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    投影儀的亮度與分辨率到底有何貓膩?一文看懂投影的成像和光源

    作者:Geek研究僧時間:2022-10-25來源:優質數碼領域創作者收藏

    作為一名略懂投影的博主,經常會收到私信,詢問購買的相關事宜。我發現相比于手機、電腦這些參數指標耳熟能詳,人云亦云的快銷產品。的各項技術原理、性能指標大家都還不甚了了,能知道一個分辨率和亮度都已經算是入門了,要是能分清楚 和 LCD 技術絕對算是“資深玩家”了。今天我們就先來聊聊投影的成像技術及光源。

    本文引用地址:http://www.leagueofendgamers.com/article/202210/439575.htm

    一、該怎么選?我們先來聊聊成像技術及光源

    (一)投影儀的成像技術:單片LCD、3LCD、

    相信跟我一樣的 90 后童鞋都看到過學校里面的「白晝幻燈機」吧,彼時老師將自己做的透明幻燈片放在強光源下,利用頂部的鏡子再將畫面折射到黑板上,成為那個時候為數不多的“黑科技”,通過這種方式的每日一練,讓我刷了不少的數學題,在數學科目上一騎絕塵。


    投影儀的成像原理也是類似的,就是通過強光源照射在圖像的顯示原件上面,透過鏡頭投射到幕布上,主要利用的是光的折射和散射。當代的數字投影就把老師的幻燈片換成了顯像的 DMD 芯片 or LCD 液晶面板。

    目前主流的成像技術有三大類:單LCD、3LCD、單 ,我們常見的 LED 微投往往采用了單 DLP 技術,而且傳統燈泡投影機則多見于 3LCD 技術,而單 LCD 往往就是那些定價低廉,聚集在千元以內的入門級產品。

    【單 LCD 技術】

    單片 LCD 面板技術,其成像原理是利用光源投射到單片 LCD 液晶上,通過液晶獨立控制每個像素中的紅綠藍各個部分的明暗,經過合成得到彩色的圖像。

    【3LCD 技術】

    3LCD是 3 liquid crystal display 的簡稱,即投影機核心成像部分包含分光鏡和三片獨立的 LCD 面板。分光鏡把光源發出的白色光拆分成紅、綠、藍三原色,在借由三塊液晶面板分別顯示一種顏色。每一片液晶面板上均擁有百萬個晶體,通過配置開閉以及半開半閉的晶體狀態來透過光線,讓像素點顯色。最后通過棱鏡組合紅綠藍三原色就能夠籍此呈現特定畫面。

    【DLP 技術】

    DLP 則是Digital Light Processing(數字光線處理)的縮寫,早期的 DLP 的成像原理是白色光源透過紅、綠、藍色輪輪流打到 DMD 芯片上。由于色輪是旋轉顯色的,因此每種顏色的呈現需要一定的時間,轉速夠快就足以利用人眼的視覺殘留現象呈現彩色畫面。


    因為單 DLP 技術存在的問題,所以又衍生出了 3DLP 的方案,用上了三塊 DMD 芯片,結構更加復雜,成本也是數量級的增長,售價在幾十萬到上百萬不等,這就不是我們所要覆蓋的消費級產品了。而另一種改良的技術路線就是從光源著手,將白色光源改為三色 LED 光源,不再需要色輪的介入,直接規避了色輪所帶來的問題。

    【總結一下】

    • 「LCD 技術」:優點是成本低,光機小,由于原理簡單加上 LCD 屏幕廉價可得,很多人自己都能 DIY。劣勢就是成像質量比較差,色彩不夠鮮艷,開燈觀影效果差,常見于數百到千元級的入門投影,目前極不推薦考慮。

    • 「3LCD 技術」:優勢是以在同一時間顯示紅、綠、藍三種顏色,即色彩亮度=白色亮度,也能實現100%色占比,色彩亮度更高。缺點是模組構成較為復雜,產品體積較大較重,對散熱設計和成本要求更高,開放式設計有進灰風險,常見于燈泡投影機。

    • 「單 DLP 技術」:優勢在于畫面對比度更高,像素排列緊密,同時機身尺寸可以做到更小,成本更低,且使用壽命更長。常見于 LED 微投和激光投影。缺點就是同一時間僅能顯示一種顏色的,會存在一定的光能損失,拍照錄像會發現有彩虹紋和頻閃問題,但人眼普遍發現不了。目前已經擁有 3DLP 技術可以規避此類缺點,但價格仍然較高,需要逐步推廣。此外在以極米為代表的三色 LED 投影身上,取消了色輪組件,所以也規避了以上缺點。


    IDC 中國發布的《2022年第二季度中國投影機市場跟蹤報告》顯示:目前頭部的 5 家投影機品牌有 4 家 DLP 技術 + 1 家 3LCD,這也從側面說明 LCD 技術的低端品牌十分分散,而 DLP 和 3LCD 技術的品牌更加聚焦。

