摘要: 世界影片胶片生产巨头美国柯达公司的破产宣告了这样一台事实，即胶片影片时代已经结束，当狼来了突然变成事实的时候，影片行业把目光集中投向了数字放映机系统。本文介绍了采用偏振技术的全新一代的LED立体影片播映系统，除了在影片行业的潜在应用以外，这个新型系统还可以应用在3D广播电视机的大型显示。
0. 前言
当数码相机在若干年中逐步地、全面地取代了传统胶片相机的过程中，我们的考虑是有没有一天全数字的影片系统会取代传统的胶片影片，世界影片胶片生产巨头美国柯达公司的破产宣告了这已经是无可争辩的事实，那么影片放映系统目前面临着是朝着全数字家用投影系统或是LED立体影片播映系统发展的两条路。在我们发展LED立体影片播映系统的过程中，其另一台十分突出的优势是这个新系统可以在3D广播电视机中也得到应用，这不单单是又扩大了一台应用领域，而且一些新的思想比如立体影片院内是不是可以同时用来播映3D电视机剧也是值得认真思考的。
1. LED立体影片播映系统的发展
这里所叙述的是由郑州中原显示技术有限公司开发的“偏振型LED大型三维显示系统”在郑州通过省级鉴定[1]，这是郑州中原显示技术有限公司继在第11届亚运会和悉尼奥运会的大型显示系统的招标中战胜强大竞争对手后在大屏幕显示领域中的又一重要进展，但是与“战胜强大竞争对手”所不同的是，此次鉴定的是郑州中显的专利产品。在1988年郑州中显为亚运会足主赛场“先农坛体育场”设计制造了中国第一套室外彩色大屏幕，其设计书在1978年完稿，但是被权威部门说成是不可实现的臆想，以种种原因为借口使得第一套系统的完成拖延至1988年，比日本同类产品晚了整整八年，后来获得大屏幕显示界最高奖---唯一国家级科技进步二等奖；在悉尼奥运会大屏幕招标中战胜了日本松下、Sony和三菱公司从而中标了悉尼市政府公开招标的两套LED彩色大屏幕显示系统时，由于中显采用了最先进的超大规模集成电路系统，使得整套系统与日本同类产品持平、某些指标有超出的情况；此次鉴定的“偏振型LED大型三维显示系统”比起日本、韩国等在技术上明显出超，为世界最先进水平。
郑州中显早在1997年就设计制造了世界上第一套电子快门型LED立体大屏幕，在2010年制造出了第一套裸眼型LED立体大屏幕，同年，为中共中央某办公大楼安装了超清晰度LED大屏幕（二维），在2011年制造出了世界上第一套最先进的偏振型LED立体显示系统，在“下一代显示技术是超清加三维”的口号中在LED大屏幕这个领域走在了前列。，从而也成为了世界上第一家可以生产”电子快门型、裸眼型、偏振型”这三大类LED立体大屏幕的企业。
2012年3月30日，国家顶级的影片、电视机专家云集郑州参加鉴定会，专家们指出了偏振型LED立体显示对于数字家用投影系统的众多优点，比如即使是室内型，亮度也可达数字家用投影系统的15倍，而对比度为数字家用投影系统的100倍以上；没有散焦，也没有失会聚，相对家用投影系统而言，在“分辨率”相同时，感觉清晰度高出很多。
偏振型LED立体显示系统可用于影片院、大专院校、高端社区、大型购物中心、会展中心及高端会所等场合，而这些场合中绝大部分适合同时也作为3D广播电视机频道节目播映的。
图 1.1 第一套“双路全超清”偏振型LED影院系统
2. 技术特点---影片院的颠覆性变革
2.1 光“芒” 由于家用投影光束在本来亮度就不足的情况下使得观看条件变劣，这主要影响影片院后部距离家用投影机较近的观众，这些观众会感觉到头上有一束光束而产生不适感（图2.1）。而LED屏幕是使用网络专用电缆链接，没有家用投影系统，就不存在所谓的“芒”。
表2.1 数字家用投影机系统与LED立体显示系统的比较
图 2.1 强烈的家用投影光束对后部观众影响很大
2.2 亮度
