王化鋒

摘要：文章通過對當前數(shù)字影院系統(tǒng)運行機制及技術(shù)要求的分析，探討影響LED顯示屏在數(shù)字影院中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)及尋求這些關(guān)鍵技術(shù)的解決方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字影院；版權(quán)；色度；黨度；灰度

隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字影院已成為影院系統(tǒng)的發(fā)展主流，世界三大標準組織國際標準化組織電影技術(shù)標準委員會（International Organization for Standardization//Technical Committee，ISO/TC36）、數(shù)字電影倡導組織（Digital Cinema Initiatives，DCI）和美國電影電視工程師協(xié)會數(shù)字影院標準委員會（Society of Motion Picture andTelevision Engineers，SMPTE DC28）相繼發(fā)布了多項數(shù)字影院技術(shù)標準和規(guī)范，正是這些標準和規(guī)范的制定使得數(shù)字影院技術(shù)逐步形成和完善。

LED顯示屏作為數(shù)字圖像顯示載體，隨著LED小型化技術(shù)的發(fā)展，小尺寸LED封裝產(chǎn)品技術(shù)的成熟，使得LED顯示屏在會議、指揮調(diào)度系統(tǒng)等一些室內(nèi)近視距場合得到廣泛使用，原有的DLP背投、

LCD液晶拼接屏市場，已逐步被高清LED顯示屏取代；目前能夠批量生產(chǎn)的高清LED顯示屏可以實現(xiàn)像素間距0.9 mm，9 m2的顯示面積就可以實現(xiàn)4 K的顯示分辨率，一些公司相繼推出全LED電視機，且已經(jīng)開始進入一些高端家用市場。那么高清LED顯示屏是否可以在數(shù)字影院中得到很好的應(yīng)用？

1 當前數(shù)字影院系統(tǒng)的主要技術(shù)要求

1.1 數(shù)字影院系統(tǒng)運行流程

根據(jù)DCI DDS-V1.2規(guī)范，數(shù)字影院系統(tǒng)由片源制作系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和院線系統(tǒng)三大部分組成，如圖1所示。前兩個系統(tǒng)不是本文研究的內(nèi)容，只做簡單的概述；院線系統(tǒng)是本文關(guān)注的重點。

1.2 院線系統(tǒng)

數(shù)字院線系統(tǒng)是由投影機、媒介存儲設(shè)備、安全管理器、音響燈光和銀幕管理系統(tǒng)（Theater Management System，SMS）5個部分組成（見圖2）。銀幕管理系統(tǒng)提供人機界面控制系統(tǒng)，完成播放控制選擇、編輯播放表、開始放映、結(jié)束放映等，要求可以實現(xiàn)2K/4K的電影放映，支持3D/4D數(shù)據(jù)。

在數(shù)字影院系統(tǒng)中對版權(quán)的保護是非常重要的，將直接影響整個院線系統(tǒng)每個投資方的經(jīng)濟利益，因此對每個環(huán)節(jié)都要求加密處理，當前采用數(shù)據(jù)加密和密鑰相結(jié)合的方式，院線系統(tǒng)作為數(shù)字影院系統(tǒng)的終端環(huán)節(jié)，接觸的人員廣，更易出現(xiàn)盜錄，因此播控設(shè)備的加密保護尤其重要。

高清LED顯示系統(tǒng)被應(yīng)用在院線系統(tǒng)，將涉及與觀賞直接相關(guān)的放映系統(tǒng)（2D/3D/4D）和銀幕系統(tǒng)，因此首先要分析這兩個系統(tǒng)的光學性能、電氣性能，下面重點對當前影院的播放環(huán)境、圖像的光學性能要求做重點分析，研究和探討兩種機制的差異，找出局清LED顯7K系統(tǒng)如何才能實現(xiàn)在數(shù)字影院的完美應(yīng)用。

1.2.1 放映系統(tǒng)和銀幕系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

銀幕系統(tǒng)存在審片室和營業(yè)性電影廳兩種使用場合，對銀幕系統(tǒng)要求有所不同，審片室亮度色度一致性要求高于影院；SMPTE RP 431-1標準對審片室和營業(yè)性影院銀幕的絕對亮度級、白點的色度以及電影圖像在銀幕各部位的亮度及色度一致性給出了明確的定義（見表1）。該標準希望實現(xiàn)所放映畫面的影調(diào)及反差與母版制作過程中的意圖相匹配。

