LED球幕在特種影院的技術(shù)優(yōu)勢與設(shè)計(jì)

朱 斌

（南京洛普科技有限公司，江蘇 南京 210061）

0 引 言

實(shí)驗(yàn)心理學(xué)家赤瑞特拉（Treicher）曾經(jīng)做過一個(gè)有名的心理學(xué)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過大量的驗(yàn)證證明：人類獲取的信息83%來自視覺[1]，11%來自聽覺。正是基于此實(shí)驗(yàn)結(jié)果，特種電影被賦予了更多“構(gòu)造沉浸式體驗(yàn)感”的使命，并在電影行業(yè)迸發(fā)出新的生命力。與普通電影不同之處在于，特種電影需要借助特效影片、特殊放映設(shè)備產(chǎn)生各種不同的效果，通過刺激觀眾的感官系統(tǒng)，讓觀眾體驗(yàn)到超脫現(xiàn)實(shí)的臨場感。

在球幕劇場發(fā)展的近50年間，已經(jīng)形成了數(shù)家世界級(jí)的球幕制造商，如美國EVANS &SUTHERLAND（益世電腦公司）、Sky-Skan 公司、Spitz公司，以及日本Konica Minolta公司。上述四家公司幾乎占據(jù)球幕影院市場超70%的份額[2]。除此之外，IMAX球幕完成了包括設(shè)備租賃、電影攝制、后期制作以及銷售發(fā)行等商業(yè)業(yè)務(wù)的建設(shè)，擁有龐大的全球放映網(wǎng)絡(luò)[3]。盡管各個(gè)公司建立的生態(tài)圈風(fēng)生水起，但毫無疑問的是，放映機(jī)“基因”里的缺陷、球幕影院建設(shè)和運(yùn)營的弊病一直無法根除。直到2017年，南京洛普科技有限公司（以下簡稱南京洛普或洛普）研制的創(chuàng)新產(chǎn)品——LED球幕的誕生打破了球幕電影放映效果停滯不前的局面，為球幕電影市場注入了新的活力。

時(shí)至今日，絕大多數(shù)球幕影院仍采用基于數(shù)字光處理（Digital Light Processing，DLP）技術(shù)的放映機(jī)。DLP技術(shù)是目前主流的投影技術(shù)。為了驗(yàn)證LED球幕技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性，本文對(duì)比了索尼公司新建的上海天文館球幕（2021年7月正式開館）投影參數(shù)，通過數(shù)據(jù)對(duì)比和分析研究，總結(jié)了LED球幕的幾大技術(shù)優(yōu)勢及設(shè)計(jì)思路。

1 亮 度

在上海天文館內(nèi)測得圖像45°，60°，90°（中心）三處位置的白場亮度分別為10.37 cd·m-2，9.79 cd·m-2，9.78 cd·m-2。該球幕劇場使用的放映設(shè)備是一款支持高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）的4K激光投影系統(tǒng)，采用了SXRD反射式液晶面板芯片，也是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的投影設(shè)備之一。盡管投影機(jī)的調(diào)試和采購數(shù)量也會(huì)影響輸出亮度，但是從現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)來看，其白場亮度的表現(xiàn)力不足且差距較大。2020年，南京洛普建造的LED球幕現(xiàn)場測得的亮度為110 cd·m-2，超過激光投影10倍多。

從國家電影局2021年1月1日新發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以看出，電影行業(yè)的亮度指標(biāo)相較于《數(shù)字電影巨幕影院技術(shù)規(guī)范和測量方法》（GD/J 040—2012）有所提升，但是由于被動(dòng)發(fā)光原理，加上現(xiàn)有銀幕材質(zhì)的限制，光線經(jīng)過銀幕后仍存在較大的亮度損失，導(dǎo)致亮度的提升一直是投影機(jī)（放映機(jī)）的難點(diǎn)[4]。