影片院家用投影机投射在银幕上的实际相当亮度很低，往往不得不将门窗全部关严，只能在黑暗环境下使用。据测量亮度仅在数十尼特，最好的IMAX也不过是48尼特[2] [3] [12]；对于白底的银幕而言使得整个银幕上的图像反差变小。而室内LED屏幕的亮度至少数百尼特甚至上千尼特，即使在白天的室内观看，是不是关窗也无关紧要。实测结果，LED显示屏即使是室内型，亮度也相当于影片院家用投影机系统的10-20倍。
2.3 对比度
银幕是反射光，因此必须使用白底，所以就造成反差小，对比度低，但是LED屏幕是自发光，而且是黑底，因此反差就大得多，图像的对比度也大得多。实测结果，LED显示屏即使是室内型其反差也会达到银幕的数100倍以上，因此图像的对比度也会好很多。
2.4 信源切换
影片院家用投影机的信源受限很大，对于LED屏幕的信源而言，任何时候的切换都十分容易。
2.5 播放格式
影片院家用投影机的放映格式受限很大，而LED屏幕的播映格式基本不受限制，任何可用于显示的电子格式均可。
2.6 散焦
任何家用投影系统都存在散焦问题，通常情况下，即使是调整的很好，1-2个像素的散焦量十分常见，这是因为从根本上讲，由家用投影机投射到银幕中心部位和投射到四个顶角部位的距离是不一样的。LED屏幕不存在散焦问题。
2.7 失会聚
这还要从家用投影系统的原理讲起，家用投影管中有三基色，他们的排列在位置上有差异，矫正到最终，矫正的结果有2-3个像素的剩余失真量是很常见的（图2.2），失会聚直接带来的影响是彩色镶边。LED显示屏不存在失会聚问题。
2.8 反射光和炫光
由于银幕是反射光，必须使用白底，这不但造成了反差变小，清晰度降低，而且透镜的反射产生炫光，必然影响到整体清晰度进一步劣化。而LED屏幕是自发光，没有银幕，不产生反射；没有透镜也就没有炫光。
图2.2 家用投影机的失会聚现象
2.9 刷新频率
家用投影机的刷新频率一般为60Hz，可能会产生少许的闪烁感，而LED系统可以容易地将频率设定为120 Hz甚至300Hz，不会有闪烁感。
2.10 寿命
目前普通家用投影系统光源寿命一般为2,000小时，最长的光源也仅为20,000小时，另外，高档的进口设备不但造价高，而且设备维修要专业人员、响应时间和费用受制于外方。而LED显示屏的一般寿命可达100,000小时，每天连续播映，也可使用10年以上。而且设备维护简单，不需要外方人员。
2.11 2D/3D兼容性
LED立体屏幕既能播放3D视频或图片，也能播放传统的2D视频节目
2.12 3D电视机节目
目前央视已经开播3D电视机节目，一些地方台比如珠海台等也在积极准备开播，家用投影式立体影片放映机不可播放3D电视机节目，而LED立体影片播映系统可以无损播放3D电视机节目[4] [5]。
2.13 生理不适刺激
在影片院看影片，人眼要经历进入影片院时的“暗适应”和离开放映场时的“亮适应”过程，这两种情况下都存在人眼锥体细胞和柱体细胞的大量交替，生理学研究认为，“暗适应”对人眼的不适感不明显，但是时间长；“亮适应”虽然时间短，但是对于人眼的不适感很强，另外如果人眼经常处于锥体细胞和柱体细胞的大量交替状态则会引起眼睛的明显疲劳甚至会引起其他病变。LED影片播映系统则不存在这两种情况。
以上的各种差异基本上都是由于家用投影机和银幕系统引起的，直接导致的结果给人们的直接感觉如图2.3所示，在水平和垂直两维上的清晰度都降低了很多，举一台另外的例子，当人们使用计算机的CRT显示器和液晶显示器时，也会有类似感觉。LED系统相对于家用投影机的一系列优点使得实际观看时，2k LED系统和4k家用投影系统相当，而目前2k的IMAX系统仅和1k的LED系统相当。分辨率会不会对于3D视觉效果产生影响，实验结果是肯定的，如图2.3所示，当分辨率较低时，会把左下角的物体误认为是老头的右手，这只右手显然是和鼻子在垂直方向上呈一条线的，而当提高了清晰度看清楚了这是一条躺在大街上的狗，它与老头在水平方向上还有一段距离。
a) 家用投影系统感觉 b) LED系统感觉
2.14 色彩还原度