對審片室與營業(yè)性影院標準規(guī)定：（1）環(huán)境光亮度分別為0.01 cd/m2與0.03 cd/m2。（2）銀幕必須為漫反射類型，并支持1.85：1與2.39：1兩種寬高比。（3）配光時的參考觀看距離為銀幕高度的1.5?3.5倍。

1.2.2 3D電影

隨著數(shù)字電影技術(shù)發(fā)展和觀賞需求的提高，3D/4D電影的需求和應(yīng)用將成為未來主流趨勢，以投影機作為播放設(shè)備的電影技術(shù)，除了要求播放機（2臺）具備3D/4D的播放功能外，3D電影的觀賞均需要影院配備專用的3D眼鏡，當前數(shù)字影院都采用被動式3D技術(shù)。

2 高清LED顯示屏如何應(yīng)用在數(shù)字影院

根據(jù)以上分析可以看出，高清LED顯示屏作為播放顯示設(shè)備被應(yīng)用在院線系統(tǒng)，它處于放映系統(tǒng)和銀幕兩個環(huán)節(jié)，最直接、快速、經(jīng)濟的方式是用LED專用播控系統(tǒng)和高清LED顯示屏取代原來的放映機（投影機系統(tǒng)）和銀幕（白幕），其他系統(tǒng)設(shè)備可以保留使用，直接替代方式如圖3所示。高清LED顯示屏影院應(yīng)用系統(tǒng)中虛線框部分。

但由于高清LED顯示屏的播控及圖像再現(xiàn)技術(shù)與目前院線放映機系統(tǒng)在技術(shù)實現(xiàn)上存在較大的差異，當前數(shù)字院線系統(tǒng)是采用高亮度投影的技術(shù)路線，通過銀幕反射呈現(xiàn)圖像；而LED顯示屏是通過脈寬調(diào)制技術(shù)根據(jù)圖像的灰度級直接驅(qū)動LED實現(xiàn)圖像再現(xiàn)還原，屬于主動發(fā)光機制；如果采取直接替換的方式，必須要做一定的技術(shù)升級改造，才能適合當前數(shù)字影院播放的要求。

3 高清LED顯示屏在數(shù)字影院應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

高清LED顯示屏作為數(shù)字影院電影播放載體，最重要的指標是對母片影像內(nèi)容的真實還原、可靠性（7X12小時無故障運行）、聲音圖像的同步，其次是版權(quán)保護。

3.1 影像的真實還原

放映影像需要真實再現(xiàn)數(shù)字母片的影像效果，以真實還原電影拍攝時希望得到的效果，這些影像效果是通過色域、灰度、亮度、亮色均勻性4個主要光學指標來具體體現(xiàn)的，下面通過對高清LED顯示屏的色度、灰度和亮度的分析，找出其與當前數(shù)字影院播放技術(shù)存在的差異，探究技術(shù)改善的方法。

3.1.1 色域

在影視領(lǐng)域主要有3種色彩標準，分別為Rec.2020，DCI-P3， Rec.709，其中Rec.709是國際上電影行業(yè)普遍遵循的標準，能夠滿足電影播放所需要的色彩，目前影院使用的投影設(shè)備基本上都是按照這個色彩標準設(shè)計。色坐標對比如圖4所示。表明了LED，DLP所呈現(xiàn)的三基色坐標與Rec.709的色域坐標，可以清楚看出，LED顯示屏三基色的色度坐標與Rec.709要求存在一定的差異：（1）LED色域范圍比Rec.709標準要求的大。（2）LED在紅和綠的色域可以完全覆蓋Rec.709的色域，但藍色區(qū)域與Rec.709有些偏差。（3）LED的藍色區(qū)域與目前數(shù)字影院使用的DLP投影機有些偏差。

LED顯示屏在色域上可以呈現(xiàn)更多的顏色，可以通過色空間轉(zhuǎn)換基本滿足當前數(shù)字院線對圖像色彩的播放要求。

3.1.2 亮度

根據(jù)SMPTE RP 431-1標準數(shù)字影院屏幕亮度為（48.0±10.2）nit，也就說最大亮度是58.2 nit，高清LED顯示屏亮度可以從0到600 nit，遠大于標準規(guī)定亮度要求，且LED顯示屏具備亮度任意調(diào)節(jié)的能力，因此，在亮度上完全滿足影院環(huán)境的使用需要[1]。

