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适用于DCI电影院LED显示屏的LED规格要求

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共0条评论】【我要评论 时间:2018年11月22日

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欧司朗光电半导体(中国)有限公司LED世界资讯网'i;@ L Awl1l/E

摘要:DCI电影院LED显示屏是现在行业内最热门的话题之一。对比与传统的投影显示,LED显示具有众多技术优势,如更大的动态亮度范围、更好的亮度颜色均匀性、无图形畸变、尺寸任意拼接等。而LED显示屏进入电影院应用首先需要满足DCI(Digital Cinema Initiatives)标准的认证,本文针对其中的显示图案要求,分析适合该应用的LED的技术规格要求。LED世界资讯网*E C1qWo5?5z!X2Z n X

关键词:LED、显示、电影院、DCI、颜色

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1. 背景和DCI标准LED世界资讯网?0a&`9HN2zA

随着第一块通过DCI认证的LED显示屏上市,LED显示技术打开了电影院显示屏的海量市场。据LEDinside估计,中国电影院市场现存约40000块显示屏,并以每年10%以上的速度增长。按照4K分辨率的像素点计算,整个市场潜在LED用量将是350kkk。然而LED显示屏进入电影院市场需要满足DCI(Digital Cinema Initiatives)标准的严格技术测试CTP(Compliance Test Plan)要求。

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DCI组织由全球最大的六家电影公司联合创建,旨在建立统一的数字电影播放标准,保护数字电影版权和确保影院视听体验。DCI标准涵盖数据形式、编解码接口、传输方式、安全保障、包含服务器、投影、音频及控制的影院硬件系统。本文旨在针对显示屏本身,从标准要求出发,理解适用于DCI电影院显示屏的LED规格定义。

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DCI对于显示图像的要求可以参考一下表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,对比度要求至少1200:1 (测试条件为影院环境光,屏面反光小于0.03cd/m2),白平衡点已经色域要求如图1所示,同时允许一定的误差。标准R, G, B三基色对应的饱和度主波长分别是100% 621nm、89.5% 544nm、92.9% 465nm。

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表1:DCI_DCSS_v12对显示图像的要求

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图1:DCI白平衡点和色域要求

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2. LED的封装选择

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由于电影屏在实际使用时,影厅的大小种类繁多,DCI标准对于屏幕的尺寸是不作强制规定的,那么对应于4 K (4096 x 2160)分辨率固定的屏幕,不同的屏幕尺寸就有不同的LED点间距,如2.5mm点间距对应于10.3m宽的小厅屏幕,3.3mm点间距对应于13.5m宽的中大厅屏幕。

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对于这个点间距范围的显示屏,LED尺寸的可选范围可以从1010,1616到2020,多种封装形式可选。而由于影院的观影设置,可以保证即使第一排观众也不能分辨出像素点,基于这样的前提,应该选用封装尺寸尽量小的LED (如1010),提高黑色面板或面罩表面积在整屏面积的占比,提高对比度。

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3. LED的亮度要求

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按照48cd/m2的亮度要求,2.5mm的像素点间距,以及30扫的驱动形式估算,每颗LED的发光亮度是9mcd,按照DCI白平衡点的要求计算,三基色比例为R : G : B = 20.9 : 72.2 : 6.9,对于单颗LED的R, G, B亮度要求为1.9mcd, 6.5mcd, 0.6mcd。这样的亮度规格是远小于当今主流1010尺寸LED的发光亮度的。

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LED显示控制系统诚然可以通过灰度等级控制把出售设计亮度较高的LED显示屏降到48cd/m2,但会带来诸多低灰显示的问题,如红色色飘、像素不均匀等。LED世界资讯网$}$a3l`sM

受限于驱动芯片的最小电流规格,LED的驱动也电流不可能无限降低,这就需要LED通过自身的设计来降低发光亮度,如可能的进一步降低芯片尺寸,或在封装体中进入更多的吸光颗粒。但是,这都是以牺牲光电效率为代价的。如果驱动芯片的最小驱动电流能进一步降低、或者支持扫描数能进一步提高,则可以在不牺牲光电效率的前提下降低LED显示屏的亮度。而LED本身,只有精确选择适合于DCI白平衡点颜色比例的R, G, B芯片比例,以后可以满足驱动芯片电流要求的亮度,才是最完美符合应用要求的LED。

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4. LED的颜色要求

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根据DCI定义的DCI-P3色域,显示屏的R,G,B三基色有严格的色坐标要求。对于LED显示屏而言,需要LED要有严格的色坐标规格。但是目前市面上,绝大多数的LED供应商采用主波长规格定义颜色,而主波长是从一个维度(色调)上定义的颜色,缺失了颜色的另一个维度(饱和度)信息。相同主波长的颜色在色空间对应于一条通过等能量点 (0.333, 0.333) 的一条直线,而不是一个精确的色点。所以,为了精确满足DCI-P3色域要求,首先需要选用色坐标定义颜色的LED,而不是不精确的主波长定义。LED世界资讯网Wd1t2E2k{{~J`

