LED球幕在特种影院的技术优势与设计_朱斌.pdf

140电视技术 第 47 卷第 1 期(总第 566 期)RECEPTION&DISPLAY接收与显示文献引用格式：朱斌.LED 球幕在特种影院的技术优势与设计 J.电视技术，2023，47（1）：140-143.ZHU B.Technical superiority advantages and design of LED dome screen in special cinemasJ.Video Engineering，2023，47（1）：140-143.中图分类号：TN873 文献标识码：A DOI：10.16280/j.videoe.2023.01.034LED 球幕在特种影院的技术优势与设计朱 斌（南京洛普科技有限公司，江苏 南京 210061）摘要：介绍球幕影院发展的现状，通过多组实测数据对比、相关资料查阅，从亮度、暗画面显示、均匀度、运营费用及影片播放格式等五方面分析 LED 球幕的技术特点，并针对这五个方面的优势，阐述可行的设计思路和设计要点，从多角度论证 LED 球幕的先进性，阐明 LED 球幕设计方向，进一步明确 LED 球幕在未来高端飞行、特种影院的重要地位和市场价值。关键词：球幕电影；特种影院；LED 显示屏；透声Technical Superiority Advantages and Design of LED Dome Screen in Special CinemasZHU Bin(Nanjing Lopu Technology Co.,Ltd.,Nanjing 210061,China)Abstract:This paper introduces the current development status of dome screen cinema,as well as the global development pattern of the existing projection dome screen market.By comparing several groups of measured data and consulting relevant information,the technical characteristics of LED dome screen are analyzed from the five aspects of brightness,dark screen display,evenness,operating cost and film playback format,and the feasible design ideas and design points are expounded in view of the five advantages.This paper demonstrates the advanced nature of LED dome screen from multiple angles,clarifies the design direction of LED dome screen,and further clarifies the important position and market value of LED dome screen in the future high-end flight and special cinema.Keywords:dome screen cinema;special film;LED display;sound transparent0 引 言实验心理学家赤瑞特拉（Treicher）曾经做过一个有名的心理学实验，经过大量的验证证明：人类获取的信息 83%来自视觉1，11%来自听觉。正是基于此实验结果，特种电影被赋予了更多“构造沉浸式体验感”的使命，并在电影行业迸发出新的生命力。与普通电影不同之处在于，特种电影需要借助特效影片、特殊放映设备产生各种不同的效果，通过刺激观众的感官系统，让观众体验到超脱现实的临场感。