3.1.3 灰度及亮色一致性

灰度是在某一亮度下圖像顏色從黑到亮變化的量化指標，變化的級數(shù)越多，再現(xiàn)的圖像越細膩、越清晰，對圖像細節(jié)的表現(xiàn)力更強，能夠呈現(xiàn)的顏色就越豐富。目前數(shù)字影院一般是按12 bits/色制作的母片，因此高清LED顯示屏必須至少具備12 bits/色的顏色表現(xiàn)能力，且需要在亮度不大于60 cd/m2環(huán)境下；也就是說要求LED顯示屏在60 cd/m2的亮度下，每種顏色具有4 096級灰度的表現(xiàn)能九就目前高清LDE顯示普遍采用的灰度處理技術(shù)存在一定的技術(shù)難度，主要因素如下。

（1）高清LED顯示屏灰度處理是采取脈寬調(diào)制（PulseWidth Modulation， PWM）技術(shù)，驅(qū)動電路的最小灰階脈寬（13 ns）限制了低灰度級的表現(xiàn)力。

（2）影院應(yīng)用的局清LED顯7K屏必須具備不小于3 840Hz的刷新頻率，以滿足2?3小時觀賞舒適度的要求，這對高灰度級的實現(xiàn)又是一個限制。

（3）高清LED顯示屏工作亮度低，要求LED的驅(qū)動電流小，LED小電流下的非線性特征，將對亮色一致性產(chǎn)生不良的影響，尤其對低灰圖像細節(jié)產(chǎn)生較大的破壞，將直接影響電影的觀賞效果。

（4）LED模組PCB上的寄生電容、電感的大小也將影響每個LED的工作電流，出現(xiàn)電流差異，導致低亮下灰度變差，這種情況在低灰度下更為突出，因此，PCB設(shè)計時必須要盡量降低寄生電容和電感。

（5）高清LED顯示屏具備像素級逐點亮度色度一致性校正的功能，且支持現(xiàn)場校正，整屏白場亮度一致性可以達到95%以上，白場色差△x≤±0.003， △y≤0.003，完全符合SMPTE RP 431-1 的要求[2]。

因此，高清LED顯示屏需要解決低亮度下灰度表現(xiàn)力較弱這一技術(shù)瓶頸，才能真正滿足數(shù)字影院的使用。

3.2 版權(quán)保護

母片版權(quán)保護是數(shù)字影院系統(tǒng)的重要核心，要求在任何環(huán)節(jié)都必須有加密措施，整個系統(tǒng)不能存在能復制拷貝的環(huán)節(jié)。LED顯示系統(tǒng)是由顯示屏（模組）、LED驅(qū)動（掃描）、專用數(shù)據(jù)發(fā)送器、拼接處理器構(gòu)成，高清LED顯示屏工作流程如圖5所示，是目前普遍采用的控制方式，可以看出有3個主要環(huán)節(jié)可能存在泄密的可能。

（1）拼接處理器輸入環(huán)節(jié)：目前設(shè)備均是開發(fā)式結(jié)構(gòu)，無密鑰結(jié)構(gòu)，需要按DCI標準增加密鑰處理機制。

（2）拼接處理器與LED專用發(fā)送器環(huán)節(jié)：目前多采用千兆以太網(wǎng)或光纖實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，多為無加密處理，即使做加密處理，其加密機制不符合DCI規(guī)范（ASE128加密）的要求[3]。

（3）LED專用發(fā)送器到LED驅(qū)動環(huán)節(jié)：由于高清LED顯示屏是由多個LED模組單元拼接組成，每個模組均有LED驅(qū)動器（掃描卡）負責模組區(qū)域圖像的控制，驅(qū)動器（掃描卡）之間以千兆以太網(wǎng)級聯(lián)，一般無加密處理。

基于上述分析，為滿足數(shù)字影院播控對版權(quán)的要求，必須對現(xiàn)有LED播控系統(tǒng)進行改造升級，集成式播控技術(shù)應(yīng)該是首選，內(nèi)部功能實現(xiàn)如圖6所示。要滿足影院播控的需要，集成式播控系統(tǒng)必須具備以下功能。

（1）支持AES128解密和密鑰（KEY）解鎖的功能；LED數(shù)據(jù)發(fā)送采用千兆以太網(wǎng)接口，但由于是分離式結(jié)構(gòu)，需要做link加密處理，模組單元內(nèi)的驅(qū)動掃描卡完成解密。

（2）具備對播控系統(tǒng)內(nèi)部工作狀態(tài)及LED顯示屏幕工作狀態(tài)的監(jiān)視、診斷功能。

（3）至少配置一個千兆以太網(wǎng)接口實現(xiàn)與屏幕管理系統(tǒng)的連接，接受屏幕管理系統(tǒng)的控制。

（4）完成圖像、音頻數(shù)據(jù)標志驗證，具備實時解壓來自影院文件服務(wù)器的圖像數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)和字幕數(shù)據(jù)的功能；具有圖像與聲音同步的保證機制。