由于显示混光的原理,显示屏初始设计色域可以等于或者大于DCI-P3色域,也就是R,G,B三基色的初始设计色坐

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图2:满足DCI色域要求的LED色坐标范围LED世界资讯网l e3@I-?|7M v'M$W

标不需要直接是DCI-P3规定的色坐标,可以是如图显示的每个基点双边外延线和色空间边界所形成的区域(如图2所示)。其中绿色和蓝色分别是一块类似三角形的小区域,由于LED的颜色离散性,这么小的颜色范围几乎没法在LED大规模量产中达到;而对于红色,由于DCI-P3规定的基点已经位于色空间边界上(饱和度100%),所以理论上LED就没有满足的可能性。

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而考虑到实际量产和测试的误差,在应用及认证过程中, DCI标准定义了屏幕三基色色坐标允许的误差范围(参见表

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图3:DCI标准允许的DCI-P3三基色误差范围 (具体参数见表1)

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1),在CIE 1931色空间中如图3所示的矩形色坐标范围。

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结合上述的色域混光外延原理,实际的LED色坐标要求可以扩展到图4、5、6所示区域。红光为由图5中五个坐标点和色空间边界构成的区域,绿光为由图6中四个坐标点和色空间边界构成的区域,蓝光为由图7中五个坐标点和色空间边界构成的区域。LED世界资讯网0_f;R R ?P R

那么,是否使用按照这三个区域定义颜色的LED就能得到满足DCI-P3色域要求的LED显示屏呢?实际应用中还需要注意以下两个问题:LED世界资讯网4~4x3a+VA'^[,rPN%|

第一,LED在不同驱动电流和工作温度下会有色坐标漂移。如果LED供应商的色点测试电流和LED在显示屏设计工作电流的差异过大,则很可能导致屏上色点漂移出允许的区域。同样,实际应用时LED结温稍高于25°C也可能导致色点漂移。针对该问题,最好的方式是LED供应商提前了解得知确定的设计电流,然后在尽可能相同的电流条件下测试LED色点,同时也适当提前考虑温度的影响。LED世界资讯网._)R!a7f;[*k n4rDe

第二,图示区域范围已经把DCI规定允许的颜色误差都考虑进去了。而实际LED显示屏上的颜色误差除了LED本身外,还有芯片输出驱动电流的误差,屏体不同区域的温度误差,校正系统的误差,以及色点测试仪器的误差等。所以LED供应商定义的色点范围应当尽量小于图示边界区域,为显示屏体设计和后续测试的误差留有余量。

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图4:满足DCI色域(含误差)要求的LED红光色坐标范围LED世界资讯网z9|'n]~-X)Hs\&j

5. 可能的技术要求趋势LED世界资讯网8@:Y8y K)o

诚然,上述DCI标准对于显示图像的要求其实都是基于投影系统的技术能力制定的,对于自发光的LED显示系统,如果还是一直沿用旧的投影标准,无疑会大大牺牲LED显示的技术优势。对于LED带来的电影院应用显示技术突破,我们有理由相信,在不久的将来DCI标准就会做出更新。从LED显示屏角度出发,我们建议关注以下三方面可能的趋势。LED世界资讯网iO2Bv Y6Mzi:tR`

第一,分辨率从4K提升到8K。8K的视频播放在电视广播领域已经出现,而电影院投影系统受限于DMD模块,很难提升分辨率。LED显示屏可以毫无难度地在相同尺寸下缩小一倍点间距(例如2.5mm到1.25mm),分辨率从4K提升到8K。LED世界资讯网3sgM5J(i d%~C(Y

第二,加入HDR。HDR要求更黑的暗态和更高的峰值亮度(例如HDR10标准,要求至少0.005cd/m2到1000cd/m2的动态范围),两者都是投影系统非常难达到了。LED显示屏由于天然的亮度、对比度技术优势,可以把HDR带入电影院系统。

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第三,色域范围提升。现有的DCI-P3色域系统并不已经是LED所能达到的最优色域,比如现有的绿色、蓝色LED理论上可以提供更高的饱和度,进一步扩大显示色域。预计未来的颜色要求会是介于P3和BT2020之间的一个新的色域。

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参考文献:

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作者简介:赵云(1986- ),男,南京大学工学硕士,现任欧司朗光电半导体(中国)有限公司多元化市场亚太区高级应用工程师,负责LED显示应用的技术支持和市场推广。

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关键词: 电影屏
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