摘要
DCI電影院LED顯示屏是現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)最熱門的話題之一。對比與傳統(tǒng)的投影顯示，LED顯示具有眾多技術(shù)優(yōu)勢，如更大的動態(tài)亮度范圍、更好的亮度顏色均勻性、無圖形畸變、尺寸任意拼接等。而LED顯示屏進(jìn)入電影院應(yīng)用首先需要滿足DCI(Digital Cinema Initiatives)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，本文針對其中的顯示圖案要求，分析適合該應(yīng)用的LED的技術(shù)規(guī)格要求。
一、背景和DCI標(biāo)準(zhǔn)
隨著第一塊通過DCI認(rèn)證的LED顯示屏上市，LED顯示技術(shù)打開了電影院顯示屏的海量市場。據(jù)LEDinside估計(jì)，中國電影院市場現(xiàn)存月40000塊顯示屏，并以每年10%以上的速度增長。按照4K分辨率的像素點(diǎn)計(jì)算，整個(gè)市場潛在LED用量將是350kkk。然而LED顯示屏進(jìn)入電影院市場需要滿足DCI(Digital Cinema Initiatives)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格技術(shù)測試CTP(Compliance Test Plan)要求。
DCI組織由全球最大的六家電影公司聯(lián)合創(chuàng)建，旨在建立統(tǒng)一的數(shù)字電影播放標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)數(shù)字電影版權(quán)和確保影院視聽體驗(yàn)。DCI標(biāo)準(zhǔn)涵蓋數(shù)據(jù)形式、編解碼接口、傳輸方式、安全保障、包含服務(wù)器、投影、音頻及控制的影院硬件系統(tǒng)。本文旨在針對顯示屏本身，從標(biāo)準(zhǔn)要求出發(fā)，理解適用于DCI電影院顯示屏的LED規(guī)格定義。
DCI對于顯示圖像的要求可以參考一下表1。屏幕分辨率要求2K(2048 x 1080)或者4K(4096 x 2160)，亮度要求48±10.2 cd/m2，對比度要求至少1200:1(測試條件為影院環(huán)境光，屏面反光小于0.03cd/m2)，白平衡點(diǎn)已經(jīng)色域要求如圖1所示，同時(shí)允許一定的誤差。標(biāo)準(zhǔn)R,G,B三基色對應(yīng)的飽和度主波長分別是100%621nm、89.5%544nm、92.9%465nm。
▲表1：DCI_DCSS_v12對顯示圖像的要求
▲圖1：DCI白平衡點(diǎn)和色域要求
二、LED的封裝選擇
由于電影屏在實(shí)際使用時(shí)，影廳的大小種類繁多，DCI標(biāo)準(zhǔn)對于屏幕的尺寸是不作強(qiáng)制規(guī)定的，那么對應(yīng)于4K(4096 x 2160)分辨率固定的屏幕，不同的屏幕尺寸就有不同的LED點(diǎn)間距，如2.5mm點(diǎn)間距對應(yīng)于10.3m寬的小廳屏幕，3.3mm點(diǎn)間距對應(yīng)于13.5m寬的中大廳屏幕。
對于這個(gè)點(diǎn)間距范圍的顯示屏，LED尺寸的可選范圍可以從1010，1616到2020，多種封裝形式可選。而由于影院的觀影設(shè)置，可以保證即使第一排觀眾也不能分辨出像素點(diǎn)，基于這樣的前提，應(yīng)該選用封裝尺寸盡量小的LED(如1010)，提高黑色面板或面罩表面積在整屏面積的占比，提高對比度。
三、LED的亮度要求
