用LED新技术点亮数字电影屏幕

乔 鹏 王 梅 贠有名

1.解放军文化艺术中心,北京 100120

2.海军政治工作部宣传文化中心,北京 100841

3.南部战区陆军政治工作部,广西南宁 530028

一百多年来,电影放映一直以投影为基础,虽然放映光源技术和分辨率等技术指标不断改进和提高,但被动显示技术的本质并未改变。1907年人类第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象,经过无数科学家近百年的巨大努力和研究实践,成功实现了具有小间距、可控、长寿命、高对比度、高亮度、广色域等特点的LED全新放映方式,打破了投影的垄断,开启了电影显示技术新时代。

为落实国家 “十四五”规划文化建设大项任务,《“十四五”中国电影发展规划》指出,重点研究拥有自主知识产权的LED屏等关键性电影科研成果更加丰富。部队文化影视工作建设不断深入推进,LED屏应用越来越广泛,如:影院、演出、多功能厅、会议中心等场所;由于LED不怕风吹雨淋、大小随需拼接,扩展至军事训练、演习、指挥中心也广泛使用。目前,相对固定的影院场所,多数更新升级为小间距LED屏。

1 LED光源的发展

图1 电致发光纤维

(1)早期电致发光现象研究。1907年英国科学家亨利·约瑟夫·罗德第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。1921年俄罗斯科学家罗塞夫再次观察到光发射效应。1935年法国科学家德斯提奥发表了关于硫化锌粉末通电发光的报告,出现了 “电致发光”这个术语。

(2)1950年后LED高速发展。1962年美国工程师尼克·何伦亚克Nick Holonyak Jr等使用磷砷化镓 (Ga AsP)材料制成了红色发光二极管。

图2 显示单元红绿蓝LED组合

(3)LED的进一步应用。在两个方面有显著改进:一是获取能够发出蓝色可见光谱LED,进行全色显示;二是极大地提高光效。1993年,日本科学家中村修二等人开发出了首个明亮蓝色的氮化镓LED。1999年,输入功率达1瓦的LED商品化。近些年来,LED发展集中于光效的提高。LED白光的光效在2006年达到130流明/瓦左右,2013年白光光效已经达到300流明/瓦,成为效率最高的电光源。

2 LED图像还原原理

2.1 LED像素概念

(1)屏幕像素。LED作为图像显示所能显示的最小单位,称为像素,亦称 “象素”。也可以表述为:由一个数字序列 (很多信息)表示的图像内容中最小的一个显示内容单元。LED作为图像显示像素组成,是指封装好一个可以发出红光、绿光、蓝光三种颜色色光的独立元件 (一个灯珠)。LED显示屏的间距是指两枚LED灯珠中心点之间的距离,用字母 “P+数字”表示,比如P 10就是灯珠中心间距为10毫米,一般间距在P 2.5以下就是小间距LED产品。为了控制像素的亮度和彩色深度,每个像素需要很多个二进制位来表示,如果要显示由黑色到白色256个阶梯深度的颜色,每个像素至少需要8位8bit(一个字节)来表示,即2的8次方等于256;当显示真彩色时,每个像素要用3个字节的存储量。像素值是指LED屏幕墙有多少个独立元件。如水平线长度8Kmm,每1mm有1个LED独立元件,8K个LED独立元件,水平像素值是8K像素;垂直线长度5Kmm,每1mm有1个LED独立元件,有5K个LED独立元件,垂直像素值5K像素;水平8K和垂直5K总像素值为8K×5K=40000000(4千万)像素。

(2)图片像素。组成图片中明暗、色彩的最小单元 (小方块而不是一个点)称为图片像素。图片一般由印刷机、打印机、绘画等产生。比如一个紫色小单元是由红色和蓝色混合而成。

2.2 LED分辨率

一般来说,分辨率可以从显示分辨率与图像分辨率两个方向来分类。许多LED显示内容单元组合在一起就形成了显示屏。单位面积内LED显示单元放置的数量,即LED屏幕所能显示的像素多少,就是像素值。LED屏幕上的点、线和面都是由LED显示单元组成的,单位面积内LED显示单元数量越多,屏幕区域内能显示的信息也越多,画面就越精细、分辨率就越高。分辨率等于LED屏长的数目乘以高的数目。

LED像素尺寸大小一般取决于芯片的大小、像素数量。观看距离指的就是人眼距离与所观看画面之间的距离。有资料显示:人的视网膜上光敏细胞间的物理距离决定了人眼分辨率的极限,当成像在黄斑区的时候,分辨率达到最高1′角度。通常当视角小于1′时,人眼是无法分辨的。人眼的分辨率与观看物体的亮度、对比度、色彩以及静止、相对运动有关。