LED系统是数字到数字，全部是电子过程，LED灯的色彩经久不变；数字家用投影机中间多了光学透射的环节，而且滤色物质在高热环境下时间长了会产生色蜕变。
原景图像在LED系统中不会衰变
经过色蜕变的图像
2.15影片院（影厅）结构比较
一台现代化影城可以有很多影厅，例如郑州万达影城有11个放映厅，而美国一台影城中的放映厅最多可达50个，每个放映厅都必须有独立的放映室，都要占据很大的独立空间。而LED立体影片播映系统则完全不同，在同一影城的各个放映厅不需要专门的放映厅，因此这一部分空间可以改造为更多的座位，而且，所有放映厅的全部播映设备可以设置在一台房间内进行集中控制，这不但节省空间，而且对于现代化管理而言，更可以节省人力资源，这是现代化管理所必须的。
家用投影系统每个放映厅都需要专门独立的放映室
在LED系统中不需要专门的、独立的放映室
3. 系统技术方法
在整个系统中，许多专利技术得到了应用。
3.1 系统构成
系统的构成可以是多样性的，但是如图3.1所示的多媒体结构可以是一台常用的形式。
图3.1 系统的一般构成
对于较高档次或者标准影片院，服务器将会得到应用，而对于较低档次的影片院，也可以使用质量较高的微机作为控制机。
为节省篇幅，以下主要叙述视频结构，对于音频，任何当前影片院所应用的系统如5.1, 7.1, 9.1, 11.1 或 22.2 音频系统均可。
图3.2 是图像数据传输示意，这里L为左（图像或数据）；R为右（图像或数据）；SC是发送端的系统控制；PG至偏振眼镜。通常，使用普通的5类线或6类线传输数据即可。
图3.2 图像信息的传输
3.2 偏振系统
对于偏振系统，RealD和Master圆偏振以及线偏振系统均做了实验，实验结果对于观看立体影片而言无甚差别，当然整个系统的偏振方式必须对应，但是考虑到线偏振系统不允许观众的颈部有较大偏斜，最终的样机采用的均为圆偏振型，由于希望与现行影片院所使用的偏振眼镜完全兼容，具体的使用可以在订货时指定是使用RealD或Master系列。.
3.3 偏振膜测试
表3.1偏振膜光学特性
表3.2 偏振膜特性测试
作为与传统影片银幕的参照，
表3.2示出了对于偏振膜实际光学传输特性的测量结果，表中二次传输相当于图像穿过眼镜中的偏振系统而到达人眼的情形。
表3.3示出了一次偏振光学传输的色度特性。
多种贴片式三合一LED可以使用，比如国内常见的3528, 3030, 3535以及日本的三合一LED芯片 NESM026B (接近中国的3030)等。其中国产的3528可以有室内型和室外型两种，以上光学测试参数是适用于室内型，实测亮度值达到了高端影片院银幕亮度的15倍左右。 当然，根据LED的特点，也可以设计为室外使用，但是这里不推荐室内外两用的。
关于色度值，三基色的数值与ITU-709号建议书所推荐的数据有少许差异，但是仍然在允许范围内，合成白光可以容易地设定为与ITU-1361号建议书相同，这也是LED系统的一台很大的优点，即合成白可以任意调节，而这一点在家用投影机和银幕系统中是无法做到的，后者在长时间使用后色度即使已经失衡了也很难再作调整。
3.4 驱动电路
传统的2D LED显示屏使用的是“比特式”驱动，其有两个十分显著的缺陷，一是不同亮度的数据起始于不同的时间，如图3.3所示；二是当需要调整亮度时，系统采用的是“斩波方式”这就使得本来就“离散”的脉冲更加离散，如图3.4所示。
图3.3 数据不同起始时间也不同
图3.4 亮度控制时使用“斩波”
始于1996年，特别是临近悉尼奥运会LED大屏幕显示系统进行国际招标前，开发了系列的超大规模集成电路如19281, 192101 和192103等。
系列超大规模集成电路的优越特性改变了传统的驱动方式，首先是无论数据是对少，均在同一时刻启动，如图3.6所示，任何数据均为一台单独的脉冲；再就是当进行亮度调整时，无论亮度多大，均是改变独立脉冲的宽度而不再进行“斩波”，新的驱动电路是十分先进的，但由于篇幅所限，此处不予赘述。
