LED球幕在特種影院的技術優勢與設計

朱 斌

（南京洛普科技有限公司，江蘇 南京 210061）

0 引 言

實驗心理學家赤瑞特拉（Treicher）曾經做過一個有名的心理學實驗，經過大量的驗證證明：人類獲取的信息83%來自視覺[1]，11%來自聽覺。正是基于此實驗結果，特種電影被賦予了更多“構造沉浸式體驗感”的使命，并在電影行業迸發出新的生命力。與普通電影不同之處在于，特種電影需要借助特效影片、特殊放映設備產生各種不同的效果，通過刺激觀眾的感官系統，讓觀眾體驗到超脫現實的臨場感。

在球幕劇場發展的近50年間，已經形成了數家世界級的球幕制造商，如美國EVANS &SUTHERLAND（益世電腦公司）、Sky-Skan 公司、Spitz公司，以及日本Konica Minolta公司。上述四家公司幾乎占據球幕影院市場超70%的份額[2]。除此之外，IMAX球幕完成了包括設備租賃、電影攝制、后期制作以及銷售發行等商業業務的建設，擁有龐大的全球放映網絡[3]。盡管各個公司建立的生態圈風生水起，但毫無疑問的是，放映機“基因”里的缺陷、球幕影院建設和運營的弊病一直無法根除。直到2017年，南京洛普科技有限公司（以下簡稱南京洛普或洛普）研制的創新產品——LED球幕的誕生打破了球幕電影放映效果停滯不前的局面，為球幕電影市場注入了新的活力。

時至今日，絕大多數球幕影院仍采用基于數字光處理（Digital Light Processing，DLP）技術的放映機。DLP技術是目前主流的投影技術。為了驗證LED球幕技術指標的先進性，本文對比了索尼公司新建的上海天文館球幕（2021年7月正式開館）投影參數，通過數據對比和分析研究，總結了LED球幕的幾大技術優勢及設計思路。

1 亮 度

在上海天文館內測得圖像45°，60°，90°（中心）三處位置的白場亮度分別為10.37 cd·m-2，9.79 cd·m-2，9.78 cd·m-2。該球幕劇場使用的放映設備是一款支持高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）的4K激光投影系統，采用了SXRD反射式液晶面板芯片，也是當時最先進的投影設備之一。盡管投影機的調試和采購數量也會影響輸出亮度，但是從現場測試數據來看，其白場亮度的表現力不足且差距較大。2020年，南京洛普建造的LED球幕現場測得的亮度為110 cd·m-2，超過激光投影10倍多。

從國家電影局2021年1月1日新發布的行業標準可以看出，電影行業的亮度指標相較于《數字電影巨幕影院技術規范和測量方法》（GD/J 040—2012）有所提升，但是由于被動發光原理，加上現有銀幕材質的限制，光線經過銀幕后仍存在較大的亮度損失，導致亮度的提升一直是投影機（放映機）的難點[4]。

使用主動發光技術的LED球幕，在功耗不受限的情況下，可以自主選擇屏幕亮度，亮度通常在48～500 cd·m-2。LED球幕由多種規格的顯示單元組成，每一塊顯示單元上集成了信號接口、LED燈珠以及驅動電路。在設計初期，設計師可根據亮度和功耗要求，綜合考慮驅動芯片的帶載能力，設計電路的掃描數，并通過選擇不同亮度級別的燈珠，采用內置靜態隨機存取存儲器（Static Random Access Memory，SRAM）的PWM芯片，在滿足亮度參數的同時獲得較高的刷新率。不僅如此，LED球幕還具有亮度可調功能。在很多工程應用案例中，亮度可調功能不僅可以根據各類項目場景的明暗需求進行實時的調整，還可以降低LED球幕的發熱量，延長使用壽命。這也是LED球幕運營成本低的一個重要因素之一。

2 暗畫面顯示

在比較黑場亮度這一參數時，LED球幕的優勢依然明顯。上海天文館球幕測得的黑場亮度為0.003 cd·m-2，而第三方檢測機構對南京洛普LED球幕測試的黑場亮度為0 lx。

