演藝領(lǐng)域投影機的技術(shù)發(fā)展及選擇要素

傅博

【摘? ? 要】 闡釋演藝領(lǐng)域應(yīng)用投影的訴求及所用投影機技術(shù)的發(fā)展趨勢，并給出選用投影機需考慮的因素。

【關(guān)鍵詞】 投影機;演藝場館;亮度;顏色;成像技術(shù);光源

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.12.011

目前，專業(yè)投影顯示在演藝領(lǐng)域中的應(yīng)用，包括各演場館的舞臺場景輔助顯示，戶外大型演出及投影秀，道具視頻光影包裝，現(xiàn)場大屏幕再現(xiàn)，遠程演出同步視頻顯示，實現(xiàn)演員和視頻影像結(jié)合的互動表演，有時投影甚至變成現(xiàn)場的“表演者”。

投影顯示設(shè)備較之于其他大屏幕顯示設(shè)備，具有更大的安裝靈活性， 易于實現(xiàn)異型顯示，并可兼容于傳統(tǒng)燈光控制方式，因此，其在目前的演藝領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛和流行，逐漸成為動感舞臺的基本配置。

1? 演藝應(yīng)用投影的訴求

目前，投影顯示技術(shù)在演藝行業(yè)應(yīng)用訴求的關(guān)鍵所在可概括為，最終用戶期望值的不斷提高和高效優(yōu)質(zhì)運營的不懈追求。

其中，用戶期望值所涉及的關(guān)鍵要素有：高分辨率的視頻顯示;身臨其境的沉浸式體驗和感受，實現(xiàn)更大觀看視覺角度，如360°的視頻顯示;交互式體驗，提高用戶的參與感;更具創(chuàng)意和多功能性， 可完成多場景的演出和應(yīng)用。

對于高效優(yōu)質(zhì)運營的不懈追求，所涉及的關(guān)鍵要素有：有效控制投影顯示系統(tǒng)維護成本;實現(xiàn)系統(tǒng)的輕松互聯(lián)，通過網(wǎng)絡(luò)方便快捷地訪問、控制、使用及維護;對于日趨復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)簡化流程，便于使用和運營管理;系統(tǒng)有更高的可靠性，保障正常運行。

在此趨勢下， 則需要投影顯示設(shè)備能夠具備：在全亮度范圍內(nèi)，重現(xiàn)絢麗色彩; 優(yōu)異的邊緣融合和幾何校正功能，實現(xiàn)完整的圖像拼接顯示，不論是超大面積的顯示還是特殊要求的異型顯示;強大的圖像處理系統(tǒng)，最大程度地減少視頻圖像在整個應(yīng)用系統(tǒng)中的變形、噪波，真實地還原影像，不論顏色、反差和亮度;實現(xiàn)最小的系統(tǒng)視頻延遲，避免造成聲音與圖像的不同步。

綜觀不同亮度輸出投影機的市場份額，呈金字塔形，由于較小的舞臺演藝、劇院/音樂廳及小型租賃市場基數(shù)大，所以，亮度較低的投影機數(shù)量較多，但同時可以注意到金字塔底端的最小亮度值在逐年提高， 從數(shù)量及亮度值看均呈現(xiàn)此態(tài)勢， 例如10 000 lm以下的產(chǎn)品，最大數(shù)量的產(chǎn)品從5 000 lm以下， 上升到5 000 lm～7 000 lm; 但值得關(guān)注的是，10 000 lm以上的投影機的市場份額增加迅速，尤其10 000 lm～15 000 lm和20 000 lm以上的產(chǎn)品，如表1所示。

近年，國內(nèi)大型戶外的演出，以及戶外的建筑投影、水幕投影等視頻秀日益流行，臨時安裝和固定安裝項目激增，使得20000+ lm高亮度投影機，尤其是30 000 lm級的高亮度投影機的應(yīng)用數(shù)量不斷增加。

