本文通過對當前數字影院係統運行機製及技術要求的分析，探討影響LED顯示屏在數字影院中應用的關鍵技術及尋求這些關鍵技術的解決方法。隨著數字技術的飛速發展，數字影院已成為影院係統的發展主流，世界三大標準組織標準化組織電影技術標準委員會(International Organization for Standardization//Technical Committee，ISO/TC36)、數字電影倡導組織(Digital Cinema Initiatives，DCI)和美國電影電視工程師協會數字影院標準委員會(Society of Motion Picture andTelevision Engineers，SMPTE DC28)相繼發布了多項數字影院技術標準和規範，正是這些標準和規範的製定使得數字影院技術逐步形成和完善。

　　LED顯示屏作為數字圖像顯示載體，隨著LED小型化技術的發展，小尺寸LED封裝產品技術的成熟，使得LED顯示屏在會議、指揮調度係統等一些室內近視距場合得到廣泛使用，原有的DLP背投、LCD液晶拚接屏市場，已逐步被高清LED顯示屏取代;目前能夠批量生產的高清LED顯示屏可以實現像素間距0.9 mm，9 m2的顯示麵積就可以實現4 K的顯示分辨率，一些公司相繼推出全LED電視機，且已經開始進入一些高端家用市場。那麽高清LED顯示屏是否可以在數字影院中得到很好的應用?

　　一、當前數字影院係統的主要技術要求

　　1、數字影院係統運行流程

　　根據DCI DDS-V1.2規範，數字影院係統由片源製作係統、傳輸係統和院線係統三大部分組成。前兩個係統不是本文研究的內容，隻做簡單的概述;院線係統是本文關注的。

　　2、院線係統

　　數字院線係統是由投影機、媒介存儲設備、安全管理器、水蜜桃黄色视频燈光和銀幕管理係統(Theater Management System，SMS)5個部分組成。銀幕管理係統提供人機界麵控製係統，完成播放控製選擇、編輯播放表、開始放映、結束放映等，要求可以實現2K/4K的電影放映，支持3D/4D數據。

　　在數字影院係統中對版權的保護是非常重要的，將直接影響整個院線係統每個投資方的經濟利益，因此對每個環節都要求加密處理，當前采用數據加密和密鑰相結合的方式，院線係統作為數字影院係統的終端環節，接觸的人員廣，更易出現盜錄，因此播控設備的加密保護尤其重要。

　　高清LED顯示係統被應用在院線係統，將涉及與觀賞直接相關的放映係統(2D/3D/4D)和銀幕係統，因此首先要分析這兩個係統的光學性能、電氣性能，下麵對當前影院的播放環境、圖像的光學性能要求做分析，研究和探討兩種機製的差異，找出局清LED顯7K係統如何才能實現在數字影院的應用。

　　(1)放映係統和銀幕係統主要技術參數

　　銀幕係統存在審片室和營業性電影廳兩種使用場合，對銀幕係統要求有所不同，審片室亮度色度一致性要求高於影院;SMPTE RP 431-1標準對審片室和營業性影院銀幕的亮度、白點的色度以及電影圖像在銀幕各部位的亮度及色度一致性給出了明確的定義。該標準希望實現所放映畫麵的影調及反差與母版製作過程中的意圖相匹配。

　　對審片室與營業性影院標準規定：(1)環境光亮度分別為0.01 cd/m2與0.03 cd/m2。(2)銀幕必須為漫反射類型，並支持1.85：1與2.39：1兩種寬高比。(3)配光時的參考觀看距離為銀幕高度的1.5〜3.5倍。

　　(2)3D電影

　　隨著數字電影技術發展和觀賞需求的提高，3D/4D電影的需求和應用將成為未來主流趨勢，以投影機作為播放設備的電影技術，除了要求播放機(2台)具備3D/4D的播放功能外，3D電影的觀賞均需要影院配備專用的3D眼鏡，當前數字影院都采用被動式3D技術。

　　二、高清LED顯示屏如何應用在數字影院

　　根據以上分析可以看出，高清LED顯示屏作為播放顯示設備被應用在院線係統，它處於放映係統和銀幕兩個環節，直接、快速、經濟的方式是用LED專用播控係統和高清LED顯示屏取代原來的放映機(投影機係統)和銀幕(白幕)，其他係統設備可以保留使用，直接替代方式。高清LED顯示屏影院應用係統中虛線框部分。

　　但由於高清LED顯示屏的播控及圖像再現技術與目前院線放映機係統在技術實現上存在較大的差異，當前數字院線係統是采用高亮度投影的技術路線，通過銀幕反射呈現圖像;而LED顯示屏是通過脈寬調製技術根據圖像的灰度直接驅動LED實現圖像再現還原，屬於主動發光機製;如果采取直接替換的方式，必須要做一定的技術升改造，才能適合當前數字影院播放的要求。

