摘要
DCI電影院LED顯示屏是現在行業內最熱門的話題之一。對比與傳統的投影顯示，LED顯示具有眾多技術優勢，如更大的動態亮度範圍、更好的亮度顏色均勻性、無圖形畸變、尺寸任意拼接等。而LED顯示屏進入電影院應用首先需要滿足DCI(Digital Cinema Initiatives)標準的認證，本文針對其中的顯示圖案要求，分析適合該應用的LED的技術規格要求。
一、背景和DCI標準
隨著第一塊通過DCI認證的LED顯示屏上市，LED顯示技術打開了電影院顯示屏的海量市場。據LEDinside估計，中國電影院市場現存月40000塊顯示屏，並以每年10%以上的速度增長。按照4K分辨率的像素點計算，整個市場潛在LED用量將是350kkk。然而LED顯示屏進入電影院市場需要滿足DCI(Digital Cinema Initiatives)標準的嚴格技術測試CTP(Compliance Test Plan)要求。
DCI組織由全球最大的六家電影公司聯合創建，旨在建立統一的數字電影播放標準，保護數字電影版權和確保影院視聽體驗。DCI標準涵蓋數據形式、編解碼接口、傳輸方式、安全保障、包含服務器、投影、音頻及控制的影院硬件系統。本文旨在針對顯示屏本身，從標準要求出發，理解適用於DCI電影院顯示屏的LED規格定義。
DCI對於顯示圖像的要求可以參考一下表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，對比度要求至少1200:1(測試條件為影院環境光，屏面反光小於0.03cd/m2)，白平衡點已經色域要求如圖1所示，同時允許一定的誤差。標準R,G,B三基色對應的飽和度主波長分別是100%621nm、89.5%544nm、92.9%465nm。
表1：DCI_DCSS_v12對顯示圖像的要求
圖1：DCI白平衡點和色域要求
二、LED的封裝選擇
由於電影屏在實際使用時，影廳的大小種類繁多，DCI標準對於屏幕的尺寸是不作強制規定的，那麼對應於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點間距，如2.5mm點間距對應於10.3m寬的小廳屏幕，3.3mm點間距對應於13.5m寬的中大廳屏幕。
對於這個點間距範圍的顯示屏，LED尺寸的可選範圍可以從1010，1616到2020，多種封裝形式可選。而由於影院的觀影設置，可以保證即使第一排觀眾也不能分辨出像素點，基於這樣的前提，應該選用封裝尺寸儘量小的LED(如1010)，提高黑色面板或面罩表面積在整屏面積的佔比，提高對比度。
三、LED的亮度要求
按照48cd/m2的亮度要求，2.5mm的像素點間距，以及30掃的驅動形式估算，每顆LED的發光亮度是9mcd，按照DCI白平衡點的要求計算，三基色比例為R:G:B=20.9:72.2:6.9，對於單顆LED的R,G,B亮度要求為1.9mcd,6.5mcd,0.6mcd。這樣的亮度規格是遠小於當今主流1010尺寸LED的發光亮度的。
LED顯示控制系統誠然可以通過灰度等級控制把出售設計亮度較高的LED顯示屏降到48cd/m2，但會帶來諸多低灰顯示的問題，如紅色色飄、像素不均勻等。
受限於驅動芯片的最小電流規格，LED的驅動也電流不可能無限降低，這就需要LED通過自身的設計來降低發光亮度，如可能的進一步降低芯片尺寸，或在封裝體中進入更多的吸光顆粒。但是，這都是以犧牲光電效率為代價的。如果驅動芯片的最小驅動電流能進一步降低、或者支持掃描數能進一步提高，則可以在不犧牲光電效率的前提下降低LED顯示屏的亮度。而LED本身，只有精確選擇適合於DCI白平衡點顏色比例的R,G,B芯片比例，以後可以滿足驅動芯片電流要求的亮度，才是最完美符合應用要求的LED。
四、LED的顏色要求
根據DCI定義的DCI-P3色域，顯示屏的R,G,B三基色有嚴格的色座標要求。對於LED顯示屏而言，需要LED要有嚴格的色座標規格。但是目前市面上，絕大多數的LED供應商採用主波長規格定義顏色，而主波長是從一個維度(色調)上定義的顏色，缺失了顏色的另一個維度(飽和度)信息。相同主波長的顏色在色空間對應於一條通過等能量點(0.333,0.333)的一條直線，而不是一個精確的色點。所以，為了精確滿足DCI-P3色域要求，首先需要選用色座標定義顏色的LED，而不是不精確的主波長定義。