2? 演藝領(lǐng)域用投影機技術(shù)的發(fā)展趨勢

目前，演藝領(lǐng)域用的主流產(chǎn)品為高亮度專業(yè)工程投影機，其主流技術(shù)發(fā)展有如下特點。

2.1? 激光光源成為主流光源

目前，投影機光源主要有：UHP燈、氙燈、激光磷粉、RGB激光（見圖1）。

不同種類的光源都可以通過濾波得到漂亮的顏色，并同時調(diào)整光源的顏色頻譜和效率的多重變化組合，所有的光源皆有可能提供大的顏色范圍，但不等于能夠有效地提供好的投影顏色;某些技術(shù)需要犧牲亮度以達到好的顏色，或犧牲顏色以得到更高的亮度。

（1）UHP燈的光譜來自于燈泡內(nèi)混合的不同高壓氣體。光譜中藍色和綠色峰值較高，而它包含的紅色較少，所以白點偏藍。在使用過程中，由于峰值色譜輕微的變化，會對投影圖像的色彩產(chǎn)生較大的影響。

（2）氙燈的色譜比較平，因為燈泡內(nèi)只有氙氣。但是在氙燈的光譜中紅色較多，所以白點中紅色較多，偏暖色調(diào)，由于沒有峰值出現(xiàn)，所以，使用時間內(nèi)顏色不會有較大的變化。

（3）使用激光磷粉的投影機，藍色激光體現(xiàn)相對比較窄的光譜峰值，而其他顏色是由藍色激光激發(fā)磷粉產(chǎn)生，包含綠、黃和紅色波長的光;通過適當(dāng)?shù)臑V波器，多樣的顏色范圍和白點會產(chǎn)生，白點可以偏藍或偏紅;激光的波長穩(wěn)定，其他顏色沒有峰值會出現(xiàn)，所以隨時間推移，顏色變化不大。

雙色激光+激光磷粉則為在上述的藍色激光+磷粉光源中加入紅色激光，補償整個光源中紅色的不足。

（4）三色激光。有三個或更多波長的顏色波峰，取決于采用光源的波長，如圖2所示。每種顏色可能會有多種不同波長的光，激光的波長純凈且穩(wěn)定。如圖2所見，不論氙燈還是UHP燈，都需要濾掉較多的無用的光和人眼看不到的光，而以激光為主的光源不論從其波長及光譜，到最終得到的紅綠藍都相對完美，尤其是紅綠藍三色激光光源。

目前，紅綠藍激光器的產(chǎn)量和光效率以及市場發(fā)展得并不均衡，藍色激光器的光效最高，產(chǎn)量和價格趨于合理水平，紅色次之，綠色激光的光效最低，且價格偏高。以紅綠藍三色激光為光源的投影機價格很高，而采用藍（+紅）色激光為主，輔以激光磷粉的解決方案變得最為經(jīng)濟可行。因此，目前用于演藝市場的高流明專業(yè)投影機多采用激光磷粉作為其光源，其優(yōu)勢主要為：

（1）超長光源壽命，20 000小時～ 40 000小時，因此有更低的維護成本，更低的總體擁有成本;

（2）更高的投影機亮度和更豐富的色彩重現(xiàn)及均勻度，從而實現(xiàn)更多的應(yīng)用和更好的三維立體顯示效果;

（3）靈活的安裝，可360°無限制的安裝投影機;

（4）低的功率消耗，比燈泡投影機低30%，更少的散熱。

需要說明的是，激光光源的色域范圍大，目前，RGB激光光源的投影機可以覆蓋Rec.2020色域，而單色和雙色激光投影機的色域也在顏色和亮度上做了均衡考慮。同時，因成本問題，市面上30 000 lm以上的高亮投影機普遍采用藍（紅）色激光混合熒光粉色輪的模式，可覆蓋大于Rec.709的色域范圍。純色的RGB激光光源投影機的普及還需要一個技術(shù)更新、量產(chǎn)成本下降的過程。

