放映機(jī)4K技術(shù)淺談

近幾年隨著顯示技術(shù)的發(fā)展4K技術(shù)已經(jīng)不再是一個(gè)新鮮的名字，4K技術(shù)不斷豐富和充斥著我們生活中的方方面面，在近期大熱的電影行業(yè)，除了一部部票房不斷創(chuàng)出新高的國(guó)內(nèi)外大片之外，電影院對(duì)畫(huà)面的放映質(zhì)量要求和觀眾的觀影感受也在不斷的提高。為了緊跟電影市場(chǎng)的發(fā)展步伐，作為放映技術(shù)發(fā)展的引領(lǐng)者和開(kāi)拓者的NEC公司，也將在2016年隆重推出，擁有3芯片DLP Cinema 1.38英寸DC4K的三色激光數(shù)字放映機(jī)NC3540LS-1+。這樣就使得NEC三色激光放映機(jī)在擁有2K三色激光產(chǎn)品線的同時(shí)，又增加了一條4K三色激光產(chǎn)品線。

作為投影機(jī)的顯示技術(shù)，現(xiàn)在主流的主要有三種，LCD（液晶面板顯示技術(shù)），LCOS（單晶硅反射式液晶顯示技術(shù)），DLP（數(shù)字光處理顯示技術(shù)）。目前應(yīng)用在數(shù)字電影放映技術(shù)中采用最多的是DLP技術(shù)，DLP技術(shù)開(kāi)發(fā)者是TI（德州儀器），NEC公司專(zhuān)注于為行業(yè)提供專(zhuān)業(yè)的顯示解決方案，NEC公司不但是TI（德州儀器）公司在全球范圍中授權(quán)產(chǎn)生DLP數(shù)字放映機(jī)三家廠商的其中一家，而且在工程、商務(wù)、教育、家用都擁有功能多樣化、種類(lèi)豐富的DLP投影機(jī)產(chǎn)品線。對(duì)于NEC的4K三色激光放映機(jī)NC3540LS-1+則采用的是三片1.38英寸的DMD芯片來(lái)顯示4K畫(huà)面，每個(gè)芯片的物理分辨率是4096x2160，三個(gè)芯片分別獨(dú)立對(duì)應(yīng)一種RGB顏色中的一種。

4K DLP Cinema顯示技術(shù)中的DMD芯片擁有著有別其他顯示技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)也使得其可以很好的應(yīng)對(duì)高亮度輸出、長(zhǎng)時(shí)間使用、苛刻的運(yùn)行環(huán)境等諸多顯示應(yīng)用要求。下面我們來(lái)一一了解下。

支持高亮度

DMD芯片采用的金屬鋁片利用不同的偏轉(zhuǎn)角度把光反射到不同的位置實(shí)現(xiàn)畫(huà)面明暗變化，光利用方式則為全反射顯示，所以光的利用率較高，也正是由于光線絕大多數(shù)都被金屬面反射出去了，芯片上的熱量堆積就會(huì)變的很少，在配上高效的液冷散熱，使得芯片可以在高亮高溫的環(huán)境下任然可以保持一個(gè)良好運(yùn)行狀態(tài)。也正是因?yàn)檫@點(diǎn)使得目前市場(chǎng)主流的高流明投影機(jī)（2.5萬(wàn)流明或以上）采用的幾乎都是3片DLP技術(shù)。圖1為DMD芯片的工作原理示意圖[1]

支持長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用，芯片壽命時(shí)間長(zhǎng)

