DCI对于显示图像的要求可以参考一下表1,见记者上门体验路灯检修工作

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随着各国政府不断推进节能环保和绿色经济,省电、节能、环保的LED灯自然受到市场的追捧。2014年作为全球禁售白炽灯的关键年,主流白炽灯具也将被全面禁止成为历史,LED照明产品价格继续下滑,成品LED灯具与传统产品的价差进一步缩小,LED灯具的价格已经步入大众市场所能接受的甜蜜期。然而,LED行业由来已久的恶疾仍未彻底根治,企业想要长久发展还要勇敢直视。

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在我们身边有这样一些人:别人入夜休息,他们却奔走于大街小巷;他们无意欣赏醉人的夜景,却独具慧眼,能发现夜晚照明的种种问题。他们,就是诸城市供电公司路灯管理所的路灯故障抢修人员。在他们心中,只有一个目标,就是守护城市照明、方便市民出行。

据小编了解,目前全球LED产业正处在一个弱肉强食、诸侯纷争的战乱时代,但市场规模的不断扩大俨然成为必然趋势。我国LED照明产业也正处于照明产业的变革时期,很多传统照明企业向LED转型。行业的高景气度、门槛较低等原因也吸引众多资本和机构涌入,由于行业标准缺失、企业技术水平不一、产品质量参差不齐等问题导致市场显得十分混乱。倘若不能尽快突破行业发展瓶颈,产业就很难获得健康发展。

摘 要

工作人员正在检修路灯

数据表明,2014年,随着各国淘汰白炽灯的计划进一步实施,LED照明将实现爆发式增长,领跑中国LED应用市场,渗透提速,预计LED灯具整体渗透率有望达到20%,国内半导体照明产业预计增长率达到40%左右。

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。

划分责任田,工作职责一目了然

同时,针对LED产业国家也牵头制定并已颁布相关标准规范。例如,2014年1月1日起实施《LED照明项目节能量与温室气体减排量评价技术规范》,通过规定LED照明项目节能减排量测量及验证方法,为照明领域合同能源管理项目的推广应用提供技术依据。

一、背景和DCI标准

5月5日一早,记者来到诸城市供电公司路灯管理所,见到了该所主任安玉明。见记者上门体验路灯检修工作,他热情地介绍起来:我们这里共有21名员工,平均年龄29岁
,全都是些棒小伙,特别能干,朱宏博是检修班班长,别看他今年才36岁
,在我们路灯所的21个人里,他可是个不折不扣的老路灯了,平时工作身先士卒,干活麻利,登杆上高样样行,给他们班里的其他年轻人做出了榜样。安主任给记者介绍朱宏博时眼神里充满了褒扬。

2014年3月1日起实施《LED舞台灯具通用技术条件》、《进出口照明器具检验规程
第2部分:普通照明用LED模块》,进一步细化LED照明产品的相关标准。

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。

朱宏博,检修班班长,工作职责:安全职责:在办公室内,每张办公桌上都摆放着写有类似内容的工作牌,这是我们路灯管理所特有的挂牌服务!检修工张荣春告诉记者,就像给每个人划分了责任田,职责一目了然。记者看到,同样一目了然的还有工作流程。路灯管理所对应流程画出流程图,针对不同工作分别制定标准化作业卡,并对所辖路灯、公用变压器定期、特殊巡检制度进行修编。基础资料文件柜里,路灯检修记录、设备巡视记录、员工培训记录、安全活动记录等资料分门别类,柜门上贴有索引目录;工具柜除了公用的,每位员工都有个人工具柜,从而缩短了外出工作时查找工具的时间。

虽然国家不断制定和发布相关标准不断出台,对解决行业标准缺失和产品质量提供了标准依据,但就LED产业链涉及环节较多,部分相关标准的还有待进步不完善。

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。

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对此,CSA常务副秘书长阮军表示,为引导产业良性发展,政府需要完善并探索新的财政补贴机制,加强市场监管。以联盟标准为依据,开展了LED产品(ELI)质量认证,联合打造政府采购与消费者市场选择的信心标签。同时,CSA联盟将在发改委的支持下在LED领域推动领跑者制度,通过对LED高耗能生产环节及其终端用能产品的先进能效水平进行周期性评定,使能效领跑者进入动态的良性竞争中,以此鼓励企业创先争优,形成常态化机制,让真正具有竞争力的产品和企业引领市场的发展。

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。

三五分钟就能解决一处故障

中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院副院长赵建平也曾表示,CSA组建了六大LED应用推广小组,分别针对LED照明在不同的领域搭建相应的平台,帮助企业解决在应用推广中遇到的问题,促进LED照明在各大领域的快速发展。