2.2? DLP技術(shù)在高亮度、高穩(wěn)定性的應(yīng)用中更多被選用

投影機的三種主要成像技術(shù)為 DLP （Digital Light Processing）、LCD （Liquid Crystal Display） 和 LCoS （Liquid Crystal on Silicon）。其各有優(yōu)勢和劣勢，為高亮度投影機應(yīng)用增加了多種可能，也變得越來越復(fù)雜。

DLP技術(shù)是一種反射式成像技術(shù)，每個像素是一個微鏡單元，它負責(zé)將光反射到屏幕上或投影機光路里。反射鏡對于高功率是非常耐用的，因此，被用于高亮度需求。此外，反射鏡的高開關(guān)速度可以滿足需要高頻率（如120 Hz）的三維應(yīng)用。

LCD技術(shù)使用有機液晶材料和偏振輸入光來打開或關(guān)閉像素。這種技術(shù)成本較低，比較適用于低亮度的消費市場。但近年來已有廠商研制出超過20 000 lm的3片式LCD投影機。

LCoS技術(shù)也使用液晶和偏振光來打開或關(guān)閉像素，但是光被反射到金屬背板表面，像素可以被放置在一起，從而產(chǎn)生更高的分辨率。光在設(shè)備的同一側(cè)進入和退出可以增加對比度。但受其亮度水平的限制，這項技術(shù)適用于家庭影院。

如前所述，激光光源成為演藝應(yīng)用高亮投影機的主流選擇，而不斷追求亮度也成為在演藝投影行業(yè)的一個必然趨勢。隨著向激光光源應(yīng)用的快速發(fā)展，使更多的光通過一定尺寸的光學(xué)系統(tǒng)和成像單元，從而可以大幅度提高投影機的亮度。然而，隨著亮度的增加，光功率提高，對于相對尺寸較小的成像單元面板將會承擔(dān)更高的熱負荷。有效地冷卻成像單元成為關(guān)鍵因素，并不是所有的成像技術(shù)都可以提供相同的高效散熱管理方案。

DLP技術(shù)可以承受更高的溫度，由于DLP面板采用微鏡技術(shù)，所以，大部分光被反射而非吸收;還可采用主動式液冷技術(shù)進行冷卻，進一步增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命。LCD面板是透射式的，所有的光需要通過面板，所以，無法使用液冷冷卻。LCoS面板采用的也是反射技術(shù)，背面可用于液體冷卻，然而，內(nèi)部的液晶材料是有機的，也存在熱負荷的限制，特別是在長時間、高照明的情況下。

LCD和LCoS技術(shù)利用液晶作為基本材料，液晶層厚度的微小變化會導(dǎo)致顏色的不均勻性。此外，加熱的有機材料會隨著時間的推移惡化，加劇非均勻性。DLP使用金屬反射鏡和一個數(shù)字的驅(qū)動電壓，長時間保持均勻穩(wěn)定性。 除了對熱的耐用性，DLP顏色均勻性不隨時間變化，信息通過一個像素不影響相鄰像素傳輸，有效密封可防止灰塵。

事實是，DLP和LCD都在不斷改進和發(fā)展，目前DLP技術(shù)在高亮度、高穩(wěn)定性的應(yīng)用中更多地被選用。

2.3? 4K越來越流行，并開始瞄準(zhǔn)8K投影

無論專業(yè)市場還是消費市場，4K分辨率內(nèi)容、播放設(shè)備越來越多地得到應(yīng)用，因此，投影機也被要求能夠支持4K。目前市場上主要有以下幾種4K格式，見圖3。

（1）DCI 4K（4 096×2 160），在數(shù)字電影放映領(lǐng)域，分辨率指標(biāo)2K（2 048×1 080）和4K（4 096×2 160）是指投影圖像分辨率，其圖像寬高比是17：9。