在 球 幕 剧 场 发 展 的 近 50 年 间，已 经 形 成了数家世界级的球幕制造商，如美国 EVANS&SUTHERLAND（益世电脑公司）、Sky-Skan 公司、Spitz 公司，以及日本 Konica Minolta 公司。上述四家公司几乎占据球幕影院市场超 70%的份额2。除此之外，IMAX 球幕完成了包括设备租赁、电影摄制、后期制作以及销售发行等商业业务的建设，拥有庞大的全球放映网络3。尽管各个公司建立的生态圈风生水起，但毫无疑问的是，放映机“基因”里的缺陷、球幕影院建设和运营的弊病一直无法根除。直到 2017 年，南京洛普科技有限公司（以下简称南京洛普或洛普）研制的创新产品LED 球幕的诞生打破了球幕电影放映效果停滞不前的局面，为球幕电影市场注入了新的活力。时至今日，绝大多数球幕影院仍采用基于数字 作者简介：朱 斌（1971），男，本科，高级工程师，研究方向为 LED 显示屏。电视技术 第 47 卷第 1 期(总第 566 期)141RECEPTION&DISPLAY接收与显示光处理（Digital Light Processing，DLP）技术的放映机。DLP 技术是目前主流的投影技术。为了验证LED 球幕技术指标的先进性，本文对比了索尼公司新建的上海天文馆球幕（2021 年 7 月正式开馆）投影参数，通过数据对比和分析研究，总结了 LED 球幕的几大技术优势及设计思路。1 亮 度在上海天文馆内测得图像 45，60，90（中心）三处位置的白场亮度分别为 10.37 cdm-2，9.79 cdm-2，9.78 cdm-2。该球幕剧场使用的放映设备是一款支持高动态范围（High Dynamic Range，HDR）的 4K 激光投影系统，采用了 SXRD 反射式液晶面板芯片，也是当时最先进的投影设备之一。尽管投影机的调试和采购数量也会影响输出亮度，但是从现场测试数据来看，其白场亮度的表现力不足且差距较大。2020 年，南京洛普建造的 LED球幕现场测得的亮度为 110 cdm-2，超过激光投影 10 倍多。从国家电影局 2021 年 1 月 1 日新发布的行业标准可以看出，电影行业的亮度指标相较于 数字电影巨幕影院技术规范和测量方法（GD/J 0402012）有所提升，但是由于被动发光原理，加上现有银幕材质的限制，光线经过银幕后仍存在较大的亮度损失，导致亮度的提升一直是投影机（放映机）的难点4。使用主动发光技术的 LED 球幕，在功耗不受限的情况下，可以自主选择屏幕亮度，亮度通常在48 500 cdm-2。LED 球幕由多种规格的显示单元组成，每一块显示单元上集成了信号接口、LED灯珠以及驱动电路。在设计初期，设计师可根据亮度和功耗要求，综合考虑驱动芯片的带载能力，设计电路的扫描数，并通过选择不同亮度级别的灯珠，采用内置静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）的 PWM 芯片，在满足亮度参数的同时获得较高的刷新率。不仅如此，LED球幕还具有亮度可调功能。在很多工程应用案例中，亮度可调功能不仅可以根据各类项目场景的明暗需求进行实时的调整，还可以降低LED球幕的发热量，延长使用寿命。这也是 LED 球幕运营成本低的一个重要因素之一。2 暗画面显示在比较黑场亮度这一参数时，LED 球幕的优势依然明显。上海天文馆球幕测得的黑场亮度为0.003 cdm-2，而第三方检测机构对南京洛普 LED 球幕测试的黑场亮度为 0 lx。以金属银幕举例，为了提高光的反射率，实现更高增益，金属银幕的外涂层均为专用的树脂，其中含有紧密的金属分子组成的蜂窝阵列。与银幕相反的是，为了降低反射率，提高对比度，LED 球幕表面材质均要求为黑色哑光，PCB 表面设置有一层黑色哑光阻焊涂层，每一颗灯珠均采用黑色 PPA，发光面加入散色剂的环氧树脂包裹，面罩则采用黑色 PC 材料表面加二次黑色喷涂。正是由于 LED 球幕表面黑色吸光且不反光，因此，LED 球幕在不点亮的情况下可以更黑，在黑夜和宇宙星空以及暗黑海底画面的表现上更为出众。尤其是在飞行模拟应用时，不会因为暗画面不够黑导致显示细节丢失的问题，更适合需要高精度显示的专业领域。