放映机4K技术浅谈

    近几年随着显示技术的发展4K技术已经不再是一个新鲜的名字，4K技术不断丰富和充斥着我们生活中的方方面面，在近期大热的电影行业，除了一部部票房不断创出新高的国内外大片之外，电影院对画面的放映质量要求和观众的观影感受也在不断的提高。为了紧跟电影市场的发展步伐，作为放映技术发展的引领者和开拓者的NEC公司，也将在2016年隆重推出，拥有3芯片DLP Cinema® 1.38英寸 DC4K 的三色激光数字放映机NC3540LS-1+。这样就使得NEC三色激光放映机在拥有2K三色激光产品线的同时，又增加了一条4K三色激光产品线。

    一、4K技术是什么？

    为了了解4K技术我们先说下4K的定义。4K指的是依照横纵排列的像素数量，大家都知道传统的高清画面分辨率是1920x1080，电影行业使用的2048x1080分辨率，以上两种分辨率我们都称之为2K分辨率。那么对于4K技术工程领域是3840x2160，电影行业4096x2160，这两种我们都可以称之为4K分辨率，当然除了分辨率还有帧率，颜色采样率，色深等都会决定最终显示技术形态，这些参数本文暂不做讨论。

    按照应用环节分类，4K技术又包括了，4K片源制作、4K播放设备、4K信号传输、4K显示技术，这里我们会对4K显示技术进行一定的了解。

    二、4K显示技术

    作为投影机的显示技术，现在主流的主要有三种，LCD（液晶面板显示技术），LCOS（单晶硅反射式液晶显示技术），DLP（数字光处理显示技术）。目前应用在数字电影放映技术中采用最多的是DLP技术，DLP技术开发者是TI（德州仪器），NEC公司专注于为行业提供专业的显示解决方案，NEC公司不但是TI（德州仪器）公司在全球范围中授权产生DLP数字放映机三家厂商的其中一家，而且在工程、商务、教育、家用都拥有者功能多样化、种类丰富的DLP投影机产品线。对于NEC的4K三色激光放映机NC3540LS-1+则采用的是三片1.38英寸的DMD芯片来显示4K画面，每个芯片的物理分辨率是4096x2160，三个芯片分别独立对应一种RGB颜色中的一种。

    4K DLP Cinema®显示技术中的DMD芯片拥有着有别其他显示技术的独特优势，这些优势也使得其可以很好的应对高亮度输出、长时间使用、苛刻的运行环境等诸多显示应用要求。下面我们来一一了解下。

    支持高亮度

    这几年中国电影市场蓬勃发展，根据2015年的统计数据，这一年中中国新增银幕数量已经达8035块，市场银幕保有总数已经达到了31600块。随之而来的问题是在同一个地区影城的密度越来越大，影城和影城之间的差异化越来小，竞争也越加严峻。打造有特色的影城已经成为影城面临的新问题。为了增加影城的竞争力，体现差异化现在的影院中的银幕尺寸正在趋于两极化，10米以下的小尺寸银幕对应小型厅、VIP厅、情侣厅等，这些小影厅投资成本小，建设周期短，排片更加灵活，亦可加入主题式的装修风格，所以在有一定程度的上座率的前提下，可以使得影城的收益达到最大化。15-20米左右的大尺寸银幕，大尺寸银幕又类似巨幕厅，虽然投资成本大，建设周期长、维护成本高，但是大尺寸画面的沉浸感、沉浸式音效的震撼感、高标准的画面质量，是小影厅所无法带来的优势，使得影城可以大片来临时获得极高的收益。影城为了在如此之大的画面上体现出较高的放映品质，就必须保证一定的画面亮度（例如DCI 规范中建议的2D@14±3fL或3D@4.38fL[1]），而且目前国内3D片源的播放需求日益剧增，几乎所有影院在影厅的建设标准和设备配置都会按照3D的播放要求执行，加之现有影城放映间环境问题日趋凸显放映机亮度受灰尘影响大，3D设备目前的技术还无法提供足够的光效，低增益，广电总局也在前段时间也发文明确了影城应当提高放映质量。基于以上原因的考虑影城一般都会选择输出亮度较高的放映机，从而保证画面亮度。放映机输出亮度越高对于芯片的耐热和光利用率要求就越高。DMD芯片采用的金属铝片利用不同的偏转角度把光反射到不同的位置实现画面明暗变化，光利用方式则为全反射显示，所以光的利用率较高，也正是由于光线绝大多数都被金属面反射出去了，芯片上的热量堆积就会变的很少，在配上高效的液冷散热，使得芯片可以在高亮高温的环境下任然可以保持一个良好运行状态。也正是因为这点使得目前市场主流的高流明投影机（2.5万流明或以上）采用的几乎都是3片DLP技术。图1为DMD芯片的工作原理示意图[1]