按照48cd/m2的亮度要求，2.5mm的像素點(diǎn)間距，以及30掃的驅(qū)動形式估算，每顆LED的發(fā)光亮度是9mcd，按照DCI白平衡點(diǎn)的要求計(jì)算，三基色比例為R:G:B=20.9:72.2:6.9，對于單顆LED的R,G,B亮度要求為1.9mcd,6.5mcd,0.6mcd。這樣的亮度規(guī)格是遠(yuǎn)小于當(dāng)今主流1010尺寸LED的發(fā)光亮度的。
LED顯示控制系統(tǒng)誠然可以通過灰度等級控制把出售設(shè)計(jì)亮度較高的LED顯示屏降到48cd/m2，但會帶來諸多低灰顯示的問題，如紅色色飄、像素不均勻等。
受限于驅(qū)動芯片的最小電流規(guī)格，LED的驅(qū)動也電流不可能無限降低，這就需要LED通過自身的設(shè)計(jì)來降低發(fā)光亮度，如可能的進(jìn)一步降低芯片尺寸，或在封裝體中進(jìn)入更多的吸光顆粒。但是，這都是以犧牲光電效率為代價(jià)的。如果驅(qū)動芯片的最小驅(qū)動電流能進(jìn)一步降低、或者支持掃描數(shù)能進(jìn)一步提高，則可以在不犧牲光電效率的前提下降低LED顯示屏的亮度。而LED本身，只有精確選擇適合于DCI白平衡點(diǎn)顏色比例的R,G,B芯片比例，以后可以滿足驅(qū)動芯片電流要求的亮度，才是最完美符合應(yīng)用要求的LED。
四、LED的顏色要求
根據(jù)DCI定義的DCI-P3色域，顯示屏的R,G,B三基色有嚴(yán)格的色坐標(biāo)要求。對于LED顯示屏而言，需要LED要有嚴(yán)格的色坐標(biāo)規(guī)格。但是目前市面上，絕大多數(shù)的LED供應(yīng)商采用主波長規(guī)格定義顏色，而主波長是從一個(gè)維度(色調(diào))上定義的顏色，缺失了顏色的另一個(gè)維度(飽和度)信息。相同主波長的顏色在色空間對應(yīng)于一條通過等能量點(diǎn)(0.333,0.333)的一條直線，而不是一個(gè)精確的色點(diǎn)。所以，為了精確滿足DCI-P3色域要求，首先需要選用色坐標(biāo)定義顏色的LED，而不是不精確的主波長定義。
由于顯示混光的原理，顯示屏初始設(shè)計(jì)色域可以等于或者大于DCI-P3色域，也就是R,G,B三基色的初始設(shè)計(jì)色坐標(biāo)不需要直接是DCI-P3規(guī)定的色坐標(biāo)，可以是如圖顯示的每個(gè)基點(diǎn)雙邊外延線和色空間邊界所形成的區(qū)域(如圖2所示)。其中綠色和藍(lán)色分別是一塊類似三角形的小區(qū)域，由于LED的顏色離散性，這么小的顏色范圍幾乎沒法在LED大規(guī)模量產(chǎn)中達(dá)到；而對于紅色，由于DCI-P3規(guī)定的基點(diǎn)已經(jīng)位于色空間邊界上(飽和度100%)，所以理論上LED就沒有滿足的可能性。
▲圖2：滿足DCI色域要求的LED色坐標(biāo)范圍
而考慮到實(shí)際量產(chǎn)和測試的誤差，在應(yīng)用及認(rèn)證過程中，DCI標(biāo)準(zhǔn)定義了屏幕三基色色坐標(biāo)允許的誤差范圍(參見表1)，在CIE 1931色空間中如圖3所示的矩形色坐標(biāo)范圍。
▲圖3：DCI標(biāo)準(zhǔn)允許的DCI-P3三基色誤差范圍(具體參數(shù)見表1)
結(jié)合上述的色域混光外延原理，實(shí)際的LED色坐標(biāo)要求可以擴(kuò)展到圖4、5、6所示區(qū)域。紅光為由圖5中五個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)和色空間邊界構(gòu)成的區(qū)域，綠光為由圖6中四個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)和色空間邊界構(gòu)成的區(qū)域，藍(lán)光為由圖7中五個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)和色空間邊界構(gòu)成的區(qū)域。