（2）專業(yè)視頻領(lǐng)域，2K的圖像通常寬高比是16：9（1 920×1 080）或16：10（1 920×1 200）;4K在這里就是3 840×2 160（830萬像素）或3 840×2 400（920萬像素）。

（3）4K UHD， 是4倍的HDTV（1 920×1 080），3 840×2 160，在廣播電視行業(yè)應(yīng)用廣泛。

4K專業(yè)投影機有兩種不同的技術(shù)實現(xiàn)投影的方法，如圖4所示。

（1）使用原始分辨率為 4K的成像單元（4 096×2 160，對角線尺寸約在1.38英寸）研發(fā)生產(chǎn)的投影機，由于其成像單元的尺寸較大，所以，整個投影機的光學(xué)部件都大，機身體積也大，包括投影鏡頭。另外，由于成像單元的成本也比較高，最終使得投影機和投影鏡頭的造價也比較貴。

（2）使用像素位移技術(shù)的4K投影機，應(yīng)用WQXGA的成像單元，當(dāng)4K視頻信號輸入到投影機的電子處理板卡中，信號被拆分成兩幀圖像，而在投影機的光路上安裝一個光學(xué)隨動制動裝置的鏡片，其會隨著圖像輸出的幀頻率在兩個位置上振動，當(dāng)振動到第一個位置投影機輸出分拆的第一幀圖像，當(dāng)振動到第二個位置投影機輸出分拆第二幀圖像， 并在光學(xué)上向右上（或下）方位移1/2個像素，如圖5所示，由于人眼的停留效應(yīng)，人們即看到一幀完整的4K畫面。這便是通過像素位移實現(xiàn)4K輸出的基本原理。

簡言之，使用像素位移技術(shù)實現(xiàn)4K的投影機，成像單元分辨率低、尺寸較?。▽蔷€尺寸約0.9英寸），所以整體的光學(xué)系統(tǒng)包括投影鏡頭相應(yīng)地都會更小，投影機的尺寸會更緊湊，造價更低，重量輕，安裝更靈活方便。

4K投影會變得越來越流行，隨之需提供更多4K視頻素材，但4K內(nèi)容的后期制作成本也相對較高，4K內(nèi)容的普及還需時間。

2.4? 系統(tǒng)控制在一體化、高效靈活方面不斷提升

燈光、視頻一體化的控制系統(tǒng)，使上百個可混疊的場景融合成為現(xiàn)實，關(guān)聯(lián)圖層和布局總覽搭配大型演出投影機使用，彰顯更加美輪美奐的舞臺效果。

投影機高效靈活操控也是演出應(yīng)用的推手。演出應(yīng)用中的痛點體現(xiàn)在，如何將預(yù)先設(shè)計好的場景及內(nèi)容準(zhǔn)確地按演出腳本呈現(xiàn)給觀眾，并滿足導(dǎo)演及創(chuàng)作人員的藝術(shù)表現(xiàn)。

對于技術(shù)人員，需要有效地制定舞臺燈光投影一體化的解決方案，以及復(fù)雜畫面的拼接融合，編程控制的精度等級，這些決定最終的體驗感受。

2.5? 更多附屬延伸品豐富舞美的呈現(xiàn)效果

從安裝工程的角度看，需要不斷地改善投影機體積重量、豐富的鏡頭組合、產(chǎn)品的易用性等。附屬延伸品，如投影多媒體數(shù)字導(dǎo)向外反光光學(xué)平面鏡，使任何方位投射變得可能，使演出安裝位置更加自如，效果呈現(xiàn)更加理想;全息屏幕材料的普及，探索延伸性的發(fā)展;各種數(shù)字燈型投影設(shè)備在演出中的應(yīng)用，使視覺呈現(xiàn)有更多技術(shù)手段的選擇，豐富舞美視覺效果。

