LED球幕在特种影院的技术优势与设计

朱 斌

（南京洛普科技有限公司，江苏 南京 210061）

0 引 言

实验心理学家赤瑞特拉（Treicher）曾经做过一个有名的心理学实验，经过大量的验证证明：人类获取的信息83%来自视觉[1]，11%来自听觉。正是基于此实验结果，特种电影被赋予了更多“构造沉浸式体验感”的使命，并在电影行业迸发出新的生命力。与普通电影不同之处在于，特种电影需要借助特效影片、特殊放映设备产生各种不同的效果，通过刺激观众的感官系统，让观众体验到超脱现实的临场感。

在球幕剧场发展的近50年间，已经形成了数家世界级的球幕制造商，如美国EVANS &SUTHERLAND（益世电脑公司）、Sky-Skan 公司、Spitz公司，以及日本Konica Minolta公司。上述四家公司几乎占据球幕影院市场超70%的份额[2]。除此之外，IMAX球幕完成了包括设备租赁、电影摄制、后期制作以及销售发行等商业业务的建设，拥有庞大的全球放映网络[3]。尽管各个公司建立的生态圈风生水起，但毫无疑问的是，放映机“基因”里的缺陷、球幕影院建设和运营的弊病一直无法根除。直到2017年，南京洛普科技有限公司（以下简称南京洛普或洛普）研制的创新产品——LED球幕的诞生打破了球幕电影放映效果停滞不前的局面，为球幕电影市场注入了新的活力。

时至今日，绝大多数球幕影院仍采用基于数字光处理（Digital Light Processing，DLP）技术的放映机。DLP技术是目前主流的投影技术。为了验证LED球幕技术指标的先进性，本文对比了索尼公司新建的上海天文馆球幕（2021年7月正式开馆）投影参数，通过数据对比和分析研究，总结了LED球幕的几大技术优势及设计思路。

1 亮 度

在上海天文馆内测得图像45°，60°，90°（中心）三处位置的白场亮度分别为10.37 cd·m-2，9.79 cd·m-2，9.78 cd·m-2。该球幕剧场使用的放映设备是一款支持高动态范围（High Dynamic Range，HDR）的4K激光投影系统，采用了SXRD反射式液晶面板芯片，也是当时最先进的投影设备之一。尽管投影机的调试和采购数量也会影响输出亮度，但是从现场测试数据来看，其白场亮度的表现力不足且差距较大。2020年，南京洛普建造的LED球幕现场测得的亮度为110 cd·m-2，超过激光投影10倍多。

从国家电影局2021年1月1日新发布的行业标准可以看出，电影行业的亮度指标相较于《数字电影巨幕影院技术规范和测量方法》（GD/J 040—2012）有所提升，但是由于被动发光原理，加上现有银幕材质的限制，光线经过银幕后仍存在较大的亮度损失，导致亮度的提升一直是投影机（放映机）的难点[4]。

使用主动发光技术的LED球幕，在功耗不受限的情况下，可以自主选择屏幕亮度，亮度通常在48～500 cd·m-2。LED球幕由多种规格的显示单元组成，每一块显示单元上集成了信号接口、LED灯珠以及驱动电路。在设计初期，设计师可根据亮度和功耗要求，综合考虑驱动芯片的带载能力，设计电路的扫描数，并通过选择不同亮度级别的灯珠，采用内置静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）的PWM芯片，在满足亮度参数的同时获得较高的刷新率。不仅如此，LED球幕还具有亮度可调功能。在很多工程应用案例中，亮度可调功能不仅可以根据各类项目场景的明暗需求进行实时的调整，还可以降低LED球幕的发热量，延长使用寿命。这也是LED球幕运营成本低的一个重要因素之一。

2 暗画面显示

在比较黑场亮度这一参数时，LED球幕的优势依然明显。上海天文馆球幕测得的黑场亮度为0.003 cd·m-2，而第三方检测机构对南京洛普LED球幕测试的黑场亮度为0 lx。