    支持长时间连续使用，芯片寿命时间长，

    一般影院都是营利机构，时间对于影城来说就是利润，在大片扎堆或节日假期的时间段，影城单个厅一天的排片总时间可以高达15个小时，有的影城甚至会推出午夜场，这种情况就要求设备一定要可以支持长时间连续使用，采用DLP技术放映机的DMD芯片首先使用的都是液冷散热，液冷系统可以精确有效的对发热源实施快速有效的散热。其次DMD的每个像素都是一个金属微镜（Mirror），并且就连用来实现金属微镜（Mirror），转动的铰链（Hinge），结构也是铝制结构，这些金属结构使得芯片几乎不受到热量和紫外线老化的影响，DMD结构如下图2[2]。最后DMD芯片利用电荷吸引与排斥可以达到每秒钟翻转5000多次（通过脉冲宽度调试控制的偏转时间占比时间不同灰阶），这也是使得热量很难长时间堆积到芯片上。以上诸多优点让采用DMD芯片的DLP技术可以很好的支持设备长时间连续使用。目前TI公司宣传的DLP技术中DMD芯片的运行寿命已经高达10万个小时。目前影城中还有为数不少的影厅还在使用7-8年前的第一代DLP数字电影放映机。

    图2 DMD结构示意图

    芯片防尘设计好，散热性好，对环境的适应能力强

    现今观众对于影城的观影质量的要求越来越高，即使从来没有接触过技术的观众也会在众多影城中挑选亮度较好的影厅观看。那么对于影城来说如何在设备长时间运行后保证更好的观影效果已经变成了一个尤为重要的问题。其实画面亮度变暗的一个最大因素就是灰尘

    而且一般都是由于目前堪忧的放映间环境造成的。但从芯片的角度来看，每片DMD芯片都有着工艺成熟的金属封装结构，微镜表面有一块耐高温高透过率的密封玻璃，这些密封设计和金属结构，都可以使得DMD芯片即使在情况不佳的环境下，任然可以保证很好的使用寿命。图3 DMD芯片外观示意图

    图3 DC4K DMD芯片

    市场认可度高

    纵观全球投影机行业，采用DLP投影机已经涉及到教育，企业政府，家庭娱乐，大型演艺娱乐、制造业，医疗等诸多领域，根据不完全统计，在2015年全球1万流明以上的投影机销量中采用3片DLP技术投影机占比高达80%，3千-1万流明之间3DLP投影机占比为50%左右，我们在看下电影行业截止到2015年年底，根据不完全统计在市场保有量高达3多万块银幕的中国电影市场中采用DLP技术的电影机保有量占比为90%左右，采用非DLP技术的电影机保有量占比不到10%。

    从显示技术类型的销量占比来看DLP技术更加适合高流明并对应用方式和应用环境更为苛刻的高端市场。

    三、4K显示技术可以表现更多的内容

    采用了DMD芯片的4K显示技术除了支持高亮度，长时间使用，防尘密封性好，市场认可度高等优势外，在4K显示在画面内容的表现上远远优于传统的2K画面。

    通常如果想让画面显示更多的内容放映设备的显示芯片就必须拥有更多的像素，每芯片上的像素都代表了画面内容中最小的一个显示内容单元（放映机芯片最小像素单元就是DMD芯片上的每个小微镜）。我们先做一个简单的计算，放映机的芯片是2K的话其横纵像素就是2048x1080，共计可以用以表达显示画面内容的像素数量就是2048x1080=221.2万个

    如果放映机的芯片是4K的话其横纵像素就4096x2160共计可以用以表达显示画面内容的像素数量就是4096x2160=884.7万个。这也就意味着如果画面内容是4K的片源时，并且用4K放映机播放时画面显示的信息量会是2K放映机播放2K画面信息量的4倍如下图4所示。

