朱 斌

（南京洛普科技有限公司，江蘇 南京 210061）

0 引 言

實驗心理學家赤瑞特拉（Treicher）曾經(jīng)做過一個有名的心理學實驗，經(jīng)過大量的驗證證明：人類獲取的信息83%來自視覺[1]，11%來自聽覺。正是基于此實驗結果，特種電影被賦予了更多“構造沉浸式體驗感”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)，讓觀眾體驗到超脫現(xiàn)實的臨場感。

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)務的建設，擁有龐大的全球放映網(wǎng)絡[3]。盡管各個公司建立的生態(tài)圈風生水起，但毫無疑問的是，放映機“基因”里的缺陷、球幕影院建設和運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）技術的放映機。DLP技術是目前主流的投影技術。為了驗證LED球幕技術指標的先進性，本文對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)對比和分析研究，總結了LED球幕的幾大技術優(yōu)勢及設計思路。

1 亮 度

在上海天文館內測得圖像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備是一款支持高動態(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，也是當時最先進的投影設備之一。盡管投影機的調試和采購數(shù)量也會影響輸出亮度，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)標準可以看出，電影行業(yè)的亮度指標相較于《數(shù)字電影巨幕影院技術規(guī)范和測量方法》（GD/J 040—2012）有所提升，但是由于被動發(fā)光原理，加上現(xiàn)有銀幕材質的限制，光線經(jīng)過銀幕后仍存在較大的亮度損失，導致亮度的提升一直是投影機（放映機）的難點[4]。

使用主動發(fā)光技術的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接口、LED燈珠以及驅動電路。在設計初期，設計師可根據(jù)亮度和功耗要求，綜合考慮驅動芯片的帶載能力，設計電路的掃描數(shù)，并通過選擇不同亮度級別的燈珠，采用內置靜態(tài)隨機存取存儲器（Static Random Access Memory，SRAM）的PWM芯片，在滿足亮度參數(shù)的同時獲得較高的刷新率。不僅如此，LED球幕還具有亮度可調功能。在很多工程應用案例中，亮度可調功能不僅可以根據(jù)各類項目場景的明暗需求進行實時的調整，還可以降低LED球幕的發(fā)熱量，延長使用壽命。這也是LED球幕運營成本低的一個重要因素之一。

2 暗畫面顯示

在比較黑場亮度這一參數(shù)時，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，而第三方檢測機構對南京洛普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，提高對比度，LED球幕表面材質均要求為黑色啞光，PCB表面設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用時，不會因為暗畫面不夠黑導致顯示細節(jié)丟失的問題，更適合需要高精度顯示的專業(yè)領域。

在電影行業(yè)標準里，幀內對比度測量信號是整幅圖像均分為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對比度僅為6.6∶1，而洛普的LED球幕幀內對比度實測數(shù)據(jù)已達到60∶1，順序對比度達到13 750∶1，也遠超當時的行業(yè)標準1 200∶1。

除了對比度方面的優(yōu)勢以外，在驅動能力方面，洛普LED球幕每通道輸出電流值已低至0.5 mA，同時內部搭載SRAM的創(chuàng)新架構、S-PWM技術，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“畫質引擎”技術可進一步實現(xiàn)更低亮度下的畫面精細顯示。因此，LED球幕產(chǎn)品是一款真正意義上的數(shù)字化顯示設備，具有更精確的亮度控制能力和更細膩的畫面展現(xiàn)力。

3 均勻度

投影機通過將片源投射在銀幕上實現(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)約投影設備的購置費用，減少投影設備數(shù)量，加上不同投影機的光參差異以及安裝調試位置的差異，投射圖像的邊緣還會存在融合帶。因此，亮度均勻度問題在投影設備中一直存在，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，其激光投影設備的亮度均勻度分別為94.0%，94.9%，85.8%，96.2%，超過行業(yè)標準的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顯示屏廠家追求的重要指標之一。為了提升產(chǎn)品的亮度和色度的均勻性，各個廠家會從原材料選型、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）會設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、波長范圍對每一顆燈珠進行一次精細分檔，通常檔位的設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)燈珠廠家還會進行一次混燈操作。

3.2 二次分選和校正

經(jīng)過精細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進行第二次混燈操作。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，設定目標值，對燈珠進行亮度調整和補色修正。亮度調整后的顯示屏的均勻性可達到99%以上，色度均勻性可達到±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到100.9%～114.4%不等，均勻度指標領先。

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)，其畫質水平是投影設備無法媲美的。

4 維護成本低

投影機主要分為燈泡投影機和激光投影機兩種。以哈爾濱萬達飛行影院為例，該球幕劇場共有12臺投影機，每臺投影機的燈泡更換費用為每兩個月6萬元，全年更換燈泡的費用為36萬元，加上投影機自身的維護成本，整個球幕影院的全年維護費用至少40萬元。此外，散熱系統(tǒng)需要每月進行維護，維護內容包括濾芯的清潔、安裝、投影融合帶的校正等。

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

在LED球幕出廠前，顯示屏廠商會根據(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，均屬于低功耗運行狀態(tài)。LED芯片的理論半衰期為10萬小時，封裝后的理論半衰期假設為5萬小時，按照每天8小時、全年365天運營計算，LED球幕理論工作年限超過15年。由于整個LED球幕系統(tǒng)的集成化程度低，集中度高，因此在整個運營過程中，僅需對部分零件進行更換，其產(chǎn)生的費用鳳毛麟角。

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，但是觀眾量和人氣上遠遠不及。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時類節(jié)目的播放占比僅為4%，缺乏高端影片服務器的支持，同時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，在球幕設備供應商中有幾大供應商，如美國E&S，E&S、Sky-Skan、ZEISS、Fulldomepro、莫高絲路、北京神州四達等，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為數(shù)字電影，格式之間也可以通過軟件進行轉換，但是其便捷程度遠不如統(tǒng)一播放格式或是支持多種格式的播放服務器更能推動球幕電影產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

LED球幕播放系統(tǒng)主要由LED球幕顯示設備和前端電影服務器、各類音視頻處理設備以及同步控制設備組成。整個系統(tǒng)采用分布式架構，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，還可以通過配置不同的影片服務器以滿足不同的需求，包括不同格式的影片播放、實時播放需求等。

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，更有利于各類應用場景的推廣和應用。

6 結 語

LED球幕擁有亮度高、對比度高、均勻度高、運營成本低以及影片兼容性優(yōu)勢，彌補了投影機現(xiàn)有技術缺陷。因此，LED球幕吸引了全球各地的客戶。LED球幕產(chǎn)品應用項目不僅包括天文館，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)模的擴大和成本的進一步下降，LED球幕將成為未來高端飛行、特種影院的重要組成部分。