同時，對于復(fù)雜的投影安裝環(huán)境，并不一定具有良好的空間位置，為實現(xiàn)讓復(fù)雜的投影校準(zhǔn)變得簡單快捷，更廣泛地運用攝像頭快速校準(zhǔn)技術(shù)等輔助技術(shù)。

3? 關(guān)于投影機的選擇

通過先進的光源技術(shù)提供更高的亮度、更好的顏色、更長的光源壽命;通過優(yōu)化光機電一體化實現(xiàn)更緊湊的設(shè)計;通過全系列投影鏡頭實現(xiàn)最大化的安裝便利;先進的電子處理控制平臺實現(xiàn)更多的功能，如可支持三維立體投影、多通道拼接融合投影、先進的幾何校正實現(xiàn)異型投影;通過對整個投影系統(tǒng)軟硬件整合，使其可以滿足7×24的應(yīng)用等。

不斷追求投影亮度已成為整個投影行業(yè)的趨勢之一，前述的激光光源因可以提供更高的亮度和更好的顏色及更長光源壽命，正逐漸替代傳統(tǒng)光源，向主流光源過渡。

但每個投影機在顏色、亮度和光源壽命之間存在一定的關(guān)系，見圖6，研發(fā)過程中都要作出設(shè)計選擇，以實現(xiàn)一個商業(yè)平衡。理論上說，一個光源可以為投影機提供更高的亮度，但需要在顏色和壽命上作出犧牲;如果要表現(xiàn)最好的顏色重現(xiàn)，則需要犧牲部分亮度已達到更絢麗的顏色;如果想在亮度和顏色上都好，那就需要以犧牲光源壽命為代價。表1中列舉了目前市場上一些主要用于演藝領(lǐng)域投影產(chǎn)品在亮度、顏色和光源壽命之間的取舍。

目前，單臺4K投影機的光輸出可高達75 000 lm，并采用紅綠藍三色激光作為光源，其光源在使用20 000小時后，仍可達到其初始亮度的80%，即60 000 lm=75 000 lm×80%，而其顏色范圍可以達到Rec.2020。

在選擇投影機時，很多情況下會忽略投影機的體積，而只關(guān)注亮度指標(biāo)。其實達到同樣亮度輸出的條件下，能將投影機設(shè)計得更緊湊是很具有挑戰(zhàn)性的。這需要考慮諸多因素，如成像單元進行有效的散熱、整機噪聲的降低、緊湊設(shè)計后維修速度的保障、兼顧模塊化的設(shè)計等。而體積緊湊的投影機會給使用者帶來極大的便利，搬運方便，運輸和安裝成本降低，節(jié)省安裝空間，幫助業(yè)主降低總體成本。

投影鏡頭與投影機配套，建議盡量要買原廠鏡頭，它們是經(jīng)通過投影機廠商嚴(yán)格測試過的，并且廠商會推薦其鏡頭是否可以支持高分辨率視頻圖像輸出。應(yīng)用方面，選擇合適的鏡頭可以依據(jù)：鏡頭變焦比=投影距離/銀幕寬度。公式雖然簡單卻非常實用，不同的廠家會提供不同鏡頭組合供用戶選擇和使用。目前大多數(shù)投影機廠商都可以提供變焦比0.38 ～11的鏡頭組合，滿足不同客戶超短距離投影或超遠距離投影的多種需求。

投影機電子處理控制平臺是核心，完美高效地控制投影機各個系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作，包括成像單元、視頻處理、光學(xué)、電子、冷卻、光源、供電、機械、鏡頭等。另外，高質(zhì)量的電子處理控制平臺需要實現(xiàn)一站式并行電子處理，以實現(xiàn)最小的視頻延遲;實現(xiàn)快速高質(zhì)量的4K圖像的幾何校正和拼接融合，可以處理不同分辨率和亮度要求，使投影機呈現(xiàn)最好的投影效果。出于前瞻性的考慮，保護客戶的投資，電子處理控制平臺需要擁有統(tǒng)一、直觀的用戶界面，并易于升級，以利于增加新的功能和修改已知的問題，而無需更換硬件。