使用主動(dòng)發(fā)光技術(shù)的LED球幕，在功耗不受限的情況下，可以自主選擇屏幕亮度，亮度通常在48～500 cd·m-2。LED球幕由多種規(guī)格的顯示單元組成，每一塊顯示單元上集成了信號(hào)接口、LED燈珠以及驅(qū)動(dòng)電路。在設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)師可根據(jù)亮度和功耗要求，綜合考慮驅(qū)動(dòng)芯片的帶載能力，設(shè)計(jì)電路的掃描數(shù)，并通過選擇不同亮度級(jí)別的燈珠，采用內(nèi)置靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Static Random Access Memory，SRAM）的PWM芯片，在滿足亮度參數(shù)的同時(shí)獲得較高的刷新率。不僅如此，LED球幕還具有亮度可調(diào)功能。在很多工程應(yīng)用案例中，亮度可調(diào)功能不僅可以根據(jù)各類項(xiàng)目場景的明暗需求進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，還可以降低LED球幕的發(fā)熱量，延長使用壽命。這也是LED球幕運(yùn)營成本低的一個(gè)重要因素之一。

2 暗畫面顯示

在比較黑場亮度這一參數(shù)時(shí)，LED球幕的優(yōu)勢依然明顯。上海天文館球幕測得的黑場亮度為0.003 cd·m-2，而第三方檢測機(jī)構(gòu)對(duì)南京洛普LED球幕測試的黑場亮度為0 lx。

以金屬銀幕舉例，為了提高光的反射率，實(shí)現(xiàn)更高增益，金屬銀幕的外涂層均為專用的樹脂，其中含有緊密的金屬分子組成的蜂窩陣列。與銀幕相反的是，為了降低反射率，提高對(duì)比度，LED球幕表面材質(zhì)均要求為黑色啞光，PCB表面設(shè)置有一層黑色啞光阻焊涂層，每一顆燈珠均采用黑色PPA，發(fā)光面加入散色劑的環(huán)氧樹脂包裹，面罩則采用黑色PC材料表面加二次黑色噴涂。正是由于LED球幕表面黑色吸光且不反光，因此，LED球幕在不點(diǎn)亮的情況下可以更黑，在黑夜和宇宙星空以及暗黑海底畫面的表現(xiàn)上更為出眾。尤其是在飛行模擬應(yīng)用時(shí)，不會(huì)因?yàn)榘诞嬅娌粔蚝趯?dǎo)致顯示細(xì)節(jié)丟失的問題，更適合需要高精度顯示的專業(yè)領(lǐng)域。

在電影行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)里，幀內(nèi)對(duì)比度測量信號(hào)是整幅圖像均分為16塊黑色和白色相間方格，通過這種方式測量一幅圖像中明暗區(qū)域最亮的白色和最暗的黑色之間的亮度比值。白色越亮、黑色越暗，對(duì)比度就越高，畫面的黑白反差越明顯，觀看感受到的清晰度越高，畫面的通透性就越好；反之，畫面會(huì)有一種灰蒙蒙的效果，不僅色彩暗淡，而且模糊不清。

上海天文館球幕測試得到的幀內(nèi)對(duì)比度僅為6.6∶1，而洛普的LED球幕幀內(nèi)對(duì)比度實(shí)測數(shù)據(jù)已達(dá)到60∶1，順序?qū)Ρ榷冗_(dá)到13 750∶1，也遠(yuǎn)超當(dāng)時(shí)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1 200∶1。

除了對(duì)比度方面的優(yōu)勢以外，在驅(qū)動(dòng)能力方面，洛普LED球幕每通道輸出電流值已低至0.5 mA，同時(shí)內(nèi)部搭載SRAM的創(chuàng)新架構(gòu)、S-PWM技術(shù)，可完美展現(xiàn)極低亮度下的高灰階表現(xiàn)力。在顯示控制方面，最新的“畫質(zhì)引擎”技術(shù)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更低亮度下的畫面精細(xì)顯示。因此，LED球幕產(chǎn)品是一款真正意義上的數(shù)字化顯示設(shè)備，具有更精確的亮度控制能力和更細(xì)膩的畫面展現(xiàn)力。