以金属银幕举例，为了提高光的反射率，实现更高增益，金属银幕的外涂层均为专用的树脂，其中含有紧密的金属分子组成的蜂窝阵列。与银幕相反的是，为了降低反射率，提高对比度，LED球幕表面材质均要求为黑色哑光，PCB表面设置有一层黑色哑光阻焊涂层，每一颗灯珠均采用黑色PPA，发光面加入散色剂的环氧树脂包裹，面罩则采用黑色PC材料表面加二次黑色喷涂。正是由于LED球幕表面黑色吸光且不反光，因此，LED球幕在不点亮的情况下可以更黑，在黑夜和宇宙星空以及暗黑海底画面的表现上更为出众。尤其是在飞行模拟应用时，不会因为暗画面不够黑导致显示细节丢失的问题，更适合需要高精度显示的专业领域。

在电影行业标准里，帧内对比度测量信号是整幅图像均分为16块黑色和白色相间方格，通过这种方式测量一幅图像中明暗区域最亮的白色和最暗的黑色之间的亮度比值。白色越亮、黑色越暗，对比度就越高，画面的黑白反差越明显，观看感受到的清晰度越高，画面的通透性就越好；反之，画面会有一种灰蒙蒙的效果，不仅色彩暗淡，而且模糊不清。

上海天文馆球幕测试得到的帧内对比度仅为6.6∶1，而洛普的LED球幕帧内对比度实测数据已达到60∶1，顺序对比度达到13 750∶1，也远超当时的行业标准1 200∶1。

除了对比度方面的优势以外，在驱动能力方面，洛普LED球幕每通道输出电流值已低至0.5 mA，同时内部搭载SRAM的创新架构、S-PWM技术，可完美展现极低亮度下的高灰阶表现力。在显示控制方面，最新的“画质引擎”技术可进一步实现更低亮度下的画面精细显示。因此，LED球幕产品是一款真正意义上的数字化显示设备，具有更精确的亮度控制能力和更细腻的画面展现力。

3 均匀度

投影机通过将片源投射在银幕上实现显示功能，这种方式必然存在投射中心亮度大于投射边缘亮度的情况。有些剧场为了节约投影设备的购置费用，减少投影设备数量，加上不同投影机的光参差异以及安装调试位置的差异，投射图像的边缘还会存在融合带。因此，亮度均匀度问题在投影设备中一直存在，且几乎无法根除。

从上海天文馆的球幕测试数据来看，其激光投影设备的亮度均匀度分别为94.0%，94.9%，85.8%，96.2%，超过行业标准的70%要求。但是与LED球幕相比，仍逊色不少。在LED显示屏的研制过程，亮度均匀性一直是各个显示屏厂家追求的重要指标之一。为了提升产品的亮度和色度的均匀性，各个厂家会从原材料选型、生产工艺两方面入手。

3.1 原材料选型

受到LED芯片工艺的影响，LED芯片会存在亮度、波长的差异。为了减少这一差异带来的影响，综合考虑生产成本的情况下，封装厂（灯珠厂）会设定一道分光分色的流程，即在灯珠打包出货前，根据灯珠的亮度、波长范围对每一颗灯珠进行一次精细分档，通常档位的设置为最大亮度与最小亮度的比值1∶1.2～1∶1.3，波长范围是4～5 nm。显示屏厂家也可以根据均匀度的要求，提出定制的亮度和波长范围。在灯珠出厂前，绝大多数灯珠厂家还会进行一次混灯操作。

3.2 二次分选和校正

经过精细分档的灯珠在制作成显示屏之前，多数中高端显示屏厂家还会进行第二次混灯操作。灯珠的亮度分布为典型的正态分布，二次混灯操作可进一步将亮度较为集中的灯珠散开分布。显示屏组装完成后，显示屏厂家通过采集每颗灯珠的亮度和颜色差异，设定目标值，对灯珠进行亮度调整和补色修正。亮度调整后的显示屏的均匀性可达到99%以上，色度均匀性可达到±0.003。第三方检测中心的测试数据显示，LED球幕的亮度分布均匀度可达到100.9%～114.4%不等，均匀度指标领先。

