幕寬度10米的0.5倍處即5米觀看被測物體大小,這個5米距離剛好等于國際標(biāo)準(zhǔn)視力表測試距離;(2)國際標(biāo)準(zhǔn)視力表5.0視力對應(yīng)正方形圖案E的數(shù)值是7.25mm×7.25mm,垂直為3個橫向黑色線段和2個橫向白色線段共5個線段。每個線段的高度是7.25mm/5=1.45mm;(3)通過三角函數(shù)可以求得觀看者距離銀幕5Kmm、線段高度1.45mmα的值。已知:觀看者距離國際標(biāo)準(zhǔn)視力表長a為5Kmm(底邊),正方形圖案E單個線段的高度b為1.45mm(對邊)。tan=b/a=1.45mm/5Kmm=0.00029。查表或計算tanα=0.01662×60′=0.99721′角度≈1′角度。和上述資料顯示1′角度接近。由此而得觀看者最近距離銀幕5000mm處時LED像素尺寸小于1.4 5mm即可獲得清晰圖像;觀看者最近距離銀幕8Kmm處時LED像素尺寸 (0.0 0029×8Kmm=2.3 2mm)小于2.3 2mm即可獲得清晰圖像;觀看者最近距離銀幕10Kmm處時LED像素尺寸(0.0 0029×10Kmm=2.9 mm)小于2.9 mm即可獲得清晰圖像。

因此可以看出,當(dāng)人眼的視力為一個定值時,LED尺寸越大,觀看距離越近,人眼對于LED的分辨能力就越高。LED尺寸越小,觀看距離越遠,人眼對LED的分辨能力就越低。比如觀看距離5Kmm、銀幕寬10Kmm,如果是2K畫面的話,每個像素相對人眼的分辨率角度為:(1)像素10K/2048=9.765625mm。 (2)正切值9.765625mm/10K=0.000976525。(3)反正切值0.000976525=0.05595×60′=3.357′,人眼分辨率的角度為3.357′;4K畫面由上述方法計算可得出:人眼的分辨率角度為1.6776′。同樣尺寸的屏幕,4K畫面比2K畫面像小,畫面顯得清晰細膩。如果LED像素越小,觀看時人眼距離可以越近。

2.3 LED顯示屏的分辨率計算

LED顯示屏分辨率計算,用長和寬除以像素間距,分辨率就出來了。比如一塊室內(nèi)LED顯示屏寬為4.096米,高為2.160米,像素間距為1mm,那實際像素就是4096×2160。有些時候要根據(jù)像素來選LED顯示屏規(guī)格,如果按照長1024×寬768像素做塊P 2.5的顯示屏,那么計算方法就是長1024像素×2.5間距=2.56米,高度則是768像素×2.5間距=1.92米。又如按照長4096×寬2160像素做塊P 2.32的顯示屏,那么計算方法就是長4096像素×2.32間距=9.502米,高度則是2160像素×2.3 2間距=5.0 11米。

2.4 LED色彩

(1)色光的混合。我們看到的太陽光、可見光,光波λ在780nm～380nm之間,按紅橙黃綠青藍紫順序排列。物體的顏色來源于光,人眼對顏色的感覺與照射物體的光源波長有關(guān)。太陽白光包含了各種顏色。當(dāng)照射一個不透明、不發(fā)光的物體時,一部分光被吸收,另一部分被物體反射,人們看到的顏色正是物體反射光的顏色。人們經(jīng)過長期實踐,發(fā)現(xiàn)自然界所能觀察到的無窮種顏色,均可由三種基色 (紅、綠、藍)以不同的比例混合而成,即所有顏色都可分解為紅、綠、藍三種基本顏色。用公式表示:紅 (R)+綠 (G)+藍 (B)=白光(Y);紅 (R)+綠 (G)=黃;紅 (R)+藍 (B)=紫;藍 (B)+綠 (G)=青。科學(xué)實驗證明:1流明白光 (Y)=0.30流明紅色光 (R)+0.59流明綠色光 (G)+0.11流明藍色光 (B)。

(2)LED發(fā)出白光。類似自然光譜白光LED主要有三種:一是比較成熟且已商業(yè)化的藍光芯片+黃色熒光粉來獲得白光。二是紫外光或紫光芯片+紅、藍、綠三基色熒光粉來獲得白光,發(fā)光原理類似于日光燈。三是利用三基色原理將RGB三種超高亮度LED混合成白光,通過控制器可分別控制紅、綠、藍光LED的發(fā)光強度,達到全彩的混色效果。

圖4 LED發(fā)出有過渡的單色光

(3)LED發(fā)出有過渡的單色光。例舉LED最小顯示單元發(fā)紅光、量化深度8bit。用數(shù)字控制信號控制LED發(fā)光,是由黑色到紅色量化深度為8bit信號 (8bit在二進制中有2=256個等級),從黑色到紅色有256個等級變化。二進制的不同權(quán)值其脈沖寬度不一樣,右端為最小權(quán)值1;從右向左分別為權(quán)值1、權(quán)值2……權(quán)值8。LED顯示紅光的時間長度與權(quán)值的大小有關(guān)。用數(shù)字脈沖信號00000000驅(qū)動LED時,這段時間因為沒有數(shù)字脈沖信號,沒有電壓值,LED不發(fā)光,人眼感受到黑色點;用數(shù)字脈沖信號11111111驅(qū)動LED時,因為這段時間一直有數(shù)字脈沖信號激勵LED發(fā)光,人眼感受到亮紅色點;用數(shù)字脈沖信號00011111驅(qū)動LED時,因為這段時間一部分有數(shù)字脈沖信號激勵LED發(fā)光,人眼感受到淺紅色點;用數(shù)字脈沖信號00000011驅(qū)動LED時,因為這段時間一小部分有數(shù)字脈沖信號激勵LED發(fā)光,人眼感受到暗紅色點;用8bit多種變化數(shù)字脈沖信號驅(qū)動LED時,就會發(fā)出黑、紅之間多種變化的顏色,人眼也就感受到紅、暗紅、淺紅色等多種變化的顏色。這里只是例舉幾種變化狀態(tài),實際應(yīng)用中狀態(tài)的變化是無數(shù)的。對于發(fā)出綠色、藍色過渡色光的LED與上述原理相同。