采用DLP技術(shù)放映機(jī)的DMD芯片首先使用的都是液冷散熱，液冷系統(tǒng)可以精確有效的對(duì)發(fā)熱源實(shí)施快速有效的散熱。其次DMD的每個(gè)像素都是一個(gè)金屬微鏡（Mirror），并且就連用來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬微鏡（Mirror），轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸鏈（Hinge），結(jié)構(gòu)也是鋁制結(jié)構(gòu)，這些金屬結(jié)構(gòu)使得芯片幾乎不受到熱量和紫外線老化的影響，DMD結(jié)構(gòu)如下圖2[2]。最后DMD芯片利用電荷吸引與排斥可以達(dá)到每秒鐘翻轉(zhuǎn)5000多次（通過(guò)脈沖寬度調(diào)試控制的偏轉(zhuǎn)時(shí)間占比時(shí)間不同灰階），這也是使得熱量很難長(zhǎng)時(shí)間堆積到芯片上。以上諸多優(yōu)點(diǎn)讓采用DMD芯片的DLP技術(shù)可以很好的支持設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用。目前TI公司宣傳的DLP技術(shù)中DMD芯片的運(yùn)行壽命已經(jīng)高達(dá)10萬(wàn)個(gè)小時(shí)。目前影城中還有為數(shù)不少的影廳還在使用7-8年前的第一代DLP數(shù)字電影放映機(jī)。

芯片防塵設(shè)計(jì)好，散熱性好，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)

其實(shí)畫(huà)面亮度變暗的一個(gè)最大因素就是灰塵，而且一般都是由于目前堪憂(yōu)的放映間環(huán)境造成的。但從芯片的角度來(lái)看，每片DMD芯片都有著工藝成熟的金屬封裝結(jié)構(gòu)，微鏡表面有一塊耐高溫高透過(guò)率的密封玻璃，這些密封設(shè)計(jì)和金屬結(jié)構(gòu)，都可以使得DMD芯片即使在情況不佳的環(huán)境下，任然可以保證很好的使用壽命。

市場(chǎng)認(rèn)可度高

縱觀全球投影機(jī)行業(yè)，采用DLP投影機(jī)已經(jīng)涉及到教育，企業(yè)政府，家庭娛樂(lè)，大型演藝娛樂(lè)、制造業(yè)，醫(yī)療等諸多領(lǐng)域，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在2015年全球1萬(wàn)流明以上的投影機(jī)銷(xiāo)量中采用3片DLP技術(shù)投影機(jī)占比高達(dá)80%，3千-1萬(wàn)流明之間3DLP投影機(jī)占比為50%左右，我們?cè)诳聪码娪靶袠I(yè)截止到2015年年底，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)在市場(chǎng)保有量高達(dá)3多萬(wàn)塊銀幕的中國(guó)電影市場(chǎng)中采用DLP技術(shù)的電影機(jī)保有量占比為90%左右，采用非DLP技術(shù)的電影機(jī)保有量占比不到10%。

從顯示技術(shù)類(lèi)型的銷(xiāo)量占比來(lái)看DLP技術(shù)更加適合高流明并對(duì)應(yīng)用方式和應(yīng)用環(huán)境更為苛刻的高端市場(chǎng)。

三、4K顯示技術(shù)可以表現(xiàn)更多的內(nèi)容

采用了DMD芯片的4K顯示技術(shù)除了支持高亮度，長(zhǎng)時(shí)間使用，防塵密封性好，市場(chǎng)認(rèn)可度高等優(yōu)勢(shì)外，在4K顯示在畫(huà)面內(nèi)容的表現(xiàn)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的2K畫(huà)面。

通常如果想讓畫(huà)面顯示更多的內(nèi)容放映設(shè)備的顯示芯片就必須擁有更多的像素，每芯片上的像素都代表了畫(huà)面內(nèi)容中最小的一個(gè)顯示內(nèi)容單元（放映機(jī)芯片最小像素單元就是DMD芯片上的每個(gè)小微鏡）。我們先做一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算，放映機(jī)的芯片是2K的話其橫縱像素就是2048x1080，共計(jì)可以用以表達(dá)顯示畫(huà)面內(nèi)容的像素?cái)?shù)量就是2048x1080=221.2萬(wàn)個(gè)

如果放映機(jī)的芯片是4K的話其橫縱像素就4096x2160共計(jì)可以用以表達(dá)顯示畫(huà)面內(nèi)容的像素?cái)?shù)量就是4096x2160=884.7萬(wàn)個(gè)。這也就意味著如果畫(huà)面內(nèi)容是4K的片源時(shí)，并且用4K放映機(jī)播放時(shí)畫(huà)面顯示的信息量會(huì)是2K放映機(jī)播放2K畫(huà)面信息量的4倍如下圖4所示。