在电影行业标准里，帧内对比度测量信号是整幅图像均分为 16 块黑色和白色相间方格，通过这种方式测量一幅图像中明暗区域最亮的白色和最暗的黑色之间的亮度比值。白色越亮、黑色越暗，对比度就越高，画面的黑白反差越明显，观看感受到的清晰度越高，画面的通透性就越好；反之，画面会有一种灰蒙蒙的效果，不仅色彩暗淡，而且模糊不清。上海天文馆球幕测试得到的帧内对比度仅为6.6 1，而洛普的 LED 球幕帧内对比度实测数据已达到 60 1，顺序对比度达到 13 750 1，也远超当时的行业标准 1 200 1。除了对比度方面的优势以外，在驱动能力方面，洛普 LED 球幕每通道输出电流值已低至 0.5 mA，同时内部搭载 SRAM 的创新架构、S-PWM 技术，可完美展现极低亮度下的高灰阶表现力。在显示控制方面，最新的“画质引擎”技术可进一步实现更低亮度下的画面精细显示。因此，LED 球幕产品是一款真正意义上的数字化显示设备，具有更精确的亮度控制能力和更细腻的画面展现力。3 均匀度投影机通过将片源投射在银幕上实现显示功能，这种方式必然存在投射中心亮度大于投射边缘142电视技术 第 47 卷第 1 期(总第 566 期)RECEPTION&DISPLAY接收与显示亮度的情况。有些剧场为了节约投影设备的购置费用，减少投影设备数量，加上不同投影机的光参差异以及安装调试位置的差异，投射图像的边缘还会存在融合带。因此，亮度均匀度问题在投影设备中一直存在，且几乎无法根除。从上海天文馆的球幕测试数据来看，其激光投影设备的亮度均匀度分别为 94.0%，94.9%，85.8%，96.2%，超过行业标准的 70%要求。但是与LED 球幕相比，仍逊色不少。在 LED 显示屏的研制过程，亮度均匀性一直是各个显示屏厂家追求的重要指标之一。为了提升产品的亮度和色度的均匀性，各个厂家会从原材料选型、生产工艺两方面入手。3.1 原材料选型受到 LED 芯片工艺的影响，LED 芯片会存在亮度、波长的差异。为了减少这一差异带来的影响，综合考虑生产成本的情况下，封装厂（灯珠厂）会设定一道分光分色的流程，即在灯珠打包出货前，根据灯珠的亮度、波长范围对每一颗灯珠进行一次精细分档，通常档位的设置为最大亮度与最小亮度的比值 1 1.2 1 1.3，波长范围是 4 5 nm。显示屏厂家也可以根据均匀度的要求，提出定制的亮度和波长范围。在灯珠出厂前，绝大多数灯珠厂家还会进行一次混灯操作。3.2 二次分选和校正经过精细分档的灯珠在制作成显示屏之前，多数中高端显示屏厂家还会进行第二次混灯操作。灯珠的亮度分布为典型的正态分布，二次混灯操作可进一步将亮度较为集中的灯珠散开分布。显示屏组装完成后，显示屏厂家通过采集每颗灯珠的亮度和颜色差异，设定目标值，对灯珠进行亮度调整和补色修正。亮度调整后的显示屏的均匀性可达到99%以上，色度均匀性可达到 0.003。第三方检测中心的测试数据显示，LED 球幕的亮度分布均匀度可达到 100.9%114.4%不等，均匀度指标领先。因此，LED 球幕不仅不存在融合带问题，而且成熟的生产工艺使得亮度均匀度更优，其画质水平是投影设备无法媲美的。4 维护成本低投影机主要分为灯泡投影机和激光投影机两种。以哈尔滨万达飞行影院为例，该球幕剧场共有12 台投影机，每台投影机的灯泡更换费用为每两个月 6 万元，全年更换灯泡的费用为 36 万元，加上投影机自身的维护成本，整个球幕影院的全年维护费用至少40万元。此外，散热系统需要每月进行维护，维护内容包括滤芯的清洁、安装、投影融合带的校正等。LED 球幕目前的售价高于普通球幕，但是后期维护成本极低。LED 球幕由多种规格的 LED 显示单元拼装而成，每个 LED 显示单元上有独立的驱动电路和发光器件，所有模块可独立拆装，维护便捷。在 LED 球幕出厂前，显示屏厂商会根据环境亮度和功耗限值配置最大白平衡亮度。由于球幕的使用环境均比较暗，LED 球幕的出厂亮度基本不高于 500 cdm-2，红绿蓝三基色的使用电流典型值在8 mA，5 mA，3 mA，均属于低功耗运行状态。LED芯片的理论半衰期为 10 万小时，封装后的理论半衰期假设为 5 万小时，按照每天 8 小时、全年 365天运营计算，LED 球幕理论工作年限超过 15 年。