基于LCoS技术的4K级数字电影放映技术解析

基于LCoS技术的4K级数字电影放映技术解析 基于LCoS技术的4K SXRD数字电影放映机原理解析 杨光 【摘要】 【关键词】LcoS SXRD SRX-R320 数字电影服务器 如今，电影业正在经历由胶片向数字化发展的重要变革，在国内已有很多影院采用具有2K分辨率的数字放映机。面对需求日益增长的电影娱乐市场，索尼推出了基于LCoS技术的4K SXRD级数字电影放映机，但是由于4K分辨率片源等原因，其普及程度远远低于采用DLP技术的2K级数字电影放映机。为了推广4K投影技术，索尼已成立一个新的部门，为客户提供完整的数字影院服务与解决，而具有4K(4096×2160)分辨率与18000流明的 SRX-R320)放映机将成市场的主流。 索尼CineAlta 4K( 一、LCOS技术简介 LCOS主要是由氙气灯发光，集光至面板，将面板的影像经反射或透射投射出影像，再经过分光、合光系统，最后将影像投射到屏幕显像。LCOS(Liquid Crystal on Silicon)是一种全新的数码成像技术，它采用半导体CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片，CMOS芯片上涂有薄薄的一层液晶硅，控制电路置于显示装置的后面，可以提高透光率，从而实现更大的光输出和更高的分辨率。 1、LCOS面板结构: 1 -1，类似TFT LCD，是在上下二层基板中间撒布Spacer以加以隔绝 LCOS面板结构如图1 后，再填充液晶于基板间形成光阀，藉由电路的开关以推动液晶分子的旋转，以决定画面的明与暗。LCOS面板的上基板是ITO导电玻璃，下基板是则矽晶圆CMOS基板，LCOS面板最大的特色在于下基板的材质是单晶矽，因此拥有良好的电子移动率，而且单晶矽可形成较细的线路，因此与现有的HTPS LCD及DLP投影面板相较，LCOS是比较容易达成高解析度的投影技术。 图1-1、LOCS面板结构图 2、LCOS光学引擎: 由于LCOS技术仍在起步阶段，目前并无标准制程，所以有多家厂商开发出不同的LCOS光学引擎架构。在这些不同的技术中，可概分为三片式及单片式二大类。数字电影放映机采用图1-2所示的是三片式。 三片式是将光源经分光棱镜将光束分为红、蓝、绿光后，再分别将光束投射入三片LCOS面板，将投射出的三色影像经过合光系统加以结合形成彩色影像。就Nikon的IBM 4-Cube光学引擎架构来看，由于三片式LCOS光学引擎除了需要三片面板外，并结合多项的分光、合光光学系统，因此体积较大、成本也较高，不过由于可以达到较高的光学效率，又具备高画质的特性，因此主要 2 是朝高阶的专业用途发展，主要的产品以JVC的多款投影机为主，除此之外，三片式光学引擎还有ColorLink采用的ColoRQuard架构、Philips的Prism架构，致伸发展的Dichroic-PBS架构，及Unaxis的ColorCorner架构等。 图1-2、三片式光学引擎架构 2、LCOS技术成像原理。 图1-3、LCOS成像原理图 3 LCOS成像原理如图1-3所示，其成像方式类似于三片式的LCD液晶技术，不过采用LCOS技术的投影机其光线不是穿过LCD面板，而是采用反射方式形成彩色图像。它采用涂有液晶硅的CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片。用先进工艺磨平后镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极之上的玻璃基板相贴合，再注入液晶封装而成。LCOS将控制电路放置于显示装置的后面，可以提高透光率，从而达到更大的光输出和更高的分辨率。与其他投影技术相比，LCOS技术最大的优点是分辨率高，采用该技术的投影机产品在亮度和价格方面也有一定优势。由于硅基板与对向基板的热膨胀系数不同，难以组装，使成品率较低、成本较高。 3、Sony 4K SXRD技术 Sony公司继推出的4K SRX系列电影放映机主要特色是采用了SXRD技术，该技术主要是基于LCoS技术研发而成，其工作原理与之相同，光学结构如图1-4，主要特点如下: (1)、超薄液晶单元间隙 SRX系列放映机能够实现高对比度的另外一个因素是:SXRD芯片装 置小于2微米的液晶极小单元间隙。传统的垂直排列液晶系统无法实现 如此小的液晶极小单元间隙。Sony在硅底板结构中采用了创新的平面 化技术以及先进的硅片安装工艺，克服了这一难点。 SXRD 设备还采用了无“间隔”的结构。传统的反射式液晶器件采用柱 状物来保持液晶单元基面和顶部之间的恒定间隙。这些“间隔”很容易 分散和反射光线，影响了图像的对比度。