因此，LED球幕不仅不存在融合带问题，而且成熟的生产工艺使得亮度均匀度更优，其画质水平是投影设备无法媲美的。

4 维护成本低

投影机主要分为灯泡投影机和激光投影机两种。以哈尔滨万达飞行影院为例，该球幕剧场共有12台投影机，每台投影机的灯泡更换费用为每两个月6万元，全年更换灯泡的费用为36万元，加上投影机自身的维护成本，整个球幕影院的全年维护费用至少40万元。此外，散热系统需要每月进行维护，维护内容包括滤芯的清洁、安装、投影融合带的校正等。

LED球幕目前的售价高于普通球幕，但是后期维护成本极低。LED球幕由多种规格的LED显示单元拼装而成，每个LED显示单元上有独立的驱动电路和发光器件，所有模块可独立拆装，维护便捷。

在LED球幕出厂前，显示屏厂商会根据环境亮度和功耗限值配置最大白平衡亮度。由于球幕的使用环境均比较暗，LED球幕的出厂亮度基本不高于500 cd·m-2，红绿蓝三基色的使用电流典型值在8 mA，5 mA，3 mA，均属于低功耗运行状态。LED芯片的理论半衰期为10万小时，封装后的理论半衰期假设为5万小时，按照每天8小时、全年365天运营计算，LED球幕理论工作年限超过15年。由于整个LED球幕系统的集成化程度低，集中度高，因此在整个运营过程中，仅需对部分零件进行更换，其产生的费用凤毛麟角。

5 兼容多种影片播放格式

尽管我国的球幕影院的建造数量逐年提升，超大型球幕影院的数量已经与美国旗鼓相当，但是观众量和人气上远远不及。究其原因，除了影院本身功能单一以外，球幕影片的开发不足，租用成本高，以及球幕系统制式不通用的问题是主要原因。我国科技博物馆球幕电影中实时类节目的播放占比仅为4%，缺乏高端影片服务器的支持，同时影片的更换频率不高，约有75%的影院影片更换频率为1年1次，约有12%的影院几年才更换一部影片[5]。

我国的球幕影院数字化程度还有待提高，在球幕设备供应商中有几大供应商，如美国E&S，E&S、Sky-Skan、ZEISS、Fulldomepro、莫高丝路、北京神州四达等，均采用不同的系统，系统的编码格式均不相同。尽管胶片类电影可以通过扫描的方式转为数字电影，格式之间也可以通过软件进行转换，但是其便捷程度远不如统一播放格式或是支持多种格式的播放服务器更能推动球幕电影产业的发展。

LED球幕播放系统主要由LED球幕显示设备和前端电影服务器、各类音视频处理设备以及同步控制设备组成。整个系统采用分布式架构，支持各类无损的序列帧格式电影，格式包括tiff，jpeg2000，tga，png等。上述几种格式基本包含了绝大多数的球幕电影格式，同时，还可以通过配置不同的影片服务器以满足不同的需求，包括不同格式的影片播放、实时播放需求等。

因此，相比普通球幕播放系统，LED球幕播放系统不受播放格式的限制，系统配置更灵活，更有利于各类应用场景的推广和应用。

6 结 语

LED球幕拥有亮度高、对比度高、均匀度高、运营成本低以及影片兼容性优势，弥补了投影机现有技术缺陷。因此，LED球幕吸引了全球各地的客户。LED球幕产品应用项目不仅包括天文馆，还包括各类飞行影院。目前已经建成的LED球幕有无锡、广州、昆明的LED飞行球幕，泰山石敢当文化旅游区，日本横滨柯美天文馆LED球幕以及日本名古屋柯尼卡天文馆LED球幕等。经过5年的市场推广和商业应用，LED球幕产品在接口通用性、影片兼容性、显示效果等方面优势凸显。随着行业规模的扩大和成本的进一步下降，LED球幕将成为未来高端飞行、特种影院的重要组成部分。