由于整个LED球幕系统的集成化程度低，集中度高，因此在整个运营过程中，仅需对部分零件进行更换，其产生的费用凤毛麟角。5 兼容多种影片播放格式尽管我国的球幕影院的建造数量逐年提升，超大型球幕影院的数量已经与美国旗鼓相当，但是观众量和人气上远远不及。究其原因，除了影院本身功能单一以外，球幕影片的开发不足，租用成本高，以及球幕系统制式不通用的问题是主要原因。我国科技博物馆球幕电影中实时类节目的播放占比仅为4%，缺乏高端影片服务器的支持，同时影片的更换频率不高，约有 75%的影院影片更换频率为 1 年 1次，约有 12%的影院几年才更换一部影片5。我国的球幕影院数字化程度还有待提高，在球幕设备供应商中有几大供应商，如美国 E&S，E&S、Sky-Skan、ZEISS、Fulldomepro、莫高丝路、北京神州四达等，均采用不同的系统，系统的编码格式均不相同。尽管胶片类电影可以通过扫描的方式转为数字电影，格式之间也可以通过软件进行转换，但是其便捷程度远不如统一播放格式或是支持多种格式的播放服务器更能推动球幕电影产业的发展。LED 球幕播放系统主要由 LED 球幕显示设备和前端电影服务器、各类音视频处理设备以及同步控制设备组成。整个系统采用分布式架构，支持各 电视技术 第 47 卷第 1 期(总第 566 期)143RECEPTION&DISPLAY接收与显示类无损的序列帧格式电影，格式包括 tiff，jpeg2000，tga，png 等。上述几种格式基本包含了绝大多数的球幕电影格式，同时，还可以通过配置不同的影片服务器以满足不同的需求，包括不同格式的影片播放、实时播放需求等。因此，相比普通球幕播放系统，LED 球幕播放系统不受播放格式的限制，系统配置更灵活，更有利于各类应用场景的推广和应用。6 结 语LED 球幕拥有亮度高、对比度高、均匀度高、运营成本低以及影片兼容性优势，弥补了投影机现有技术缺陷。因此，LED球幕吸引了全球各地的客户。LED 球幕产品应用项目不仅包括天文馆，还包括各类飞行影院。目前已经建成的 LED 球幕有无锡、广州、昆明的 LED 飞行球幕，泰山石敢当文化旅游区，日本横滨柯美天文馆 LED 球幕以及日本名古屋柯尼卡天文馆 LED 球幕等。经过 5 年的市场推广和商业应用，LED 球幕产品在接口通用性、影片兼容性、显示效果等方面优势凸显。随着行业规模的扩大和成本的进一步下降，LED 球幕将成为未来高端飞行、特种影院的重要组成部分。参考文献：1 何立火.视觉信息质量感知模型及评价方法研究 D.西安：西安电子科技大学，2013.2 刘媛媛，宋烜.中美科技博物馆球幕影院比较分析研究 J.科普研究，2018，13（3）：64-72.3 范倍.走向非院线：电影，视频及媒介流变 J.电影艺术，2020（4）：3-7.4 刘洋.IMAX电影历史及技术发展研究D.重庆：重庆大学，2021.5 张盼盼.数字影院 3D 技术及发展趋势 J.现代电影技术，2021（10）：37-42.编辑：张玉聪态，从而解决了外围漏光问题。胶框内圈则依靠金属反射层和白色材料，实现了对光线的充分利用，从而解决了显示区周边发暗的问题。最后通过理论分析和实物验证，确认了带涂层的复合胶框对改善光学显示效果的有效性。参考文献：1 马群刚.TFT-LCD原理与设计M.北京：电子工业出版社，2011.2 廖燕平，宋勇志，邵喜斌，等.薄膜晶体显示器显示原理与设计 M.北京：电子工业出版社，2016.3 福建新世纪电子材料有限公司.一种具有防漏光效果的背光源：CN204494206UP.2015-07-22.4 唐晋发，顾培夫，刘旭，等.现代光学薄膜技术 M.杭州：浙江大学出版社，2006.5 刘莉，吕美玲.一种消除 hot spot 现象的 LED 背光设计 J.科学技术与工程，2013，13（6）：1623-1625.编辑：张玉聪显示区四周发暗外围局部漏光局部不漏光，显示区四周显示亮度均匀 （a）改善前-纯黑胶框 （b）改善前-纯白胶框 （c）改善后-复合胶框图 4 白色和黑色胶框与复合胶框的模组光学效果对比（上接第 139 页）