    (二) 投影儀的光源:傳統光源、LED、激光光源

    投影的畫面亮度的色彩,不僅由成像技術決定,也會被光源所影響。

    市面上在售的投影儀光源,可以分為傳統光源、LED 光源和激光光源,三者各有優勢,也存在缺憾。


    【傳統光源】

    傳統光源是最為常見的一種投影儀光源,伴隨著燈泡百年發展歷史,目前技術已經非常成熟。比如大家經常在教室里、會議室里看到的燈泡投影儀廣泛采用這項技術。目前傳統光源主要可以分為金屬鹵素燈、UHP 和UHE(超高壓汞燈泡)、氙氣燈等高壓氣體放電光源。


    • 「金屬鹵素燈」:金屬鹵素燈屬于最低端的傳統燈源技術,雖然燈泡成本較低,但使用壽命往往只有 1000-2000 小時不等。同時長期使用亮度會出現衰減,會使圖像變暗變黃,如果頻繁更換燈泡,使用成本也會攀升,目前已經告別主流光源。

    • 「UHE 燈和 UHP 燈」:UHE 燈和 UHP 燈同屬于超高壓汞燈,它們都具有亮度高、衰減低,性能穩定的特性。不過 UHE 的成本較低,壽命適中(5000 小時),多用于中低檔投影儀。而 UHP 的亮度更高,壽命持久(6000-12000 小時),但成本也相應增加,主要面向高檔投影儀。

    • 「氙氣燈」:氙氣燈是經過高壓震幅激發石英管內的氙氣電子游離,在兩電極之間產生光源,產生的光芒類似于白色太陽光,光線色溫值提高了很多。它工作時僅需3.5A電流量,亮度是傳統燈泡的三倍,使用壽命更是長了十倍。因為定價高昂,往往只會用于高端影院。

    【LED光源】

    目前市面上家用投影所采用的 LED 光源與我們生活中常見的 LED 照明燈泡有很大區別,投影使用的是定制的高功率 LED 光源,而且通常是由紅綠藍三種不同顏色的 LED 光源共同構成投影光源,成本較常見的 LED 照明燈泡高出幾十倍都不止,主要供應商有歐司朗,OSRAM OSTAR Projection Power 系列就是專門用于投影當中使用的。


    由于 LED 光源的家用投影采用的是原生的紅綠藍三色 LED 進行的混色,所以理論上是可以輕松覆蓋 sRGB 色域。目前市面上采用 LED 光源的主流家用投影,可以達到 90-98%的sRGB色域覆蓋,這是同價位單色激光投影都所不能及的色域表現。


    而且,早期受限于 LED 光源的技術限制,被廣為詬病的 LED 光源投影亮度低的問題,隨著近些年技術發展和大功率的 LED 光電半導體普及,如今 LED 光源的家用投影亮度已經突破了3000ANSI 流明,可以和傳統燈泡投影機掰手腕了。

    【激光光源】

    如果說 LED 光源是投影儀的當下,那么三色激光光源就是未來了,因為三色激光光源最大的優勢在于亮度和色彩,高品質的三色激光光源亮度會遠超目前 LED 光源和傳統光源。


    同時,激光光源可以根據需要直接挑選所需特定波段的紅、綠、藍三色激光發生器,全色激光光源可以達到 100% BT.2020 色域覆蓋,這已經超過了 OLED 電視和 QLED 電視色域所能覆蓋的極限,所以在潛力方面十分巨大。但是需要注意的是,以上都僅僅是理論,事實上現在的激光光源應用仍然存在很多未能解決的問題。


    市面上的激光光源產品主要有三類:單色激光、雙色激光、全色激光(三色激光)。

    • 「單色激光(藍)」:利用單一藍色激光激發熒光色輪/濾光片上的黃色和綠色熒光粉,然后通過棱鏡分出紅、綠、藍三色光,最終組合形成其他顏色,然后透過濾光片對顏色進行提純。因為單色激光本身不具備紅光、綠光,僅僅只有藍光,導致單色激光投影無法做到色彩和亮度兩全。如果要想發揮出激光的亮度優勢,就必須去犧牲三原色的色純度。如果追求單色激光的色純度,又會降低激光的亮度和色域覆蓋。


    • 「雙色激光(藍+紅)」:在藍色熒光粉色輪光源中注入紅色激光,亮度有明顯效果,還可以顯著改善單色激光紅色不足的問題。


    • 「全色激光(藍+紅+綠)」:全色激光采用RGB三基色全色光源,分別照射到DMD芯片上,最終利用視覺暫留現象合光形成需要的顏色。全色激光結構更加復雜,價格高昂,普遍只有數萬元乃至幾十萬元的超旗艦級投影儀才會選用三色激光燈源。