以金屬銀幕舉例，為了提高光的反射率，實現更高增益，金屬銀幕的外涂層均為專用的樹脂，其中含有緊密的金屬分子組成的蜂窩陣列。與銀幕相反的是，為了降低反射率，提高對比度，LED球幕表面材質均要求為黑色啞光，PCB表面設置有一層黑色啞光阻焊涂層，每一顆燈珠均采用黑色PPA，發光面加入散色劑的環氧樹脂包裹，面罩則采用黑色PC材料表面加二次黑色噴涂。正是由于LED球幕表面黑色吸光且不反光，因此，LED球幕在不點亮的情況下可以更黑，在黑夜和宇宙星空以及暗黑海底畫面的表現上更為出眾。尤其是在飛行模擬應用時，不會因為暗畫面不夠黑導致顯示細節丟失的問題，更適合需要高精度顯示的專業領域。

在電影行業標準里，幀內對比度測量信號是整幅圖像均分為16塊黑色和白色相間方格，通過這種方式測量一幅圖像中明暗區域最亮的白色和最暗的黑色之間的亮度比值。白色越亮、黑色越暗，對比度就越高，畫面的黑白反差越明顯，觀看感受到的清晰度越高，畫面的通透性就越好；反之，畫面會有一種灰蒙蒙的效果，不僅色彩暗淡，而且模糊不清。

上海天文館球幕測試得到的幀內對比度僅為6.6∶1，而洛普的LED球幕幀內對比度實測數據已達到60∶1，順序對比度達到13 750∶1，也遠超當時的行業標準1 200∶1。

除了對比度方面的優勢以外，在驅動能力方面，洛普LED球幕每通道輸出電流值已低至0.5 mA，同時內部搭載SRAM的創新架構、S-PWM技術，可完美展現極低亮度下的高灰階表現力。在顯示控制方面，最新的“畫質引擎”技術可進一步實現更低亮度下的畫面精細顯示。因此，LED球幕產品是一款真正意義上的數字化顯示設備，具有更精確的亮度控制能力和更細膩的畫面展現力。

3 均勻度

投影機通過將片源投射在銀幕上實現顯示功能，這種方式必然存在投射中心亮度大于投射邊緣亮度的情況。有些劇場為了節約投影設備的購置費用，減少投影設備數量，加上不同投影機的光參差異以及安裝調試位置的差異，投射圖像的邊緣還會存在融合帶。因此，亮度均勻度問題在投影設備中一直存在，且幾乎無法根除。

從上海天文館的球幕測試數據來看，其激光投影設備的亮度均勻度分別為94.0%，94.9%，85.8%，96.2%，超過行業標準的70%要求。但是與LED球幕相比，仍遜色不少。在LED顯示屏的研制過程，亮度均勻性一直是各個顯示屏廠家追求的重要指標之一。為了提升產品的亮度和色度的均勻性，各個廠家會從原材料選型、生產工藝兩方面入手。

3.1 原材料選型

受到LED芯片工藝的影響，LED芯片會存在亮度、波長的差異。為了減少這一差異帶來的影響，綜合考慮生產成本的情況下，封裝廠（燈珠廠）會設定一道分光分色的流程，即在燈珠打包出貨前，根據燈珠的亮度、波長范圍對每一顆燈珠進行一次精細分檔，通常檔位的設置為最大亮度與最小亮度的比值1∶1.2～1∶1.3，波長范圍是4～5 nm。顯示屏廠家也可以根據均勻度的要求，提出定制的亮度和波長范圍。在燈珠出廠前，絕大多數燈珠廠家還會進行一次混燈操作。

3.2 二次分選和校正

經過精細分檔的燈珠在制作成顯示屏之前，多數中高端顯示屏廠家還會進行第二次混燈操作。燈珠的亮度分布為典型的正態分布，二次混燈操作可進一步將亮度較為集中的燈珠散開分布。顯示屏組裝完成后，顯示屏廠家通過采集每顆燈珠的亮度和顏色差異，設定目標值，對燈珠進行亮度調整和補色修正。亮度調整后的顯示屏的均勻性可達到99%以上，色度均勻性可達到±0.003。第三方檢測中心的測試數據顯示，LED球幕的亮度分布均勻度可達到100.9%～114.4%不等，均勻度指標領先。

