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分析:適用于DCI電影院LED顯示屏的LED規格要求

2019-03-29
 摘 要

DCI電影院LED顯示屏是現在行業內最熱門的話題之一。對比與傳統的投影顯示,LED顯示具有眾多技術優勢,如更大的動態亮度范圍、更好的亮度顏色均勻性、無圖形畸變、尺寸任意拼接等。而LED顯示屏進入電影院應用首先需要滿足DCI(Digital Cinema Initiatives)標準的認證,本文針對其中的顯示圖案要求,分析適合該應用的LED的技術規格要求。

一、背景和DCI標準

隨著第一塊通過DCI認證的LED顯示屏上市,LED顯示技術打開了電影院顯示屏的海量市場。據LEDinside估計,中國電影院市場現存月40000塊顯示屏,并以每年10%以上的速度增長。按照4K分辨率的像素點計算,整個市場潛在LED用量將是350kkk。然而LED顯示屏進入電影院市場需要滿足DCI(Digital Cinema Initiatives)標準的嚴格技術測試CTP(Compliance Test Plan)要求。

DCI組織由全球最大的六家電影公司聯合創建,旨在建立統一的數字電影播放標準, 保護數字電影版權和確保影院視聽體驗。DCI標準涵蓋數據形式、編解碼接口、傳輸方式、安全保障、包含服務器、投影、音頻及控制的影院硬件系統。本文旨在針對顯示屏本身,從標準要求出發,理解適用于DCI電影院顯示屏的LED規格定義。

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(測試條件為影院環境光,屏面反光小于0.03cd/m2),白平衡點已經色域要求如圖1所示,同時允許一定的誤差。標準R, G, B三基色對應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白平衡點和色域要求

二、LED的封裝選擇

由于電影屏在實際使用時,影廳的大小種類繁多,DCI標準對于屏幕的尺寸是不作強制規定的,那么對應于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點間距,如2.5mm點間距對應于10.3m寬的小廳屏幕,3.3mm點間距對應于13.5m寬的中大廳屏幕。

對于這個點間距范圍的顯示屏,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置,可以保證即使第一排觀眾也不能分辨出像素點,基于這樣的前提,應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的像素點間距,以及30掃的驅動形式估算,每顆LED的發光亮度是9mcd,按照DCI白平衡點的要求計算,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。這樣的亮度規格是遠小于當今主流1010尺寸LED的發光亮度的。

LED顯示控制系統誠然可以通過灰度等級控制把出售設計亮度較高的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。

受限于驅動芯片的最小電流規格,LED的驅動也電流不可能無限降低,這就需要LED通過自身的設計來降低發光亮度,如可能的進一步降低芯片尺寸,或在封裝體中進入更多的吸光顆粒。但是,這都是以犧牲光電效率為代價的。如果驅動芯片的最小驅動電流能進一步降低、或者支持掃描數能進一步提高,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白平衡點顏色比例的R, G, B芯片比例,以后可以滿足驅動芯片電流要求的亮度,才是最完美符合應用要求的LED。

四、LED的顏色要求

根據DCI定義的DCI-P3色域,顯示屏的R,G,B三基色有嚴格的色坐標要求。對于LED顯示屏而言,需要LED要有嚴格的色坐標規格。但是目前市面上,絕大多數的LED供應商采用主波長規格定義顏色,而主波長是從一個維度(色調)上定義的顏色,缺失了顏色的另一個維度(飽和度)信息。相同主波長的顏色在色空間對應于一條通過等能量點 (0.333, 0.333) 的一條直線,而不是一個精確的色點。所以,為了精確滿足DCI-P3色域要求,首先需要選用色坐標定義顏色的LED,而不是不精確的主波長定義。

由于顯示混光的原理,顯示屏初始設計色域可以等于或者大于DCI-P3色域,也就是R,G,B三基色的初始設計色坐標不需要直接是DCI-P3規定的色坐標,可以是如圖顯示的每個基點雙邊外延線和色空間邊界所形成的區域(如圖2所示)。其中綠色和藍色分別是一塊類似三角形的小區域,由于LED的顏色離散性,這么小的顏色范圍幾乎沒法在LED大規模量產中達到;而對于紅色,由于DCI-P3規定的基點已經位于色空間邊界上(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色坐標范圍

而考慮到實際量產和測試的誤差, 在應用及認證過程中,DCI標準定義了屏幕三基色色坐標允許的誤差范圍(參見表1),在CIE 1931色空間中如圖3所示的矩形色坐標范圍。

▲ 圖3:DCI標準允許的DCI-P3三基色誤差范圍(具體參數見表1)

結合上述的色域混光外延原理,實際的LED色坐標要求可以擴展到圖4、5、6所示區域。紅光為由圖5中五個坐標點和色空間邊界構成的區域,綠光為由圖6中四個坐標點和色空間邊界構成的區域,藍光為由圖7中五個坐標點和色空間邊界構成的區域。

那么,是否使用按照這三個區域定義顏色的LED就能得到滿足DCI-P3色域要求的LED顯示屏呢?實際應用中還需要注意以下兩個問題:

第一,LED在不同驅動電流和工作溫度下會有色坐標漂移。如果LED供應商的色點測試電流和LED在顯示屏設計工作電流的差異過大,則很可能導致屏上色點漂移出允許的區域。同樣,實際應用時LED節溫稍高于25°C也可能導致色點漂移。針對該問題,最好的方式是LED供應商提前了解得知確定的設計電流,然后在盡可能相同的電流條件下測試LED色點,同時也適當提前考慮溫度的影響。

第二,圖示區域范圍已經把DCI規定允許的顏色誤差都考慮進去了。而實際LED顯示屏上的顏色誤差除了LED本身外,還有芯片輸出驅動電流的誤差,屏體不同區域的溫度誤差,校正系統的誤差,以及色點測試儀器的誤差等。所以LED供應商定義的色點范圍應當盡量小于圖示邊界區域,為顯示屏體設計和后續測試的誤差留有余量。

▲ 圖4:滿足DCI色域(含誤差)要求的LED紅光色坐標范圍

▲ 圖5:滿足DCI色域(含誤差)要求的LED綠光色坐標范圍

▲ 圖6:滿足DCI色域(含誤差)要求的LED藍光色坐標范圍

五、可能的技術要求趨勢

誠然,上述DCI標準對于顯示圖像的要求其實都是基于投影系統的技術能力制定的,對于自發光的LED顯示系統,如果還是一直沿用舊的投影標準,無疑會大大犧牲LED顯示的技術優勢。對于LED帶來的電影院應用顯示技術突破,我們有理由相信,在不久的將來DCI標準就會做出更新。從LED顯示屏角度出發,我們建議關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域已經出現,而電影院投影系統受限于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要求更黑的暗態和更高的峰值亮度(例如HDR10標準,要求至少0.005cd/m2到1000cd/m2的動態范圍),兩者都是投影系統非常難達到了。LED顯示屏由于天然的亮度、對比度技術優勢,可以把HDR帶入電影院系統。

第三,色域范圍提升。現有的DCI-P3色域系統并不已經是LED所能達到的最優色域,比如現有的綠色、藍色LED理論上可以提供更高的飽和度,進一步擴大顯示色域。預計未來的顏色要求會是介于P3和BT2020之間的一個新的色域。

(作者簡介:趙云,南京大學工學碩士,現任歐司朗光電半導體(中國)有限公司多元化市場亞太區高級應用工程師,負責LED顯示應用的技術支持和市場推廣。)

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