图3 人眼视觉锐度

LED像素多大尺寸才能满足我们观看电影的要求?根据上述分析和国际标准视力表推算可得:(1)目前大型影厅银幕宽度约20米左右、中小型影厅银幕宽度约10米左右,观看者站在银幕宽度10米的0.5倍处即5米观看被测物体大小,这个5米距离刚好等于国际标准视力表测试距离;(2)国际标准视力表5.0视力对应正方形图案E的数值是7.25mm×7.25mm,垂直为3个横向黑色线段和2个横向白色线段共5个线段。每个线段的高度是7.25mm/5=1.45mm;(3)通过三角函数可以求得观看者距离银幕5Kmm、线段高度1.45mmα的值。已知:观看者距离国际标准视力表长a为5Kmm(底边),正方形图案E单个线段的高度b为1.45mm(对边)。tan=b/a=1.45mm/5Kmm=0.00029。查表或计算tanα=0.01662×60′=0.99721′角度≈1′角度。和上述资料显示1′角度接近。由此而得观看者最近距离银幕5000mm处时LED像素尺寸小于1.4 5mm即可获得清晰图像;观看者最近距离银幕8Kmm处时LED像素尺寸 (0.0 0029×8Kmm=2.3 2mm)小于2.3 2mm即可获得清晰图像;观看者最近距离银幕10Kmm处时LED像素尺寸(0.0 0029×10Kmm=2.9 mm)小于2.9 mm即可获得清晰图像。

因此可以看出,当人眼的视力为一个定值时,LED尺寸越大,观看距离越近,人眼对于LED的分辨能力就越高。LED尺寸越小,观看距离越远,人眼对LED的分辨能力就越低。比如观看距离5Kmm、银幕宽10Kmm,如果是2K画面的话,每个像素相对人眼的分辨率角度为:(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′,人眼分辨率的角度为3.357′;4K画面由上述方法计算可得出:人眼的分辨率角度为1.6776′。同样尺寸的屏幕,4K画面比2K画面像小,画面显得清晰细腻。如果LED像素越小,观看时人眼距离可以越近。

2.3 LED显示屏的分辨率计算

LED显示屏分辨率计算,用长和宽除以像素间距,分辨率就出来了。比如一块室内LED显示屏宽为4.096米,高为2.160米,像素间距为1mm,那实际像素就是4096×2160。有些时候要根据像素来选LED显示屏规格,如果按照长1024×宽768像素做块P 2.5的显示屏,那么计算方法就是长1024像素×2.5间距=2.56米,高度则是768像素×2.5间距=1.92米。又如按照长4096×宽2160像素做块P 2.32的显示屏,那么计算方法就是长4096像素×2.32间距=9.502米,高度则是2160像素×2.3 2间距=5.0 11米。

2.4 LED色彩

(1)色光的混合。我们看到的太阳光、可见光,光波λ在780nm～380nm之间,按红橙黄绿青蓝紫顺序排列。物体的颜色来源于光,人眼对颜色的感觉与照射物体的光源波长有关。太阳白光包含了各种颜色。当照射一个不透明、不发光的物体时,一部分光被吸收,另一部分被物体反射,人们看到的颜色正是物体反射光的颜色。人们经过长期实践,发现自然界所能观察到的无穷种颜色,均可由三种基色 (红、绿、蓝)以不同的比例混合而成,即所有颜色都可分解为红、绿、蓝三种基本颜色。用公式表示:红 (R)+绿 (G)+蓝 (B)=白光(Y);红 (R)+绿 (G)=黄;红 (R)+蓝 (B)=紫;蓝 (B)+绿 (G)=青。科学实验证明:1流明白光 (Y)=0.30流明红色光 (R)+0.59流明绿色光 (G)+0.11流明蓝色光 (B)。

(2)LED发出白光。类似自然光谱白光LED主要有三种:一是比较成熟且已商业化的蓝光芯片+黄色荧光粉来获得白光。二是紫外光或紫光芯片+红、蓝、绿三基色荧光粉来获得白光,发光原理类似于日光灯。三是利用三基色原理将RGB三种超高亮度LED混合成白光,通过控制器可分别控制红、绿、蓝光LED的发光强度,达到全彩的混色效果。

图4 LED发出有过渡的单色光

(3)LED发出有过渡的单色光。例举LED最小显示单元发红光、量化深度8bit。用数字控制信号控制LED发光,是由黑色到红色量化深度为8bit信号 (8bit在二进制中有2=256个等级),从黑色到红色有256个等级变化。二进制的不同权值其脉冲宽度不一样,右端为最小权值1;从右向左分别为权值1、权值2……权值8。LED显示红光的时间长度与权值的大小有关。用数字脉冲信号00000000驱动LED时,这段时间因为没有数字脉冲信号,没有电压值,LED不发光,人眼感受到黑色点;用数字脉冲信号11111111驱动LED时,因为这段时间一直有数字脉冲信号激励LED发光,人眼感受到亮红色点;用数字脉冲信号00011111驱动LED时,因为这段时间一部分有数字脉冲信号激励LED发光,人眼感受到浅红色点;用数字脉冲信号00000011驱动LED时,因为这段时间一小部分有数字脉冲信号激励LED发光,人眼感受到暗红色点;用8bit多种变化数字脉冲信号驱动LED时,就会发出黑、红之间多种变化的颜色,人眼也就感受到红、暗红、浅红色等多种变化的颜色。这里只是例举几种变化状态,实际应用中状态的变化是无数的。对于发出绿色、蓝色过渡色光的LED与上述原理相同。