因此，LED球幕不僅不存在融合帶問題，而且成熟的生產工藝使得亮度均勻度更優，其畫質水平是投影設備無法媲美的。

4 維護成本低

投影機主要分為燈泡投影機和激光投影機兩種。以哈爾濱萬達飛行影院為例，該球幕劇場共有12臺投影機，每臺投影機的燈泡更換費用為每兩個月6萬元，全年更換燈泡的費用為36萬元，加上投影機自身的維護成本，整個球幕影院的全年維護費用至少40萬元。此外，散熱系統需要每月進行維護，維護內容包括濾芯的清潔、安裝、投影融合帶的校正等。

LED球幕目前的售價高于普通球幕，但是后期維護成本極低。LED球幕由多種規格的LED顯示單元拼裝而成，每個LED顯示單元上有獨立的驅動電路和發光器件，所有模塊可獨立拆裝，維護便捷。

在LED球幕出廠前，顯示屏廠商會根據環境亮度和功耗限值配置最大白平衡亮度。由于球幕的使用環境均比較暗，LED球幕的出廠亮度基本不高于500 cd·m-2，紅綠藍三基色的使用電流典型值在8 mA，5 mA，3 mA，均屬于低功耗運行狀態。LED芯片的理論半衰期為10萬小時，封裝后的理論半衰期假設為5萬小時，按照每天8小時、全年365天運營計算，LED球幕理論工作年限超過15年。由于整個LED球幕系統的集成化程度低，集中度高，因此在整個運營過程中，僅需對部分零件進行更換，其產生的費用鳳毛麟角。

5 兼容多種影片播放格式

盡管我國的球幕影院的建造數量逐年提升，超大型球幕影院的數量已經與美國旗鼓相當，但是觀眾量和人氣上遠遠不及。究其原因，除了影院本身功能單一以外，球幕影片的開發不足，租用成本高，以及球幕系統制式不通用的問題是主要原因。我國科技博物館球幕電影中實時類節目的播放占比僅為4%，缺乏高端影片服務器的支持，同時影片的更換頻率不高，約有75%的影院影片更換頻率為1年1次，約有12%的影院幾年才更換一部影片[5]。

我國的球幕影院數字化程度還有待提高，在球幕設備供應商中有幾大供應商，如美國E&S，E&S、Sky-Skan、ZEISS、Fulldomepro、莫高絲路、北京神州四達等，均采用不同的系統，系統的編碼格式均不相同。盡管膠片類電影可以通過掃描的方式轉為數字電影，格式之間也可以通過軟件進行轉換，但是其便捷程度遠不如統一播放格式或是支持多種格式的播放服務器更能推動球幕電影產業的發展。

LED球幕播放系統主要由LED球幕顯示設備和前端電影服務器、各類音視頻處理設備以及同步控制設備組成。整個系統采用分布式架構，支持各類無損的序列幀格式電影，格式包括tiff，jpeg2000，tga，png等。上述幾種格式基本包含了絕大多數的球幕電影格式，同時，還可以通過配置不同的影片服務器以滿足不同的需求，包括不同格式的影片播放、實時播放需求等。

因此，相比普通球幕播放系統，LED球幕播放系統不受播放格式的限制，系統配置更靈活，更有利于各類應用場景的推廣和應用。

6 結 語

LED球幕擁有亮度高、對比度高、均勻度高、運營成本低以及影片兼容性優勢，彌補了投影機現有技術缺陷。因此，LED球幕吸引了全球各地的客戶。LED球幕產品應用項目不僅包括天文館，還包括各類飛行影院。目前已經建成的LED球幕有無錫、廣州、昆明的LED飛行球幕，泰山石敢當文化旅游區，日本橫濱柯美天文館LED球幕以及日本名古屋柯尼卡天文館LED球幕等。經過5年的市場推廣和商業應用，LED球幕產品在接口通用性、影片兼容性、顯示效果等方面優勢凸顯。隨著行業規模的擴大和成本的進一步下降，LED球幕將成為未來高端飛行、特種影院的重要組成部分。