    图4  2K和4K画面分辨率示意图Full HD: 1920x1080，Ultra HD: 3840x2160，4K: 4096x2160

    通常4K画面可以由两个2x2拼接排列2K画面组成。4K画面能表达的信息量为2K画面的4倍。

    四、4K显示技术可以使得画面更加细腻

    目前为止现今显示技术大多都是基于人眼的视觉特性来进行设计的，其中有一项非常重要的人眼特性“视觉锐度”通常与显示画面的像素大小和观看距离被一起用来描述人眼观看画面的细腻程度。像素尺寸大小一般取决于芯片的大小、像素数量。人眼视觉锐度（也可以理解为人眼的视力），通常与个体差异和人的年龄有关。观看距离指的就是人眼距离与所观看画面的之间距离。

    我们先了解下视觉锐度的概念：

    眼睛分辨景物细节的能力叫视力，又叫视觉锐度(VA)。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。

    同时当亮度和对比度过低时，则视觉锐度随之下降（锥状细胞的对亮度的灵敏度低，此时主要杆状细胞起作用）；当亮度过高时，视觉锐度不会增加，反而会有炫目感，不同的色彩对分辨率的影响也不一样，不过要低于亮度对分辨率的影响（通常绿色对于人眼分辨率的贡献最大），人眼对于静止的画面的分辨力相对于运动的画面能力要更高（静止画面2-3 ’，动态画面3-4 ’）[4]。

    图5 D显示画面高度，d最小单元高度（像素高度），L 观看距离，φ画面高度相对人眼的角度，θ单个像素高度相对人眼的角度（弧分）。

    我从图中可以看出，当人眼的视觉锐度（视力）为一个定值时像素尺寸越小，观看距离越远，人眼对于像素的分辨能力就越低，当像是尺寸越大，观看距离越近，人眼对于像素的分辨能力就越高。

    那么根据上面的人眼特性的原理，这样可以得出一个观看距离和人眼观看到的画面细腻程度的关系图：

    现行《数字电影巨幕影院技术规范》中的规定最近观看距离为银幕画面宽度0.5倍，如果是2K画面的话，每个像素相对人眼的角度为3.36 ’，4K画面以此基础计算可得出下图6关系。

    图6 第一相同大小的银幕4K画面缩小了像素尺寸像素密度增加，使得画面更加细腻。第二如像素尺寸大小相同，则人眼的观看距离可以变得更近。

    五、4K显示技术可以让观众有更好的视觉沉浸感

    之前上一段文章中所提到的画面细腻程度决定了观看者的观看距离，因为人的眼睛有着另一个特性视野范围，那么这样就不同的观看距离就会影响到视野范围和画面之间的相对关系，例如由于人眼的视野范围有限，观看距离越近，人眼感觉到的画面包裹感或者临场感就越强，观看距离越远人眼感觉到的画面包裹感或临场感就越不明显。我们结合上面的画面细腻程度和人眼的视野范围，图7说明他们之间的关系。

    图7 如果显示画面为4K分辨率时，适当的减少观看距离，可以大大增加人眼的观看画面时候的沉浸感，同时又不会产生画面颗粒感。

    六、4K显示技术的应用方式

    基于产品技术优势最终服务于终端市场的应用原则，4K显示技术的画面细节增加、画面细腻程度提升和沉浸感增强等优势让其在很多领域中都得到了很好的应用。拥有大型银幕的电影院和主题乐园，需要多路信号，高分辨率显示的大屏指挥监控，需要进行高信息含量或绘制编辑的研究院、工作室等等。除了专业领域，为了应对消费类行业需求TI 公司也在大力发展，小型化的4K显示技术，缩小体积重量和成本之后4K技术也在慢慢走入家庭娱乐行业，4K技术也必将是未来显示技术发展的一个重要趋势。

    [1] GD/J 040-2012 数字电影巨幕影院技术规范和测量方法

    [2] DMD 101:Introduction to Digital Micromirror Device (DMD)Technology Application Report

    DLPA008A–July 2008–Revised October 2013 Benjamin Lee

    [3] Current Status and Future Applicationsfor DMD.-Based Projection Displays Larry J. Hornbeck

    [4] The Limits of Human VisionMichael F. Deering Sun Microsystems