　　三、高清LED顯示屏在數字影院應用的關鍵技術

　　高清LED顯示屏作為數字影院電影播放載體，重要的指標是對母片影像內容的真實還原、可靠性(7X12小時無故障運行)、聲音圖像的同步，其次是版權保護。

　　1、影像的真實還原

　　放映影像需要真實再現數字母片的影像效果，以真實還原電影拍攝時希望得到的效果，這些影像效果是通過色域、灰度、亮度、亮色均勻性4個主要光學指標來具體體現的，下麵通過對高清LED顯示屏的色度、灰度和亮度的分析，找出其與當前數字影院播放技術存在的差異，探究技術的方法。

　　(1)色域

　　在影視領域主要有3種色彩標準，分別為Rec.2020，DCI-P3， Rec.709，其中Rec.709是上電影行業普遍遵循的標準，能夠滿足電影播放所需要的色彩，目前影院使用的投影設備基本上都是按照這個色彩標準設計。色坐標對比如圖4所示。表明了LED，DLP所呈現的三基色坐標與Rec.709的色域坐標，可以清楚看出，LED顯示屏三基色的色度坐標與Rec.709要求存在一定的差異：(1)LED色域範圍比Rec.709標準要求的大。(2)LED在紅和綠的色域可以完全覆蓋Rec.709的色域，但藍色區域與Rec.709有些偏差。(3)LED的藍色區域與目前數字影院使用的DLP投影機有些偏差。

　　LED顯示屏在色域上可以呈現更多的顏色，可以通過色空間轉換基本滿足當前數字院線對圖像色彩的播放要求。

　　(2)亮度

　　根據SMPTE RP 431-1標準數字影院屏幕亮度為(48.0±10.2)nit，也就說大亮度是58.2 nit，高清LED顯示屏亮度可以從0到600 nit，遠大於標準規定亮度要求，且LED顯示屏具備亮度任意調節的能力，因此，在亮度上完全滿足影院環境的使用需要。

　　(3)灰度及亮色一致性

　　灰度是在某一亮度下圖像顏色從黑到亮變化的量化指標，變化的數越多，再現的圖像越細膩、越清晰，對圖像細節的表現力更強，能夠呈現的顏色就越豐富。目前數字影院一般是按12 bits/色製作的母片，因此高清LED顯示屏必須至少具備12 bits/色的顏色表現能力，且需要在亮度不大於60 cd/m2環境下;也就是說要求LED顯示屏在60 cd/m2的亮度下，每種顏色具有4 096灰度的表現能九就目前高清LDE顯示普遍采用的灰度處理技術存在一定的技術難度，主要因素如下。

　　(a)高清LED顯示屏灰度處理是采取脈寬調製(PulseWidth Modulation， PWM)技術，驅動電路的小灰階脈寬(13 ns)限製了低灰度的表現力。

　　(b)影院應用的局清LED顯7K屏必須具備不小於3 840Hz的刷新頻率，以滿足2〜3小時觀賞舒適度的要求，這對高灰度的實現又是一個限製。

　　(c)高清LED顯示屏工作亮度低，要求LED的驅動電流小，LED小電流下的非線性特征，將對亮色一致性產生不良的影響，尤其對低灰圖像細節產生較大的破壞，將直接影響電影的觀賞效果。

　　(d)LED模組PCB上的寄生電容、電感的大小也將影響每個LED的工作電流，出現電流差異，導致低亮下灰度變差，這種情況在低灰度下更為突出，因此，PCB設計時必須要盡量降低寄生電容和電感。

　　(e)高清LED顯示屏具備像素逐點亮度色度一致性校正的功能，且支持現場校正，整屏白場亮度一致性可以達到95%以上，白場色差△x≤±0.003， △y≤0.003，完全符合SMPTE RP 431-1 的要求。

　　因此，高清LED顯示屏需要解決低亮度下灰度表現力較弱這一技術瓶頸，才能真正滿足數字影院的使用。

　　2、版權保護

　　母片版權保護是數字影院係統的重要核心，要求在任何環節都必須有加密措施，整個係統不能存在能複製拷貝的環節。LED顯示係統是由顯示屏(模組)、LED驅動(掃描)、專用數據發送器、拚接處理器構成，高清LED顯示屏工作流程如圖5所示，是目前普遍采用的控製方式，可以看出有3個主要環節可能存在泄密的可能。

　　(1)拚接處理器輸入環節：目前設備均是開發式結構，無密鑰結構，需要按DCI標準增加密鑰處理機製。

　　(2)拚接處理器與LED專用發送器環節：目前多采用千兆以太網或光纖實現數據的傳輸，多為無加密處理，即使做加密處理，其加密機製不符合DCI規範(ASE128加密)的要求。