3 均勻度

投影機(jī)通過將片源投射在銀幕上實(shí)現(xiàn)顯示功能，這種方式必然存在投射中心亮度大于投射邊緣亮度的情況。有些劇場為了節(jié)約投影設(shè)備的購置費(fèi)用，減少投影設(shè)備數(shù)量，加上不同投影機(jī)的光參差異以及安裝調(diào)試位置的差異，投射圖像的邊緣還會(huì)存在融合帶。因此，亮度均勻度問題在投影設(shè)備中一直存在，且?guī)缀鯚o法根除。

從上海天文館的球幕測試數(shù)據(jù)來看，其激光投影設(shè)備的亮度均勻度分別為94.0%，94.9%，85.8%，96.2%，超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的70%要求。但是與LED球幕相比，仍遜色不少。在LED顯示屏的研制過程，亮度均勻性一直是各個(gè)顯示屏廠家追求的重要指標(biāo)之一。為了提升產(chǎn)品的亮度和色度的均勻性，各個(gè)廠家會(huì)從原材料選型、生產(chǎn)工藝兩方面入手。

3.1 原材料選型

受到LED芯片工藝的影響，LED芯片會(huì)存在亮度、波長的差異。為了減少這一差異帶來的影響，綜合考慮生產(chǎn)成本的情況下，封裝廠（燈珠廠）會(huì)設(shè)定一道分光分色的流程，即在燈珠打包出貨前，根據(jù)燈珠的亮度、波長范圍對(duì)每一顆燈珠進(jìn)行一次精細(xì)分檔，通常檔位的設(shè)置為最大亮度與最小亮度的比值1∶1.2～1∶1.3，波長范圍是4～5 nm。顯示屏廠家也可以根據(jù)均勻度的要求，提出定制的亮度和波長范圍。在燈珠出廠前，絕大多數(shù)燈珠廠家還會(huì)進(jìn)行一次混燈操作。

3.2 二次分選和校正

經(jīng)過精細(xì)分檔的燈珠在制作成顯示屏之前，多數(shù)中高端顯示屏廠家還會(huì)進(jìn)行第二次混燈操作。燈珠的亮度分布為典型的正態(tài)分布，二次混燈操作可進(jìn)一步將亮度較為集中的燈珠散開分布。顯示屏組裝完成后，顯示屏廠家通過采集每顆燈珠的亮度和顏色差異，設(shè)定目標(biāo)值，對(duì)燈珠進(jìn)行亮度調(diào)整和補(bǔ)色修正。亮度調(diào)整后的顯示屏的均勻性可達(dá)到99%以上，色度均勻性可達(dá)到±0.003。第三方檢測中心的測試數(shù)據(jù)顯示，LED球幕的亮度分布均勻度可達(dá)到100.9%～114.4%不等，均勻度指標(biāo)領(lǐng)先。

因此，LED球幕不僅不存在融合帶問題，而且成熟的生產(chǎn)工藝使得亮度均勻度更優(yōu)，其畫質(zhì)水平是投影設(shè)備無法媲美的。

4 維護(hù)成本低

投影機(jī)主要分為燈泡投影機(jī)和激光投影機(jī)兩種。以哈爾濱萬達(dá)飛行影院為例，該球幕劇場共有12臺(tái)投影機(jī)，每臺(tái)投影機(jī)的燈泡更換費(fèi)用為每兩個(gè)月6萬元，全年更換燈泡的費(fèi)用為36萬元，加上投影機(jī)自身的維護(hù)成本，整個(gè)球幕影院的全年維護(hù)費(fèi)用至少40萬元。此外，散熱系統(tǒng)需要每月進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)內(nèi)容包括濾芯的清潔、安裝、投影融合帶的校正等。

LED球幕目前的售價(jià)高于普通球幕，但是后期維護(hù)成本極低。LED球幕由多種規(guī)格的LED顯示單元拼裝而成，每個(gè)LED顯示單元上有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路和發(fā)光器件，所有模塊可獨(dú)立拆裝，維護(hù)便捷。