而在采用无间隔技术的SXRD 设备中，这些人为因素造成的问不复存在。 (2)、快速响应 4 SXRD 设备中的超薄单元间隙结构同时也实现了极短的响应时间(仅为2.5毫秒，包括上升 和下降时间)。SXRD设备可以对图像的即时变化做出快速的反应，使放映机显示移动图像时更加流畅。因此，放映机不存在运运动模糊现象，在放映快速移动物体图像时效果尤佳。 图1-4、SXRD光学结构 (3)、可靠的成像装置 放映机采用高功率灯泡，这引起了用户对SXRD设备可靠性的特别关注。SXRD成像装置的导向膜采用的是无机材料，它在大功率氙灯系统所产生的高热量和强光的环境中，有很强的抗老化和抗变形能力。 (4)、12 比特SXRD驱动 SRX系列放映机采用12比特成像器驱动，可还原出非常自然的图像。 二、Sony SRX-R320数字放映系统组成 Sony推出的数字电影系统的核心是SRX-R320 4K SXRD放映机和LMT-300数字电影服务器。它严密的封闭式设计,使得LMT-300服务器可以无缝集成到SRX-R320放映机的机架中,实现极高的保密等级,满足数字电影倡导联盟(DCI)的SPB-2防 5 篡改规则. SRX-R320放映机装有三个硅晶反射成像系统 (SXRD),可提供惊人的4096 x 2160像素 (水平 x 垂直)分辨率,是全高清电视 (1920 x 1080) 的四倍以上,对比度高达2000:1。而且,它还可以选择4.2kW,3.0kW和2.0kW三种氙灯灯泡,以及多种可选镜头.在最宽22米宽屏幕上,SRX-R320可投射的14 ft-L的SMPTE标准亮度影像。 LMT-300数字电影服务器装有一个容量高达1TB,采用可靠的冗余磁盘阵列(RAID)系统的硬盘驱动器,能够播放DCI DCP (数字电影包) 文件,使SRX-R320放映机能够放映数字电影节目。LMT-300还具有独特的屏幕管理系统功能,标准配置即可提供各种屏幕管理操作,如放映顺序, 与其它影院控制系统 (如灯光和幕布) 进行通讯,放映机的设置和维护等等。而且,这个放映机系统还提供选购的STM-100影院管理系统软件,影院工作人员可在一台与影院局域网连接的计算机上,对多个放映厅进行控制。 图2-1、Sony SRX-R320 4K SXRD屏幕长宽比 6 14 ft-L是使用图2-1所示22米宽屏幕, 使用USHIO DXL-40SRXPRO4.2 kW氙灯灯泡和图2-2所示LKRL-A001变形镜头, 以及镜头更换单元, 放映 CinemaScope 图像测试的结果。亮度等级为屏幕中央,使用100IRE白色和1.8屏幕增益,通过传输率为93%的投射窗测量的结果。 图2-2、SRX-R320变形镜头 三、SRX-R320数字放映系统优势与特性 在历史上, 影院系统取得的经验总是走在家庭娱乐系统的前面。 HDTV (1920水平像素)和技术的出现推动了家庭娱乐设施的发展, 并有可能 在未来时间里超越电影工业。同时,好莱坞的电影公司都已经承认,标准化的4K (4096水平像素)和2K (2048水平像素)格式将是下一代的数 字电影发行和放映标准。制作4K电影可保护自己节目的价值,对于影院的观众来讲也具有显著的益处。近年来, 现代化电影院中的体育馆式坐席越来越受到欢迎。观众座位距离银幕很近,可以更真切地体会视觉感受。但是,当放映系统提供的分辨率无法填充满整个屏幕时, 坐在前排 的观众可能会看到图像的像素痕迹。 SRX-R320能够提供真正的4K输 7 出,凭借它们的4K SXRD面板, 4K内部信号处理和可兼容4K的光学系统,可以对4K内容进行完全的细节还原。此外,由于SRX-R320可提供 相当于2K放映机四倍的分辨率, 高清分辨率放映机所提供的2K和高清节目也可通过它们呈现更优质的画面质量。 1、2000:1的高对比度 SRX-R320放映机采用了Sony独特的SXRD装置, 对比度超过2000:1。 SXRD成像装置本身的对比度达到了4000:1。 因此, SRX-R320所实现的高质量图像非常适合在对动态范围要求较高的领域使用。SRX-R320的高对比度显示效果是通过两项关键技术实现的: "Normally Black模式" "超细液晶单元间隙"和多种高质量镜头选择，SRX-R320有6种变焦镜头可供选择. 所有的镜头都采用了大型成像电路,可将经常产生在放映机镜头上的光学虚像降低到最小,以获得最高的MTF值 (调制传递函数)。利用这些特性, SRX-R320能够提供4K以上的分辨率, 在以4K分辨率准确地投射4K内容时,这一点非常重 要。此外,这些镜头经过特别设计, 利用Sony丰富的技术经验,将色差降至最低。 