高光效3D放映系统的基本原理及应用

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  来源: 音声技术研究所  作者: 成都摩雷汽车音响

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阿平
发表于2014-5-420:33:23
高光效3D放映系统的基本原理及应用
2014-03-28电科网
【摘要】新型的数字3D影院的需求是可以根据各类影片的发行情况，及时地、灵活地调整放映形式，放映3D电影的同时完全兼容2D电影的放映。高光效数字3D放映设备可以实现2D、3D放映的完美兼容，直接提高3D电影的放映亮度的同时兼顾2D电影放映的需求。本文简要介绍了目前主流3D放映系统的技术原理以及高光效3D放映系统的原理、优势和应用前景。
【关键词】3D放映高光效
引言
早在1922年，就诞生了世界上第一部立体电影《爱情的力量》。中国最早从20世纪60年代也开始探索立体电影的制作。早期的立体电影都是使用胶片拍摄和放映，它的制作工艺复杂，技术要求高，导致影片的制作费用高，制作週期长。在影院放映环节，胶片立体电影需要专用放映设备，不能兼容普通电影的放映，由于胶片放映本身固有的一些缺陷，使胶片立体电影的观看舒适度受到影响。所以在胶片电影的百年历史中，尽管电影技术工作者不断改进和提高立体电影的制作质量和放映水平，立体电影始终不能立足于常规影院。直到2005年的动画片《小鸡快跑》拉开了数字3D立体电影的序幕，2009年的科幻大片《阿凡达》在世界范围内将3D电影推向了高潮，3D立体电影不仅以爆发的势态成为大家耳熟能详的名词，在电影市场上表现也十分强势和突出，各大影院的建设规模、速度都超乎以往，纷纷投入3D放映设备，各种立体电影的新技术形式也以前所未有的速度不断地革新与飞跃。
根据中影数字数据，截至2013年底，我国共有数字银幕18195块，较去年增加了2280块，平均每天增加13。9块。基本实现了商业银幕放映全数字化。回顾2008年国内放映第一部数字3D电影时，国内3D银幕数只有82块，而目前，我国3D银幕数达到了近1。4万块，佔数字银幕数的90%以上，立体影院建设发展势头十分迅勐。但根据对影院的测试和观众的反馈，我们发现银幕数的快速增长的，在一定程度上满足了日益增多的3D立体电影的放映需求，推动了电影票房的大幅提升外，也有不少影院存在立体电影放映质量差的问题，主要体现在立体电影放映亮度偏低、影像对比度不够高，从而影响立体效果等现象。
分析影院出现放映亮度偏低的原因，固然存在部分影院设备配置偏低，氙灯功率使用不够等因素外，3D电影放映辅助设备的光效偏低，从而很难兼顾2D电影和3D电影放映也是一个比较现实的问题。
为了规范国内3D电影的放映质量，经过两年多的技术论证和探讨，我国在2013年12月率先出台有关数字3D电影的放映标准《数字影院立体放映暂行技术要求及测量方法》，标准中分别针对数字3D电影放映辅助设备和3D影院推出了技术检测内容和指标要求​​。其中影院3D电影放映亮度为16+6-3cd/m2，按照目前国内多数3D影院的现状，要达到标准的亮度要求，同时还要兼顾2D电影的放映，还有一定的技术难度，而高光效3D放映系统的出现为解决这个问题提供了有效的途径。
1.影院立体放映系统介绍
立体电影放映系统是将立体拍摄的左右眼画面分别放映到银幕上，再利用辅助的技术设备分别将相应的画面送到观众的左、右眼，最终帮助观众在大脑中復现立体影像。
早期的立体电影普遍採用的是线偏振技术或红蓝滤色眼镜技术。后来在这两种技术原理的基础上又研发出了新型的立体技术。目前数字3D影院广泛应用的立体放映技术从形式或原理主要分以下几种形式。
1.1主动式液晶开关眼镜系统（单机+液晶开关眼镜）
液晶开关眼镜技术（也称为主动式3D技术）是根据液晶的特性通过液晶眼镜的同步开闭功能，快速交替播放左右眼画面方法，分别放映左右眼画面，来实现立体影像。
本系统的代表产品有国外的Xpand3D系统，国内也有许多厂家此类产品。这类产品的3D光效属于B类。
1.2电子偏振屏系统（单机+圆偏振眼镜）
电子偏振屏系统是通过在放映机镜头前加装偏振转换屏的方式放映3D电影。这种设备由于3D眼镜比较便宜，现在逐渐受到影院的关注，其市场拥有量逐渐增加。目前生产这种设备的厂家也特别多，价格竞争也特别激烈。但是据我的检测经验，市场上此类产品有许多种存在串扰度偏大的问题，这其中也包括某些进口产品。这类产品的3D光效属于B类。
1.3分色滤光3D放映系统（单机+滤光眼镜）