歸納起來，選擇投影機時，決定高質(zhì)量投影圖像的主要因素如下。

（1）內(nèi)容的分辨率

根據(jù)視頻內(nèi)容選擇投影機，如果是高清的視頻源和內(nèi)容，就不一定要選擇4K投影機。當(dāng)然，更高的分辨率會傳達影像中更多的細節(jié)、更高的可感知度。4K分辨率視頻制作已經(jīng)成為趨勢，因此，更具前瞻性投影機應(yīng)具有顯示4K圖像投影的技術(shù)。

（2）投影顏色

投影機的原始色域范圍大，支持多種方式的顏色校正，可以完美再現(xiàn)顏色，即便是在多通道顯示時一樣呈現(xiàn)極好的色彩均勻度，更能忠實地表現(xiàn)藝術(shù)精髓。

（3）亮度和反差

亮度和反差是投影機的重要技術(shù)指標(biāo)，直接影響投影圖像的效果和質(zhì)量，當(dāng)然不容忽視。

（4）鏡頭和成像體

選擇正確、高品質(zhì)量的鏡頭，可以最大限度地表現(xiàn)投影機的最高性能，將圖像細節(jié)、顏色及亮度展現(xiàn)出來;同時，成像體的屬性亦非常關(guān)鍵，是投影到標(biāo)準(zhǔn)投影幕、舞臺道具、舞臺地面、場館屋頂，還是戶外建筑、山體等，都需要前期進行細致的計算和測試。

（5）除上述亮度、顏色、體積、光源壽命等傳統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)外，還須考慮如下因素：

①視頻接口格式豐富，支持最新協(xié)議，如4K視頻輸入、三維立體信號的接入、視頻信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸;

②豐富的控制接口，支持多種控制協(xié)議，如紅外遙控器、支持網(wǎng)絡(luò)控制、DMX、Artnet燈光控制協(xié)議等;

③安裝靈活，支持360°任意角度投射，使得創(chuàng)意和安裝不再受到投影機安裝角度的限制;

④內(nèi)置邊緣融合和幾何校正功能，幫助實現(xiàn)多通道顯示和在異型成像體上正常顯示內(nèi)容，且快速方便，所見即所得;

⑤多功能投影機周邊附件，如可實現(xiàn)三維位置調(diào)整的租賃框架，亦便于堆疊安裝，如可安裝在投影機內(nèi)部的紅外測距儀和攝像頭，以擴展投影系統(tǒng)的功能;

⑥模塊化設(shè)計，易于維護，有較小平均故障恢復(fù)時間。

4? 結(jié)語

目前，演藝行業(yè)以最終用戶體驗為發(fā)展的驅(qū)動，用戶對精彩卓越體驗的期待，驅(qū)動技術(shù)快速革新、內(nèi)容更優(yōu)質(zhì)、產(chǎn)品品牌化;由于不斷復(fù)雜化的演藝活動，驅(qū)動了對于系統(tǒng)運營維護簡單化、靈活性的要求;與此同時，對綠色環(huán)保的要求，也促進了設(shè)備在節(jié)能減排方面的進步。

總之，隨著投影顯示設(shè)備的發(fā)展，在全亮度范圍內(nèi)可以實現(xiàn)絢麗色彩的重現(xiàn)，優(yōu)異的邊緣融合和幾何校正功能可以實現(xiàn)圖像不失真顯示，不論是超大視頻系統(tǒng)還是特殊要求的異型顯示。同時，不斷升級的圖像處理系統(tǒng)，可以最大程度地減少視頻圖像在整個應(yīng)用系統(tǒng)中的變形、噪波，真實地還原圖像的顏色、反差、亮度;越來越小的系統(tǒng)視頻信號延遲，避免聲音與圖像之間的不同步。