(4)LED色光的混合。為準(zhǔn)確表示LED發(fā)光某時刻的狀態(tài),取一段極短的時間Δt(分6個時段,Δt=1,Δt=2,…,Δt=6)來分析LED內(nèi)紅色、綠色、藍色混合變化的顏色。當(dāng)Δt=1時,紅光LED發(fā)光,呈現(xiàn)紅色光斑;Δt=2時,綠光LED發(fā)光,呈現(xiàn)綠色光斑;同理,Δt=3時,藍光LED發(fā)光,呈現(xiàn)藍色光斑;當(dāng)Δt=4時,綠光LED發(fā)光發(fā)出綠色光,此綠色與Δt=1時的紅色相加,使人眼的主觀感覺為黃色;Δt=5時,藍光LED發(fā)光發(fā)出藍色光,此藍色與Δt=2時的綠色相加,使人眼的主觀感覺為青色;Δt=6時紅光LED發(fā)光發(fā)出紅色光,此紅色與Δt=3時的藍色相加,使人眼主觀感覺為紫色。色光與色光相互之間不斷的、不同比例的混合產(chǎn)生了無數(shù)種顏色。

2.5 LED圖像還原

激勵LED發(fā)光、混合生成圖像過程是:自然景色經(jīng)過數(shù)字攝像機拍攝成像后輸出數(shù)字信號并且保存→將保存好的數(shù)字信號經(jīng)計算機后期視頻編輯處理,制作出標(biāo)準(zhǔn)的視頻文件→LED顯示屏控制系統(tǒng)→推動LED組件→按拍攝時的圖像顏色順序還原拍攝時的畫面。

圖5 圖像色彩還原原理

3 LED顯示相較于投影顯示的優(yōu)勢

(1)LED顯示不需要銀幕,投影顯示則需要銀幕。

(2)LED顯示不需要電影放映機,投影顯示則需要電影放映機,電影放映機是電影放映設(shè)備中最貴的設(shè)備。

(3)壽命長,LED能使用10萬小時以上。氙燈有效壽命為500～3000小時。激光光源壽命大于20萬小時。

(4)LED工作電壓低、工作溫度低、安全。氙燈屬于高壓充氣燈,操作失誤易爆炸、灼傷。

(5)LED發(fā)光效率高。理論值達360lm/W,高于傳統(tǒng)投影設(shè)備10倍的峰值亮度1Knit和對比度40K∶1以上,而LED屏峰值亮度496cd/m。氙燈發(fā)光效率40lm～70lm/W。巴可DP4K-32B采用6.5k W氙燈,最高亮度可達33K流明,對比度為2K∶1。投影機的HDR效果不明顯,根源是亮度不夠高。

(6)LED分辨率夠高。投影顯示系統(tǒng)分辨率受限于膠片、芯片,目前支持4K(4096×2160)分辨率,不能無限做大,價格高。而小間距LED顯示屏是箱體拼接,可以實現(xiàn)不犧牲亮度8K以上的超高分辨率。

(7)LED色彩深度廣。目前可達到量化深度16bit。二進制中表示2。假設(shè)1代表黑、0代表白,在黑白雙色系統(tǒng)中最少有2bit。位數(shù)大,灰度等級多,顏色層次也多。8 bit=2=256,16bit=2=65536。

據(jù)不完全統(tǒng)計,目前國內(nèi)院線影院1.5萬家,銀幕總數(shù)達到8萬塊左右。絕大多數(shù)影院使用反射式銀幕,升級換代為LED屏為少數(shù)高端影院。部隊少數(shù)固定影院前些年自購巴可、科視1K分辨率DLP數(shù)字放映設(shè)備,觀眾觀賞后評價放映效果不及LED色彩鮮艷、明亮、效果好。近幾年總部為解決基層單位放映設(shè)備更新與國家院線影院同步,陸續(xù)添置了數(shù)百臺2K分辨率DLP數(shù)字放映設(shè)備,還是有不少單位在銀幕后方架起了LED電影屏。部隊的特點是影院普遍超長超寬,一個影院能容納成百上千座位,顯得銀幕亮度、清晰度不夠,商業(yè)影廳一般容納100～300座位,不存在銀幕亮度、清晰度不夠的問題。LED由于主動發(fā)光替代銀幕被動發(fā)光、高對比度、高動態(tài)范圍、小間距、分辨率可選、長壽命、發(fā)光效率高、不分白晝、陰雨天亦能放映等優(yōu)勢,深受部隊歡迎。

真正實現(xiàn)從低亮度到高亮度、從低對比度到高對比度、從黑白到彩色、從標(biāo)準(zhǔn)清晰度到超高清晰度、從固定到流動、從小畫面到穹幕全景、從限制在黑色空間到全天候的放映方式及效果是無數(shù)科技工作者不斷創(chuàng)新完善電影銀幕新功能的創(chuàng)舉,也是我們文化影視人不斷的實踐和追尋。隨著生產(chǎn)成本降低、畫面柔和絲滑等性能提高,將會給許許多多影院升級換代LED屏創(chuàng)造巨大的空間和良好的前景。?