通常4K畫(huà)面可以由兩個(gè)2x2拼接排列2K畫(huà)面組成。4K畫(huà)面能表達(dá)的信息量為2K畫(huà)面的4倍。

四、4K顯示技術(shù)可以使得畫(huà)面更加細(xì)膩

目前為止現(xiàn)今顯示技術(shù)大多都是基于人眼的視覺(jué)特性來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其中有一項(xiàng)非常重要的人眼特性“視覺(jué)銳度”通常與顯示畫(huà)面的像素大小和觀看距離被一起用來(lái)描述人眼觀看畫(huà)面的細(xì)膩程度。像素尺寸大小一般取決于芯片的大小、像素?cái)?shù)量。人眼視覺(jué)銳度（也可以理解為人眼的視力），通常與個(gè)體差異和人的年齡有關(guān)。觀看距離指的就是人眼距離與所觀看畫(huà)面的之間距離。

我們先了解下視覺(jué)銳度的概念：

眼睛分辨景物細(xì)節(jié)的能力叫視力，又叫視覺(jué)銳度（VA）。人的視網(wǎng)膜上光敏細(xì)胞間的物理距離決定了人眼分辨率的極限，當(dāng)成像在黃斑區(qū)的時(shí)候，分辨率達(dá)到最高1角度。

通常當(dāng)視角小于1 時(shí)，人眼是無(wú)法分辨的。

同時(shí)當(dāng)亮度和對(duì)比度過(guò)低時(shí)，則視覺(jué)銳度隨之下降（錐狀細(xì)胞的對(duì)亮度的靈敏度低，此時(shí)主要桿狀細(xì)胞起作用）；當(dāng)亮度過(guò)高時(shí)，視覺(jué)銳度不會(huì)增加，反而會(huì)有炫目感，不同的色彩對(duì)分辨率的影響也不一樣，不過(guò)要低于亮度對(duì)分辨率的影響（通常綠色對(duì)于人眼分辨率的貢獻(xiàn)最大），人眼對(duì)于靜止的畫(huà)面的分辨力相對(duì)于運(yùn)動(dòng)的畫(huà)面能力要更高（靜止畫(huà)面2-3 ，動(dòng)態(tài)畫(huà)面3-4）[4]。

我從圖中可以看出，當(dāng)人眼的視覺(jué)銳度（視力）為一個(gè)定值時(shí)像素尺寸越小，觀看距離越遠(yuǎn)，人眼對(duì)于像素的分辨能力就越低，當(dāng)像是尺寸越大，觀看距離越近，人眼對(duì)于像素的分辨能力就越高。

那么根據(jù)上面的人眼特性的原理，這樣可以得出一個(gè)觀看距離和人眼觀看到的畫(huà)面細(xì)膩程度的關(guān)系圖：

現(xiàn)行《數(shù)字電影巨幕影院技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定最近觀看距離為銀幕畫(huà)面寬度0.5倍，如果是2K畫(huà)面的話，每個(gè)像素相對(duì)人眼的角度為3.36 ，4K畫(huà)面以此基礎(chǔ)計(jì)算可得出下圖6關(guān)系。

五、4K顯示技術(shù)可以讓觀眾有更好的視覺(jué)沉浸感

之前上一段文章中所提到的畫(huà)面細(xì)膩程度決定了觀看者的觀看距離，因?yàn)槿说难劬τ兄硪粋€(gè)特性視野范圍，那么這樣就不同的觀看距離就會(huì)影響到視野范圍和畫(huà)面之間的相對(duì)關(guān)系，例如由于人眼的視野范圍有限，觀看距離越近，人眼感覺(jué)到的畫(huà)面包裹感或者臨場(chǎng)感就越強(qiáng)，觀看距離越遠(yuǎn)人眼感覺(jué)到的畫(huà)面包裹感或臨場(chǎng)感就越不明顯。我們結(jié)合上面的畫(huà)面細(xì)膩程度和人眼的視野范圍，圖7說(shuō)明他們之間的關(guān)系。