在LED球幕出廠前，顯示屏廠商會(huì)根據(jù)環(huán)境亮度和功耗限值配置最大白平衡亮度。由于球幕的使用環(huán)境均比較暗，LED球幕的出廠亮度基本不高于500 cd·m-2，紅綠藍(lán)三基色的使用電流典型值在8 mA，5 mA，3 mA，均屬于低功耗運(yùn)行狀態(tài)。LED芯片的理論半衰期為10萬小時(shí)，封裝后的理論半衰期假設(shè)為5萬小時(shí)，按照每天8小時(shí)、全年365天運(yùn)營計(jì)算，LED球幕理論工作年限超過15年。由于整個(gè)LED球幕系統(tǒng)的集成化程度低，集中度高，因此在整個(gè)運(yùn)營過程中，僅需對(duì)部分零件進(jìn)行更換，其產(chǎn)生的費(fèi)用鳳毛麟角。

5 兼容多種影片播放格式

盡管我國的球幕影院的建造數(shù)量逐年提升，超大型球幕影院的數(shù)量已經(jīng)與美國旗鼓相當(dāng)，但是觀眾量和人氣上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及。究其原因，除了影院本身功能單一以外，球幕影片的開發(fā)不足，租用成本高，以及球幕系統(tǒng)制式不通用的問題是主要原因。我國科技博物館球幕電影中實(shí)時(shí)類節(jié)目的播放占比僅為4%，缺乏高端影片服務(wù)器的支持，同時(shí)影片的更換頻率不高，約有75%的影院影片更換頻率為1年1次，約有12%的影院幾年才更換一部影片[5]。

我國的球幕影院數(shù)字化程度還有待提高，在球幕設(shè)備供應(yīng)商中有幾大供應(yīng)商，如美國E&S，E&S、Sky-Skan、ZEISS、Fulldomepro、莫高絲路、北京神州四達(dá)等，均采用不同的系統(tǒng)，系統(tǒng)的編碼格式均不相同。盡管膠片類電影可以通過掃描的方式轉(zhuǎn)為數(shù)字電影，格式之間也可以通過軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但是其便捷程度遠(yuǎn)不如統(tǒng)一播放格式或是支持多種格式的播放服務(wù)器更能推動(dòng)球幕電影產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

LED球幕播放系統(tǒng)主要由LED球幕顯示設(shè)備和前端電影服務(wù)器、各類音視頻處理設(shè)備以及同步控制設(shè)備組成。整個(gè)系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，支持各類無損的序列幀格式電影，格式包括tiff，jpeg2000，tga，png等。上述幾種格式基本包含了絕大多數(shù)的球幕電影格式，同時(shí)，還可以通過配置不同的影片服務(wù)器以滿足不同的需求，包括不同格式的影片播放、實(shí)時(shí)播放需求等。

因此，相比普通球幕播放系統(tǒng)，LED球幕播放系統(tǒng)不受播放格式的限制，系統(tǒng)配置更靈活，更有利于各類應(yīng)用場景的推廣和應(yīng)用。

6 結(jié) 語

LED球幕擁有亮度高、對(duì)比度高、均勻度高、運(yùn)營成本低以及影片兼容性優(yōu)勢，彌補(bǔ)了投影機(jī)現(xiàn)有技術(shù)缺陷。因此，LED球幕吸引了全球各地的客戶。LED球幕產(chǎn)品應(yīng)用項(xiàng)目不僅包括天文館，還包括各類飛行影院。目前已經(jīng)建成的LED球幕有無錫、廣州、昆明的LED飛行球幕，泰山石敢當(dāng)文化旅游區(qū)，日本橫濱柯美天文館LED球幕以及日本名古屋柯尼卡天文館LED球幕等。經(jīng)過5年的市場推廣和商業(yè)應(yīng)用，LED球幕產(chǎn)品在接口通用性、影片兼容性、顯示效果等方面優(yōu)勢凸顯。隨著行業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和成本的進(jìn)一步下降，LED球幕將成為未來高端飛行、特種影院的重要組成部分。