(4)LED色光的混合。为准确表示LED发光某时刻的状态,取一段极短的时间Δt(分6个时段,Δt=1,Δt=2,…,Δt=6)来分析LED内红色、绿色、蓝色混合变化的颜色。当Δt=1时,红光LED发光,呈现红色光斑;Δt=2时,绿光LED发光,呈现绿色光斑;同理,Δt=3时,蓝光LED发光,呈现蓝色光斑;当Δt=4时,绿光LED发光发出绿色光,此绿色与Δt=1时的红色相加,使人眼的主观感觉为黄色;Δt=5时,蓝光LED发光发出蓝色光,此蓝色与Δt=2时的绿色相加,使人眼的主观感觉为青色;Δt=6时红光LED发光发出红色光,此红色与Δt=3时的蓝色相加,使人眼主观感觉为紫色。色光与色光相互之间不断的、不同比例的混合产生了无数种颜色。

2.5 LED图像还原

激励LED发光、混合生成图像过程是:自然景色经过数字摄像机拍摄成像后输出数字信号并且保存→将保存好的数字信号经计算机后期视频编辑处理,制作出标准的视频文件→LED显示屏控制系统→推动LED组件→按拍摄时的图像颜色顺序还原拍摄时的画面。

图5 图像色彩还原原理

3 LED显示相较于投影显示的优势

(1)LED显示不需要银幕,投影显示则需要银幕。

(2)LED显示不需要电影放映机,投影显示则需要电影放映机,电影放映机是电影放映设备中最贵的设备。

(3)寿命长,LED能使用10万小时以上。氙灯有效寿命为500～3000小时。激光光源寿命大于20万小时。

(4)LED工作电压低、工作温度低、安全。氙灯属于高压充气灯,操作失误易爆炸、灼伤。

(5)LED发光效率高。理论值达360lm/W,高于传统投影设备10倍的峰值亮度1Knit和对比度40K∶1以上,而LED屏峰值亮度496cd/m。氙灯发光效率40lm～70lm/W。巴可DP4K-32B采用6.5k W氙灯,最高亮度可达33K流明,对比度为2K∶1。投影机的HDR效果不明显,根源是亮度不够高。

(6)LED分辨率够高。投影显示系统分辨率受限于胶片、芯片,目前支持4K(4096×2160)分辨率,不能无限做大,价格高。而小间距LED显示屏是箱体拼接,可以实现不牺牲亮度8K以上的超高分辨率。

(7)LED色彩深度广。目前可达到量化深度16bit。二进制中表示2。假设1代表黑、0代表白,在黑白双色系统中最少有2bit。位数大,灰度等级多,颜色层次也多。8 bit=2=256,16bit=2=65536。

据不完全统计,目前国内院线影院1.5万家,银幕总数达到8万块左右。绝大多数影院使用反射式银幕,升级换代为LED屏为少数高端影院。部队少数固定影院前些年自购巴可、科视1K分辨率DLP数字放映设备,观众观赏后评价放映效果不及LED色彩鲜艳、明亮、效果好。近几年总部为解决基层单位放映设备更新与国家院线影院同步,陆续添置了数百台2K分辨率DLP数字放映设备,还是有不少单位在银幕后方架起了LED电影屏。部队的特点是影院普遍超长超宽,一个影院能容纳成百上千座位,显得银幕亮度、清晰度不够,商业影厅一般容纳100～300座位,不存在银幕亮度、清晰度不够的问题。LED由于主动发光替代银幕被动发光、高对比度、高动态范围、小间距、分辨率可选、长寿命、发光效率高、不分白昼、阴雨天亦能放映等优势,深受部队欢迎。

真正实现从低亮度到高亮度、从低对比度到高对比度、从黑白到彩色、从标准清晰度到超高清晰度、从固定到流动、从小画面到穹幕全景、从限制在黑色空间到全天候的放映方式及效果是无数科技工作者不断创新完善电影银幕新功能的创举,也是我们文化影视人不断的实践和追寻。随着生产成本降低、画面柔和丝滑等性能提高,将会给许许多多影院升级换代LED屏创造巨大的空间和良好的前景。❖