分析:适用于DCI电影院LED显示屏的LED规格要求

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。

一、背景和DCI标准

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月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。

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。

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。

表1:DCI_DCSS_v12对显示图像的要求

▲ 图1:DCI白平衡点和色域要求

二、LED的封装选择

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。

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。

三、LED的亮度要求

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。

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。

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。

四、LED的颜色要求

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。

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。

▲ 图2:满足DCI色域要求的LED色坐标范围

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1),在CIE 1931色空间中如图3所示的矩形色坐标范围。

▲ 图3:DCI标准允许的DCI-P3三基色误差范围(具体参数见表1)

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。

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:

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节温稍高于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。

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。

▲ 图4:满足DCI色域(含误差)要求的LED红光色坐标范围

▲ 图5:满足DCI色域(含误差)要求的LED绿光色坐标范围

▲ 图6:满足DCI色域(含误差)要求的LED蓝光色坐标范围

五、可能的技术要求趋势

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。

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。

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。

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。

(作者简介:赵云,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。)

参考文献:

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


来源:欧司朗光电半导体

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