分色滤光3D系统主要是指杜比（Dolby）3D放映系统。
Dolby3D是利用光谱略微不同的色光来区分左右眼画面的一种3D技术，配合带有特别滤光涂层的3D眼镜，可以达到区分左右眼画面的目的。这种原理跟最古老的红蓝眼镜技术原理是相同的，但是它是应用了先进的多层镀膜技术来实现的。这种放映方式是在放映机光路内加入一个旋转速度与放映机帧速同步的色轮，色轮上可通过6种颜色，分别对应红1绿1蓝1和红2绿2蓝2，两路色光都包含红、绿、蓝三种色光，但光谱互有不同。这样通过特殊的滤光便可区分左右眼画面，实现了观看彩色3D立体电影的效果。这类产品的3D光效属于C类。分色滤光技术也可以应用在双机3D立体系统。
1.4偏振转盘式3D系统
这类产品的3D系统安装在放映机的镜头前，它不需要对放映机做改动，但现有设备要求放映镜头前有大约25cm宽的空地用于放置一体化的控制箱。装置体积较大、较重，运行时有一定的噪音。该设备在使用中要注意定期对旋转偏振片进行清洁处理。这类产品的3D光效属于B类。
1.54K单机双镜头3D放映系统（单机+圆偏振眼镜）
主要是Sony4K放映机使用的一种技术，也是应用的圆偏振技术。这种放映机有两个镜头，它利用4K的图像芯片同时显示左、右两幅2K规格的3D画面，同时投射左、右眼画面，所以称为无时差放映机。由于无时差，所以画面闪烁感会被彻底消除，这种放映机的一般亮度较高，跟双机放映没有本质区别。但是这种放映机不能兼容2D电影的放映。
1.6双机立体放映技术（双机+偏振眼镜）
1）IMAX3D和中国巨幕3D双机放映系统（线偏振技术）
IMAX3D和中国巨幕3D双机放映系统都需要使用两台放映机分别放映左右眼画面，通过偏振滤镜，使左右眼画面的光线成为方向相反的线偏振光，再通过金属屏幕的反射，进入观众佩戴的偏振眼镜，最终形成立体影像。对应的立体眼镜轻薄，佩戴舒适。画面立体感极强，且十分稳定。左右眼之间几乎没有串扰，不会出现3D画面重影，色彩鲜艳真实，优越于普通单机放映的立体效果。
2）普通双机3D放映系统（圆偏振技术）
圆偏振技术是基于线偏振基础上发展而来。这种偏振眼镜由一个左旋偏振镜片和一个右旋偏振镜片组成，这样通过左、右旋偏振光带来的不同画面，左右眼分别看到相应的画面，从而产生立体感。基于圆偏振技术的普通双机3D是最接近巨幕3D体验的一种方式，同时又大幅度降低了的成本，经济实惠。由于银幕尺寸、亮度以及影厅的结构佈局等因素，立体效果稍逊一筹，因为普通双机3D放映系统并不像巨幕系统一样对放映厅的各个方面都有一套严格的标准加以限制。
2.何谓高光效3D放映设备
在新出台的3D标准《数字影院立体放映暂行技术要求及测量方法》中，将3D设备的光效分为A、B、C三类，其中A类光效不小于20%，B类光效不小于15%，C类光效不小于9%。所谓的高光效的含义，我们一般认为是3D放映光效达到20%以上，也就是A类设备，它相对于目前普遍使用的光效在16%左右的B类设备来讲，光效高出50%以上，这是一个技术飞跃，这项技术的应用必将全面提高影院放映质量。
高光效3D放映设备（也可以称为二代3D设备）。目前影院普遍使用的主动式或被动式的3D电影放映设备的3D光效为16%左右，这种光效很难同时满足2D和3D的放映需求。
2.1单机高光效3D系统的构成
高光效3D系统是一种新型的被动式3D放映辅助系统，它是在电子偏振屏的基础上，通过一套比较复杂光学系统，将原系统损失的偏振光进行再利用，从而提高3D放映光效。
http://www.crifst.com/p/2014-03/28/201403280456197.jpg >
图1单机高光效3D系统光路结构图
如图1所示，它依然是使用电子偏振屏来切换产生左旋偏振光和右旋偏振光。在这里偏振分离镜、电子偏振转换器和画面补偿镜等用来产生主路光。与原系统的变化是增加了偏振分离镜、偏振光偏转片、第2电子偏振转换器、反光镜等组成的副光路。使得放映到银幕上的主、副光影像重合。由于辅助光光路延长,画面补偿镜补偿辅助光路带来的画面变化,使最终投射到银幕上的主、辅画面保持大小​​一致、画面重合。从而大大提高了光利用率。有效回收了原来损失的光效。从而大大提高了立体影像的亮度。上面介绍的是高光效3D系统的基本原理，实际上各个国内外厂家在具体产品设计中都採用了自己的特有技术和结构，所以在设备的使用和指标数据还是有所区别。
同样的原理，这种结构理念也可以应用到双机3D电影放映中。
3.高光效3D放映设备的优势
3.1高光效数字3D设备可以完美兼容2D和3D影片放映