2、高亮度,高纯度的氙灯光源 使用氙灯灯泡的全亮度,在宽银幕上, SRX-R320可提供14 ft-L*的高亮度; 20米的宽银幕上, SRX-R320放映机可使用4.2kW氙灯 (使用USHIO DXL-40SRXPRO),投射全像素 (4096x2160) 的图像,使用100IRE白色和1.8屏幕增益测得的屏幕中央亮度也可达到14ft-L; 在17或14米的宽银 幕上, SRX-R320也可通过3.0kW或2.0kW氙灯提供同样的亮度 (使用 100IRE白色和1.2屏幕增益测得的屏幕中央亮度)。氙灯是所有电影放映机中的标准装备, 可提供纯净, 高质量的色调还原, 能够满足数字电影的高标准要求。专门为SRX-R320设计的氙灯 和可用的,其他厂商制造的氙灯,可解析出极为宽广的光谱, 因此可满 足数 8 字电影对宽色彩范围的需求。 3、多种接口 SRX-R320可支持多种信号格式, 包括符合DCI的12比特X’ Z’ Y’ 信号. 还可以支持10比特4:4:4 RGB以及10比特4:2:2 YPbPr信号。 两个通道的SRLV, 用于与LMT-300数字电影服务器连接(4K放映: DCP)。 一个DVI接口可以最高接收2048 x 1080, 60Hz格式信号 (用于2K投 影: ODS信号等)。 一个双链路HD-SDI/DC-SDI 输入*接口可接收以下任何一种信号: 高清放映: SMPTE 372M 双链路 HD-SDI (4:4:4), 或 SMPTE 292M HD-SDI (4:2:2) 。 2K放映: 双链路 DC-SDI (RGB 4:4:4), DC-SDI(YPbPr 4:2:2)或12 比特 X’ Z’ Y’ 信号 (4:4:4)。 4、可用氙灯 Sony建议SRX-R320使用表2-1厂商制造的氙灯。 表2-1 SRX-R320不同厂商的氙灯规格 四、SRX-R320数字电影服务器 9 图4-1、SRX-R320T服务器框图 索尼SRX-R320服务器如图4-1，采用LMT-300 Media Block，它是一款大存储量, 高可靠的数字电影服务器。 它可以无缝地集成到SRX-R320放映机的机架中, 构成一 个高保密的数字电影放映系统. LMT-300服务器能够处理包含有图像, 音频和字幕数据文件的DCI DCP(数字电影包)文件, 这些文件组成一个MXF(素材交换格式)文件。 它使用高级处理方式对图像数据进行译码和解码, 随后通过一个保密的多芯连接系统发送到放映机中。 而且,LMT-300还具有SMS(屏幕管理系统)功能,使操作者可以在一个地点, 对多个数字电影放映场所的设备进行管理. 1、大存储容量和可靠的RAID系统 LMT-300装有一个存储量高达1TB的硬盘驱动器, 它采用了用于存储数 字电影的, 可靠的RAID (独立磁盘冗余阵列) 系统. 2、音频 LMT-300可将音频DCP文件转换为AES/EBU数字音频信号, 然后通过 两个音频输出接口 (D-Sub25芯) 将它们输出到外部音频处理器中 (如 杜比音效处理器) . 音频输出1和音频输出2分别最多可支持8和16路音 频. 音频输出的时间 10 可以进行调整, 以便与图像进行完全的同步, 任何 一路音频都可以进行输出, 以便方便地进行安装. 3、DCP文件的解码和展开 LMT-300能够对使用AES (高级加密标准PSP 197) 加密的DCP进行解 码. 还可以将MXF文件中单独的图像, 音频和字幕数据文件解码并处理. 4、系统日志制作 LMT-300 可以生成系统日志, 以便记录特定的信息——如一部电影的 播放次数——这是DCI 所需要的, 用于安全内容控制的信息. 5、图像与字幕 无论JPEG2000图像数据使用的是2K还是4K编码, LMT-300都能够对 它进行实时的解码和解压缩, 以便进行播放。 Timed-Text/XML或PNG/ XML格式的字幕可以在发送到放映机之前加载到图像上。 6、重放过程中导入DCP文件 即使在电影放映过程中, 也可以将DCP文件导入到LMT-300中 7、屏幕管理系统 LMT-300标准配置有SMS(屏幕管理系统)软件, 这个软件与专为 SRXR220/LMT-200数字电影放映系统设计的LSM-100软件是一样的。凭借SMS功能, 操作者可以通过一个安装在放映机上的放映员终端触摸屏, 控制数字电影放映的多项功能。而且, 通过一台与影院网络连接 的计算机, 也可以实现功能控制. 此外, SMS还可以与其他装有选购 STM-100影院管理系统的影院系统, 以及第三方观众席自动化系统进 行无缝的集成。 LMT-300的SMS可满足DCI规范1.2版本中, 关于屏幕管理与保密性的相关规范。 11