3.3 3D播放

作為數(shù)字影院使用，高清LED顯示屏必須具備3D電影的播放能力，就目前的眼鏡式3D技術(shù)而言，無論是被動式偏振技術(shù)，還是主動式快門技術(shù)，目前的LED驅(qū)動顯示技術(shù)均可以輕松實現(xiàn)，且由于LED顯示屏的亮度及數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣葍?yōu)勢，其3D表現(xiàn)力比目前的投影方式要好很多。

眼鏡式3D技術(shù)存在一定的缺陷：（1）增加影院的運營成本；（2）觀賞舒適度降低；（3）長時間觀看易引起惡心眩暈。

因此，裸眼3D技術(shù)應(yīng)該是未來數(shù)字影院的發(fā)展趨勢，投影播放技術(shù)不具備實現(xiàn)裸眼3D的基礎(chǔ)，但LED顯示屏屬于像素獨立驅(qū)動主動發(fā)光技術(shù)，具備實現(xiàn)裸眼3D顯示的物理基礎(chǔ)，隨著光柵分離技術(shù)或柱狀棱鏡分光技術(shù)的進一步完善，高清LED顯示屏可以實現(xiàn)能夠商用的裸眼3D播放。

3.4 可靠性

高清LED顯示屏系統(tǒng)的可靠性關(guān)系到在其壽命期內(nèi)在影院環(huán)境的穩(wěn)定運行，作為商業(yè)性運行的數(shù)字院線，至少7×12小時無故障運行是必須保證的，平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MTBF）要求 10 000小時。一個4 K的院線LED顯示屏，將有4 096×2 160=8 847 360個像素組成，因此LED的可靠性將直接決定顯示屏系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

根據(jù)軍標GJB/Z299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》對4 K分辨率LED顯示屏幕中主要器件LED的MTBF進行評估，其失效率：λp=920X10-6/h，MTBF=1 086 h，遠小于標準要求的10 000小時，這個數(shù)據(jù)只是理論上的預(yù)測，根據(jù)近幾年高清LED顯示屏的實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，其MTBF可以達到5 000小時以上，但距離標準要求的10 000小時還有差距，主要原因是：當前高清LED顯示屏均采用Chip-PCB封裝的LED，Chip—PCB LED物理尺寸只有 1.0 mm×l.O mm，以PCB為基板，內(nèi)置RGB芯片和電極引線等金屬材料，外部環(huán)氧樹脂密封，在電流的作用下，這些金屬離子會出現(xiàn)一定離子漂移，LED在使用一段時間之后，易發(fā)生內(nèi)部短路，形成顏色亮條現(xiàn)象或LED失效，直接影響觀看效果。

因此，LED的可靠性將成為影響高清LED大屏幕在數(shù)字影院應(yīng)用的核心因素，提高Chip-PCB型LED的可靠性是當務(wù)之急。

4 結(jié)語

根據(jù)上面的研究分析，高清LED顯示屏在數(shù)字影院應(yīng)用還存在一定的技術(shù)缺陷，無法完全替代投影技術(shù)，要實現(xiàn)商業(yè)影院的應(yīng)用，在以下技術(shù)上必須有所突破。

（1）可靠性方面，尤其是Chip-PCB型LED的耐候性，這是目前高清LED顯示屏的主要技^瓶頸，很多LED制造商正在通過改良封裝材料的耐候性、壓焊幫定工藝等措施，提高LED的可靠性；COB技術(shù)、MicroLED在耐候性方面有一定的優(yōu)勢，如果COB封裝能夠解決一次良品率和亮色一致性的瓶頸，應(yīng)該是不錯的選擇。

（2）低亮度下灰度的表現(xiàn)力，通過提高驅(qū)動電路的速率和通道電流的精度、降低PCB上的寄生電容電感和提高模組散熱的均勻性，可以較好地解決目前高清LED顯示屏在低亮度下灰度表現(xiàn)差的問題；

（3）投資成本偏高，高清LED顯示系統(tǒng)的成本比目前投影技術(shù)要高很多，雖然其壽命長，但初期投資高，需要降低其成本，否則即使上述技術(shù)得到解決，投資也將制約其在數(shù)字影院的推廣應(yīng)用。

[參考文獻]

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[3]Digital Cinema Initiatives.Digital Cinema System Specification（Version 1.2）[EB/OL].（2017-03-16）[2018-04-20].http：//www.dcimovies.com/.