常用的数字电影放映机都是使用氙灯光源，放映机氙灯功率的调节范围一般在60%到95%之间，如果按照传统3D放映设备的16%光效来使用，影院很难做到2D、3D设备的兼容。而利用光回收再利用的技术，使光效达到25%左右，2D、3D兼容的问题就可以迎刃而解了。
按照2D放映亮度一般为48cd/m2，3D放映亮度一般为15cd/m2，数字放映机的氙灯功率的调节范围一般在60%到90%之间，分析下面3种情况：
情况1：在相同的放映环境和设备情况下，如果按照2D放映时氙灯功率为60%，亮度为48cd/m2。放映3D时调节在90%，亮度为72cd/m2，以现有设备光效在16%计算，3D亮度为。这种情况下，11.5cd/m2对于3D放映亮度来说，亮度偏低。
情况2：在相同的放映环境和设备情况下，如果按照3D放映时氙灯功率为90%，亮度为15坎德，以现有设备光效在16%计算，放映2D时氙灯功率调节在60%，2D亮度为。这种情况下，62.5cd/m2对于2D放映亮度来说，亮度偏高。
情况3：在相同的放映环境和设备情况下，如果以高光效3D放映设备（光效在25%）计算，按照2D放映时氙灯功率为70%，亮度为48cd/m2，放映3D时氙灯功率调节在87%，3D亮度约为15cd/m2。这种情况下，放映亮度无论是对于2D的48cd/m2，还是对于3D放映的15cd/m2都是非常合适的。
通过上面三种情况的计算，我们可以看到在使用高光效3D放映设备的情况下，也就是如情况3的条件下，问题得到了解决。可以做到2D、3D比较好的兼容。
在前两种情况下，在使用同功率的氙灯，在同一台放映机上很难保证2D与3D放映都达到比较理想的水平，解决这种问题的办法一般是更换不同功率的氙灯，但是这种方式是一般影院自己做不到的。这也是国内影院3D电影目前普遍亮度不够的原因之一。
3.2高光效设备可以降低影院运营成本
将3D电影放映系统的光效由16%提高到25%，可直接、有效地将3D影院的亮度提高三分之一以上。这也对节约用电成本起到很大的作用，比如原来使用4500瓦氙灯能满足3D放映要求，现在用3000瓦氙灯就可以达到同样的效果，节电效果非常可观。
3.3应用高光效设备可以使影院设备的选择性更加自如
有了高光效3D放映设备的亮度保障，影院可以选择亮度系数较低，有效散射角比较大的金属银幕。这样可以提高影院银幕的亮度均匀度，改善金属幕中间亮，两边暗的"太阳"现象，从而达到更好的立体放映效果。我们也建议银幕生产厂家根据这项新技术的特点，研发宽散射角的金属银幕，这样能整体提高影院3D电影的放映质量。
在设备选型上，影院也不必为了3D放映而选择更高亮度的数字放映机，他们完全可以按照2D的技术要求选择数字放映机。
另外，还需要注意高光效系统在安装方面的要求。如果在电子偏振屏的基础上改装高光效设备，需要将放映窗口改造，将放映窗口的宽度增加到16倍，高度增加到2.5倍，并要注意新开窗口处于原窗口的上方。
4.高光效技术的发展与未来
4.1国内技术力量的崛起
数字3D高光效放映技术最早体现在RealD公司于2008年初的XL系统上。该系统大大提高了数字立体电影的放映亮度，从而使数字3D电影放映银幕最大可达18米以上。RealD公司的技术在国际市场上一直处于领先地位，可喜的是2013年的BIRTV展会上，有几家国内设备厂商也展出了拥有自主专利的高光效3D放映设备，这对发展中的中国立体影院建设无疑是一个利好消息。
我们也欣喜地看到，国内有些厂家的设计思路比较新颖，使用不同于国外设备的材料，使部分指标优于国外产品。国内厂家在开发、研制、生产高光效3D放映设备时要加强知识产权意识，避免专利纠纷，及时申报和保护自己的研究成果，严禁抄袭、仿制其它厂家的产品。
在知识产权的问题上，我们反对侵权行为，但是我们也看到，有些国外厂家收取高额租金或票房分成，使国内影院负担加重。这是否涉及到行业垄断的问题，还有待法律专业人士进一歩分析。
4.2高光效数字3D放映设备将有力的配合3D影院技术标准文件的出台
我国有关数字3D电影的放映标准《数字影院立体放映暂行技术要求及测量方法》在2013年12月出台，有关检测机构将对全国的数字3D放映设备进行全面检查和认证，对不合格的3D放映设备要进行市场淘汰；对数字3D影院进行普查，对不合格的影院要进行整改。在这种形势下，高光效数字3D放映设备的出现，为影院达标提供有力的技术保障。
5.结束语
立体电影歷经兴衰，正以前所未有的震撼视听效果娱乐着大众的感官，林林总总的立体电影技术也从单一的国外品牌的垄断到国内、外同台竞争的时代。相信随之而来的技术革新也越来越令人目不暇接；相信立体电影的未来在技术上仍有很大的提升和突破的空间；相信未来的立体电影更精彩。
作者：中国电影科学技术研究所高五峰