由於顯示混光的原理，顯示屏初始設計色域可以等於或者大於DCI-P3色域，也就是R,G,B三基色的初始設計色座標不需要直接是DCI-P3規定的色座標，可以是如圖顯示的每個基點雙邊外延線和色空間邊界所形成的區域(如圖2所示)。其中綠色和藍色分別是一塊類似三角形的小區域，由於LED的顏色離散性，這麼小的顏色範圍幾乎沒法在LED大規模量產中達到；而對於紅色，由於DCI-P3規定的基點已經位於色空間邊界上(飽和度100%)，所以理論上LED就沒有滿足的可能性。
圖2：滿足DCI色域要求的LED色座標範圍
而考慮到實際量產和測試的誤差，在應用及認證過程中，DCI標準定義了屏幕三基色色座標允許的誤差範圍(參見表1)，在CIE 1931色空間中如圖3所示的矩形色座標範圍。
圖3：DCI標準允許的DCI-P3三基色誤差範圍(具體參數見表1)
結合上述的色域混光外延原理，實際的LED色座標要求可以擴展到圖4、5、6所示區域。紅光為由圖5中五個座標點和色空間邊界構成的區域，綠光為由圖6中四個座標點和色空間邊界構成的區域，藍光為由圖7中五個座標點和色空間邊界構成的區域。
那麼，是否使用按照這三個區域定義顏色的LED就能得到滿足DCI-P3色域要求的LED顯示屏呢？實際應用中還需要注意以下兩個問題：
第一，LED在不同驅動電流和工作溫度下會有色座標漂移。如果LED供應商的色點測試電流和LED在顯示屏設計工作電流的差異過大，則很可能導致屏上色點漂移出允許的區域。同樣，實際應用時LED節溫稍高於25°C也可能導致色點漂移。針對該問題，最好的方式是LED供應商提前瞭解得知確定的設計電流，然後在儘可能相同的電流條件下測試LED色點，同時也適當提前考慮溫度的影響。
第二，圖示區域範圍已經把DCI規定允許的顏色誤差都考慮進去了。而實際LED顯示屏上的顏色誤差除了LED本身外，還有芯片輸出驅動電流的誤差，屏體不同區域的溫度誤差，校正系統的誤差，以及色點測試儀器的誤差等。所以LED供應商定義的色點範圍應當儘量小於圖示邊界區域，為顯示屏體設計和後續測試的誤差留有餘量。
圖4：滿足DCI色域(含誤差)要求的LED紅光色座標範圍
圖5：滿足DCI色域(含誤差)要求的LED綠光色座標範圍
圖6：滿足DCI色域(含誤差)要求的LED藍光色座標範圍
五、可能的技術要求趨勢
誠然，上述DCI標準對於顯示圖像的要求其實都是基於投影系統的技術能力制定的，對於自發光的LED顯示系統，如果還是一直沿用舊的投影標準，無疑會大大犧牲LED顯示的技術優勢。對於LED帶來的電影院應用顯示技術突破，我們有理由相信，在不久的將來DCI標準就會做出更新。從LED顯示屏角度出發，我們建議關注以下三方面可能的趨勢。
第一，分辨率從4K提升到8K。8K的視頻播放在電視廣播領域已經出現，而電影院投影系統受限於DMD模塊，很難提升分辨率。LED顯示屏可以毫無難度地在相同尺寸下縮小一倍點間距(例如2.5mm到1.25mm)，分辨率從4K提升到8K。
第二，加入HDR。HDR要求更黑的暗態和更高的峰值亮度(例如HDR10標準，要求至少0.005cd/m2到1000cd/m2的動態範圍)，兩者都是投影系統非常難達到了。LED顯示屏由於天然的亮度、對比度技術優勢，可以把HDR帶入電影院系統。
第三，色域範圍提升。現有的DCI-P3色域系統並不已經是LED所能達到的最優色域，比如現有的綠色、藍色LED理論上可以提供更高的飽和度，進一步擴大顯示色域。預計未來的顏色要求會是介於P3和BT2020之間的一個新的色域。
(作者簡介：趙雲，南京大學工學碩士，現任歐司朗光電半導體(中國)有限公司多元化市場亞太區高級應用工程師，負責LED顯示應用的技術支持和市場推廣。)
參考文獻：
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
閱讀更多 高工LED網 的文章