图3.5 先进的超大规模集成电路
图3.6 无论数据是多少均在同一时刻启动
图3.7 系统的亮度控制示意
3.5 发光芯片及其结构
用于发光的3528 三合一LED 芯片如图3.8所示，当时用于室内和室外时略有不同。但是其主要尺寸均为3.5 mm乘以2.8 mm。由图3.8所示，发光的RGB芯片呈垂直排列，这样使得左右视角接近，使得作左右两个方向任何角度上看起来的色彩相近。
表3.4 LED芯片的绝对最大值
图3.9 三合一芯片的色度值
图3.9所示的色度图示出了RGB三基色在CIE1931色度图上的色度范围（各自的白色线框内），由图可见其三基色坐标接近于早先的NTSC标准，与家用投影系统有很大不同的是，LED系统的合成白场是可以调节的或者是可以设定的，而直至满意为止。
3.6 超清晰度电视机与数字影片的标准差别
对于一台典型的2k系统，表3.5 示出了存在于超清晰度广播电视机标准与影片标准两者之间的主要差别
表3.5 超清电视机标准和影片标准的差别
根据表3.5，处理器必须是不同的，但就分辨率和量化深度这两个主要区别而言，对于后者的处理器要比对于前者的处理要难得多，前者的开口宽度不同，“打开”这个口子并不难。而对于后者，量化深度变为12比特后，显示端为了不丢失信息，则要做十分艰苦的努力。同时，为了在不丢失任何信息的前提下接收到12比特数据，系统需用HD-SDI作为传输接口。同样，为了在整个系统中不丢失信息，在处理数据时必须采用不低于16比特的处理系统。
这里要着重说明的是，由于两系统的技术标准参数存在着差异，其中数字影片的要求更高一些，因此系统应该按照较高的标准来进行设计和制造。
4. 典型2k系统的主要参数
表4.1 示出了典型的LED立体影片播映系统的主要技术参数。表4.1中，10毫米系统适用于现有20米幕立体影片院，而6毫米系统适用于现有12米幕立体影片院。
以上系统同时也可以作为3D频道电视机节目的播映，另外，也可在3D电视机频道的演播厅作为背景屏使用或在其他公众场合作为专门的3D电视机播映。
除了2k系统外，对于4k和8k系统也做了相应的设计。
对于“清晰度”这个概念，分辨率绝不是单一因素，特别是在我国，从经验得知，“超清”影片“不清晰”的现象普遍存在，其中亮度、对比度过低以及散焦、失会聚等因素成为了压倒的因素。这里需要指出的是，当标称分辨率看起来相同时，LED系统是其真正的分辨率，而家用投影系统是指其标称值而已，实际观感会低很多，比较认为，家用投影系统由于亮度、对比度低，散焦和失会聚现象存在，其2k的标称分辨
率的银幕达到LED的1k的系统的效果就不错了。
表4.1 2k LED立体影片院的主要参数
5. 问题及结论
5.1 LED影片播映的版权问题
一台需要讨论的问题是影片版权问题，但是这是可以通过制定技术协议（Technical Protocol）来实现保护的，对于一台新系统，可以有多种方法来制定旨在保护版权的技术协议，实现这种保护性技术协议的硬件很容易实现。由于LED立体影片播映系统有众多突出优点，而且有些优点是长期来追求但是鉴于影片银幕亮度太低而无法实现的，新的LED立体影片系统必将得到强劲的发展。
5.2 立体影片放映和3D电视机播放的关系
本文探讨了一台全新的课题，LED立体影片播映系统既可以放映立体影片，也可以播出3D超清晰度电视机节目初步的调研表明，如果此LED系统是设在大专院校或者是工矿企业的自有影片院里，将一台系统设定为既可以放映立体影片，也可以播放3D电视机节目，在程序上是没有问题的，但在院线的影片院里是否也可以这样应用，这也就超出了单纯的技术范畴。本文首先提出问题请大家思考和分析。 |
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