歐司朗光電半導體（中國）有限公司
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，如更大的動態亮度范圍、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。
關鍵詞：LED、顯示、電影院、DCI、顏色
1. 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約40000塊顯示屏，并以每年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，理解適用于DCI電影院顯示屏的LED規格定義。
DCI對于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，屏面反光小于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
2. LED的封裝選擇
由于電影屏在實際使用時，影廳的大小種類繁多，DCI標準對于屏幕的尺寸是不作強制規定的，那么對應于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點間距，如2.5mm點間距對應于10.3m寬的小廳屏幕，3.3mm點間距對應于13.5m寬的中大廳屏幕。
對于這個點間距范圍的顯示屏，LED尺寸的可選范圍可以從1010，1616到2020，多種封裝形式可選。而由于影院的觀影設置，可以保證即使第一排觀眾也不能分辨出像素點，基于這樣的前提，應該選用封裝尺寸盡量小的LED （如1010），提高黑色面板或面罩表面積在整屏面積的占比，提高對比度。
3. 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，對于單顆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于當今主流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。
受限于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，只有精確選擇適合于DCI白平衡點顏色比例的R, G, B芯片比例，以后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。
4. LED的顏色要求
根據DCI定義的DCI-P3色域，顯示屏的R,G,B三基色有嚴格的色坐標要求。對于LED顯示屏而言，需要LED要有嚴格的色坐標規格。但是目前市面上，絕大多數的LED供應商采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于一條通過等能量點 (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，首先需要選用色坐標定義顏色的LED，而不是不精確的主波長定義。
由于顯示混光的原理，顯示屏初始設計色域可以等于或者大于DCI-P3色域，也就是R,G,B三基色的初始設計色坐
圖2：滿足DCI色域要求的LED色坐標范圍
標不需要直接是DCI-P3規定的色坐標，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，由于LED的顏色離散性，這么小的顏色范圍幾乎沒法在LED大規模量產中達到；而對于紅色，由于DCI-P3規定的基點已經位于色空間邊界上（飽和度100%），所以理論上LED就沒有滿足的可能性。
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坐標允許的誤差范圍（參見表
圖3：DCI標準允許的DCI-P3三基色誤差范圍 （具體參數見表1）
1），在CIE 1931色空間中如圖3所示的矩形色坐標范圍。
結合上述的色域混光外延原理，實際的LED色坐標要求可以擴展到圖4、5、6所示區域。紅光為由圖5中五個坐標點和色空間邊界構成的區域，綠光為由圖6中四個坐標點和色空間邊界構成的區域，藍光為由圖7中五個坐標點和色空間邊界構成的區域。
那么，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坐標漂移。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結溫稍高于25°C也可能導致色點漂移。針對該問題，最好的方式是LED供應商提前了解得知確定的設計電流，然后在盡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，圖示區域范圍已經把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供應商定義的色點范圍應當盡量小于圖示邊界區域，為顯示屏體設計和后續測試的誤差留有余量。
圖4：滿足DCI色域（含誤差）要求的LED紅光色坐標范圍
5. 可能的技術要求趨勢
誠然，上述DCI標準對于顯示圖像的要求其實都是基于投影系統的技術能力制定的，對于自發光的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。對于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于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的動態范圍），兩者都是投影系統非常難達到了。LED顯示屏由于天然的亮度、對比度技術優勢，可以把HDR帶入電影院系統。
第三，色域范圍提升�，F有的DCI-P3色域系統并不已經是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于P3和BT2020之間的一個新的色域。
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
作者簡介：趙云（1986- ），男，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。