表1:DCI_DCSS_v12对显示图像的要求

路灯维修工作很特殊,大部分路灯故障只有到晚上亮灯时才能被发现,所以,每当晚上别人休息时,路灯管理所的师傅却正处于一天中最忙的时段。由于路灯数量多,区域跨度大,他们经常是在东外环处理完这起故障,又急忙赶往206国道处理另一起故障,赶上忙的时候,一晚上要跑几十公里。

对于LED企业来说,看到政府和联盟都在为突破行业瓶颈问题做努力。然而,企业还要在政府和联盟提供的帮助上寻求自我突破。

▲ 图1:DCI白平衡点和色域要求

晚上8点30分,工程车行驶到樱花街路口停了下来,这里有一盏路灯正忽亮忽灭。这是由于路灯长时间运行,衔接的地方出现老化、松动,线路接触不良造成的。说话间朱宏博指挥两名工作人员为这盏灯做了个手术。重新接好线路的路灯顿时精神起来。10多年的工作经验,使朱宏博能够迅速判断出每一处故障的原因,并且在3~5分钟内解决
,在保障亮灯的同时不影响交通。

现在照明产业链中各环节的行业集中度很低,现在已经出现明显的抱团取暖,谋求规模效益以及希望建立行业规则的趋势,但多是单一环节的自娱自乐。LED产业从个性化走向标准化,产业化的趋势相当明显,差异化和多元化正是下一步螺旋上升的结果。北京清华城市规划设计研究院光环境研究所所长荣浩磊如是说。

二、LED的封装选择

说起美丽路灯工人师傅就自豪

业内人士指出,随着LED终端应用市场需求规模起量,LED照明产品的市场渗透率不断提高,行业的竞争形势不断加剧。面对行业存在的共性问题,国家及行业联盟都在加紧标准制定和监管。就目前而言,企业要在当下获得长足发展,就要摒弃对产业现状的各种抱怨,充分借助行业服务平台,通过自我加码和企业间的战略合作,不断提高企业研发水平,让产品质量尽量向更高的标准看齐,以此来推进产业的良性竞争,企业才能获得长足进步和发展。

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。

据介绍,路灯管理所21名员工负责诸城市区及经济开发区12808盏近4万火路灯,118台路灯变压器的维修、管理任务,而十多年前诸城全市路灯才1000多盏。刚开始,一上高空手脚就不听使唤,更别提维修。回忆起第一次上工作台的情景,朱宏博依旧心有余悸,现在,一年四季都这样干,早已轻车熟路,如果故障不大,一般三四个小时就能结束工作,若是维修任务重时,我们在平台上一站就是半天。朱宏博说,冬天冷风吹在脸上特别难受;夏天气温高,一靠近路灯便烤得慌,除了要经受蚊虫的叮咬,还要经常钻到树里养护路灯,因为工作需要,无论天气多热他们都穿着长衣长裤进行作业。

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。

看看现在咱潍河边的路灯,多漂亮!很多来过诸城的人都说夜景特别美。朱宏博的话充满自豪感。一谈起现在诸城路灯的别样美,路灯管理所的师傅们就热情高涨:美!太漂亮了!数不清他们重复了多少遍这句话,句句发自肺腑,饱含幸福。因为,这离不开他们的辛勤付出,离不开他们对路灯特殊的爱。也许,只有他们自己才知道,看到诸城漂亮的路灯时他们心里到底有多自豪。正因为他们披星戴月,任劳任怨,所以在工作中先后荣获全国用户满意服务明星班组、青年安全生产示范岗、潍坊市工人先锋号等荣誉称号。

三、LED的亮度要求

新换路灯既节能又环保

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。

安玉明告诉记者,诸城市供电公司结合当前正在开展的彩虹蓝天行动,投资260万元建成路灯自动监控和节能工程,该系统能够自动发送并存储每天开、关灯的时间指令,实现3分钟内所有路灯自动开、关。针对城区外环路等偏远街道后半夜行人车辆稀少的实际情况,率先开发使用三段式路灯控制方式:天黑以后,路灯全亮,22:30后半夜灯停亮。24:00后,整夜灯道路一侧亮,另一侧停运。仅1~4月份,就节约电量60万千瓦时。

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。

诸城新装路灯全部采用耗电量只有白炽灯六分之一的LED光源,对城区光照度低、寿命短、耗能高的高压汞灯、白炽灯,全部更换为高效、节能、环保的照明产品。此外,还在潍河沿岸等路段安装了太阳能路灯782盏,每年可节约近
70万千瓦时,节约管理运行费用约12万元,新能源路灯的使用,成为诸城路灯节能的一道亮丽风景。

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。

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