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