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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于屏幕的尺寸是不作強(qiáng)制規(guī)定的，那么對(duì)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(duì)應(yīng)于10.3m寬的小廳屏幕，3.3mm點(diǎn)間距對(duì)應(yīng)于13.5m寬的中大廳屏幕。
對(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(jí)控制把出售設(shè)計(jì)亮度較高的LED顯示屏降到48cd/m2，但會(huì)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(dòng)芯片的最小電流規(guī)格，LED的驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片的最小驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)電流和工作溫度下會(huì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(huì)大大犧牲LED顯示的技術(shù)優(yōu)勢。對(duì)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(huì)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(dòng)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(duì)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(huì)是介于P3和BT2020之間的一個(gè)新的色域。
（作者簡介：趙云，南京大學(xué)工學(xué)碩士，現(xiàn)任歐司朗光電半導(dǎo)體（中國）有限公司多元化市場亞太區(qū)高級(jí)應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)LED顯示應(yīng)用的技術(shù)支持和市場推廣。）
參考文獻(xiàn)：
Digital Cinema System Specification Version 1.3 dated 27 June 2018, official document by Digital Cinema Initiatives, LLC
Compliance Test Plan (CTP) Version 1.2, official document by Digital Cinema Initiatives, LLC
SMPTE RP 431-2:2011, official document by THE SOCIETY OF MOTION PICTURE AND TELEVISION ENGINEERS
SMPTE 431-1-2006, official document by THE SOCIETY OF MOTION PICTURE AND TELEVISION ENGINEERS
2018 Global LED Digital Display and Micro LED Display Market Outlook, internal consultant document by LEDinside
來源：歐司朗光電半導(dǎo)體
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