那么，是否使用按照這三個(gè)區(qū)域定義顏色的LED就能得到滿足DCI-P3色域要求的LED顯示屏呢？實(shí)際應(yīng)用中還需要注意以下兩個(gè)問題：
第一，LED在不同驅(qū)動電流和工作溫度下會有色坐標(biāo)漂移。如果LED供應(yīng)商的色點(diǎn)測試電流和LED在顯示屏設(shè)計(jì)工作電流的差異過大，則很可能導(dǎo)致屏上色點(diǎn)漂移出允許的區(qū)域。同樣，實(shí)際應(yīng)用時(shí)LED節(jié)溫稍高于25°C也可能導(dǎo)致色點(diǎn)漂移。針對該問題，最好的方式是LED供應(yīng)商提前了解得知確定的設(shè)計(jì)電流，然后在盡可能相同的電流條件下測試LED色點(diǎn)，同時(shí)也適當(dāng)提前考慮溫度的影響。
第二，圖示區(qū)域范圍已經(jīng)把DCI規(guī)定允許的顏色誤差都考慮進(jìn)去了。而實(shí)際LED顯示屏上的顏色誤差除了LED本身外，還有芯片輸出驅(qū)動電流的誤差，屏體不同區(qū)域的溫度誤差，校正系統(tǒng)的誤差，以及色點(diǎn)測試儀器的誤差等。所以LED供應(yīng)商定義的色點(diǎn)范圍應(yīng)當(dāng)盡量小于圖示邊界區(qū)域，為顯示屏體設(shè)計(jì)和后續(xù)測試的誤差留有余量。
▲圖4：滿足DCI色域(含誤差)要求的LED紅光色坐標(biāo)范圍
▲圖5：滿足DCI色域(含誤差)要求的LED綠光色坐標(biāo)范圍
▲圖6：滿足DCI色域(含誤差)要求的LED藍(lán)光色坐標(biāo)范圍
五、可能的技術(shù)要求趨勢
誠然，上述DCI標(biāo)準(zhǔn)對于顯示圖像的要求其實(shí)都是基于投影系統(tǒng)的技術(shù)能力制定的，對于自發(fā)光的LED顯示系統(tǒng)，如果還是一直沿用舊的投影標(biāo)準(zhǔn)，無疑會大大犧牲LED顯示的技術(shù)優(yōu)勢。對于LED帶來的電影院應(yīng)用顯示技術(shù)突破，我們有理由相信，在不久的將來DCI標(biāo)準(zhǔn)就會做出更新。從LED顯示屏角度出發(fā)，我們建議關(guān)注以下三方面可能的趨勢。
第一，分辨率從4K提升到8K。8K的視頻播放在電視廣播領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)，而電影院投影系統(tǒng)受限于DMD模塊，很難提升分辨率。LED顯示屏可以毫無難度地在相同尺寸下縮小一倍點(diǎn)間距(例如2.5mm到1.25mm)，分辨率從4K提升到8K。
第二，加入HDR。HDR要求更黑的暗態(tài)和更高的峰值亮度(例如HDR10標(biāo)準(zhǔn)，要求至少0.005cd/m2到1000cd/m2的動態(tài)范圍)，兩者都是投影系統(tǒng)非常難達(dá)到了。LED顯示屏由于天然的亮度、對比度技術(shù)優(yōu)勢，可以把HDR帶入電影院系統(tǒng)。
第三，色域范圍提升?，F(xiàn)有的DCI-P3色域系統(tǒng)并不已經(jīng)是LED所能達(dá)到的最優(yōu)色域，比如現(xiàn)有的綠色、藍(lán)色LED理論上可以提供更高的飽和度，進(jìn)一步擴(kuò)大顯示色域。預(yù)計(jì)未來的顏色要求會是介于P3和BT2020之間的一個(gè)新的色域。