　　(3)LED專用發送器到LED驅動環節：由於高清LED顯示屏是由多個LED模組單元拚接組成，每個模組均有LED驅動器(掃描卡)負責模組區域圖像的控製，驅動器(掃描卡)之間以千兆以太網聯，一般無加密處理。

　　基於上述分析，為滿足數字影院播控對版權的要求，必須對現有LED播控係統進行改造升，集成式播控技術應該是。要滿足影院播控的需要，集成式播控係統必須具備以下功能。

　　(1)支持AES128解密和密鑰(KEY)解鎖的功能;LED數據發送采用千兆以太網接口，但由於是分離式結構，需要做link加密處理，模組單元內的驅動掃描卡完成解密。

　　(2)具備對播控係統內部工作狀態及LED顯示屏幕工作狀態的監視、診斷功能。

　　(3)至少配置一個千兆以太網接口實現與屏幕管理係統的連接，接受屏幕管理係統的控製。

　　(4)完成圖像、音頻數據標誌驗證，具備實時解壓來自影院文件服務器的圖像數據、音頻數據和字幕數據的功能;具有圖像與聲音同步的保證機製。

　　3、3D播放

　　作為數字影院使用，高清LED顯示屏必須具備3D電影的播放能力，就目前的眼鏡式3D技術而言，無論是被動式偏振技術，還是主動式快門技術，目前的LED驅動顯示技術均可以輕鬆實現，且由於LED顯示屏的亮度及數據傳輸的速度優勢，其3D表現力比目前的投影方式要好很多。

　　眼鏡式3D技術存在一定的缺陷：(1)增加影院的運營成本;(2)觀賞舒適度降低;(3)長時間觀看易引起惡心眩暈。

　　因此，裸眼3D技術應該是未來數字影院的發展趨勢，投影播放技術不具備實現裸眼3D的基礎，但LED顯示屏屬於像素獨立驅動主動發光技術，具備實現裸眼3D顯示的物理基礎，隨著光柵分離技術或柱狀棱鏡分光技術的進一步完善，高清LED顯示屏可以實現能夠商用的裸眼3D播放。

　　4、可靠性

　　高清LED顯示屏係統的可靠性關係到在其壽命期內在影院環境的穩定運行，作為商業性運行的數字院線，至少7×12小時無故障運行是必須保證的，平均故障間隔時間(Mean Time Between Failure，MTBF)要求 10 000小時。一個4 K的院線LED顯示屏，將有4 096×2 160=8 847 360個像素組成，因此LED的可靠性將直接決定顯示屏係統的穩定運行。

　　根據軍標GJB/Z299C—2006《電子設備可靠性預計手冊》對4K分辨率LED顯示屏幕中主要器件LED的MTBF進行評估，其失效率：λp=920X10-6/h，MTBF=1 086 h，遠小於標準要求的10 000小時，這個數據隻是理論上的預測，根據近幾年高清LED顯示屏的實際運行數據統計，其MTBF可以達到5 000小時以上，但距離標準要求的10 000小時還有差距，主要原因是：當前高清LED顯示屏均采用Chip-PCB封裝的LED，Chip—PCB LED物理尺寸隻有 1.0 mm×l.O mm，以PCB為基板，內置RGB芯片和電引線等金屬材料，外部環氧樹脂密封，在電流的作用下，這些金屬離子會出現一定離子漂移，LED在使用一段時間之後，易發生內部短路，形成顏色亮條現象或LED失效，直接影響觀看效果。

　　因此，LED的可靠性將成為影響高清LED大屏幕在數字影院應用的核心因素，提高Chip-PCB型LED的可靠性是當務之急。

　　四、結語

　　根據上麵的研究分析，高清LED顯示屏在數字影院應用還存在一定的技術缺陷，無法完全替代投影技術，要實現商業影院的應用，在以下技術上必須有所突破。

　　(1)可靠性方麵，尤其是Chip-PCB型LED的耐候性，這是目前高清LED顯示屏的主要技^瓶頸，很多LED製造商正在通過改良封裝材料的耐候性、壓焊幫定工藝等措施，提高LED的可靠性;COB技術、MicroLED在耐候性方麵有一定的優勢，如果COB封裝能夠解決一次良品率和亮色一致性的瓶頸，應該是不錯的選擇。

　　(2)低亮度下灰度的表現力，通過提高驅動電路的速率和通道電流的精度、降低PCB上的寄生電容電感和提高模組散熱的均勻性，可以較好地解決目前高清LED顯示屏在低亮度下灰度表現差的問題;

　　(3)投資成本偏高，高清LED顯示係統的成本比目前投影技術要高很多，雖然其壽命長，但初期投資高，需要降低其成本，否則即使上述技術得到解決，投資也將製約其在數字影院的推廣應用。