    它的超高亮度和色彩表現,能夠應用于電影院、工程等專業領域,比如在激光 IMAX、杜比視界激光影院中都能給觀眾帶來出色的體驗。


    除了成本較高外,全色激光還有兩方面短板:一方面,由于激光的相干性,會存在散斑問題,也就是畫面上會有重影出現,影院通常都會采用主動震動銀幕來消除激光的散斑,家用環境難以解決。


    另一方面,受限于成本問題,消費級全色激光投影通常會選用成較低的低功率光光源,所以亮度優勢并不明顯,僅僅是發揮出了三色激光的色域覆蓋優勢。

    【總結一下】

    • 「傳統光源」:優點是技術相對成熟,同時適用面廣,亮度出色,往往能達到 3000 流明以上,色彩還原度較高。但同時也存在著功耗噪音大、發熱量高、燈泡壽命短、光衰快,維護成本較高的問題。

    • 「全色 LED 光源」:優點是色域覆蓋較高,光色好,色彩還原度較高,同時功耗發熱低,可靠性強,使用壽命長。缺點是成本較高,同時亮度表現參差不齊,中高端 LED 投影能夠逼近2000-3000 ANSI 流明,低端 LED 投影甚至能跌破百。

    • 「單色激光光源」:單色激光雖然成本稍低,但為了保證一定程度的亮度優勢,就不得不犧牲色彩,導致色域偏低,顯示畫面偏色,反而不如三色 LED 光源投影的畫質。

    • 「雙色激光光源」:雙色激光增加了紅色激光,帶來了更好的亮度優勢以及畫面效果,缺點是成本高于全色 LED 和傳統光源。

    • 「全色激光光源」:全色激光光源算是目前市面上最為成熟的家用投影解決方案,但是奈何成本太貴。而且現階段的消費級三色激光電視存在散斑問題,畫面中線條會有重影等問題,仍然不是家用最佳的選擇,不過未來可期。


    【從光源的綜合能力來看】

    三色激光 > 雙色激光 ≥ 全色 LED投影 ≈ 傳統光源 > 單色激光。對于普通消費者而言還需要考慮到成本和后期維護問題,所以在品類匹配方面,建議:

    • 「家用智能投影」:單 DLP 技術 + 全色LED光源

    • 「商用教育投影」:3LCD 技術 + 傳統光源

    • 「高端投影玩家」:雙色激光

    • 「頂級投影玩家」:全色激光


    二、投影儀標稱的亮度與分辨率到底藏了多少奧秘?

    第二個部分相比前面內容要更容易理解一些,畢竟投影儀的亮度、分辨率相信大家都經常聽到,但其實內部有著非常多的奧秘,這里來教你像個內行人一樣看門道。

    (一)亮度 & 色彩亮度

    【亮度】:ANSI、ISO、CCB

    亮度一直是衡量投影儀性能最重要指標之一,亮度低的投影往往只能在全黑環境使用,而亮度高的機器可以允許環境光的存在,甚至可以在白天使用。目前在投影行業中,亮度虛標問題比較突出。而且不乏喜歡用光源的流明來宣傳的奸商,流明是物理學上的光通量單位,同投影儀的亮度不能混淆。


    「ANSI 標準」:目前市面上最普及的便是由美國國家標準化協會規定的ANSI 流明標準,因其測試過程相對簡單,普及度更高。:

    “ANSI流明的測定環境要求投影機和幕之間的距離為2.4米,幕的尺寸為60英寸,照度計測量屏幕上九個點的照度,并算出平均值。將平均值乘上投影畫面的面積就得出ANSI流明?!?/p>

    ANSI流明標準本意是幫助消費者選擇產品的重要依據,卻因為缺少家用場景下的限定條件,被部分廠商利用漏洞,變成了博取用戶信任的工具?!拔炼日摗钡臄抵祪染碓斐闪藰朔Q與實際的巨大差距。比如某些投影標注的是 ANSI 亮度,但確是在激發了高亮模式下所測得的,該模式下畫面會出現明顯的偏色,無法正常觀影使用,更像是手機廠商里面的“跑分模式”,實際觀影中并達不到該ANSI亮度。


    「ISO 流明標準」:ISO 流明標準,屬于后起之秀,在九點測試法的基礎上,加入了對投影機的亮度、燈泡功率、噪音等環境要素的限定,同時對量產機型也有要求,因此 ISO 流明標準可靠性更高一些。因為測量限定條件嚴格,主要還是被 3LCD 燈泡投影機采用。


    「CCB 流明標準」:極米這樣頭部投影品牌也認知到了 ANSI 標準存在的問題和漏洞,逐步推出自己的亮度標準——電影色彩亮度標準(Cinema Color Bright,量化單位 CCB 流明)。CCB 流明將測試點位從傳統的白場 9 個點位提升到了紅綠藍三色的13個點,特別增加了4個角的測試點:ANSI 亮度和 ISO 亮度的9點測試所避開的畫面四角。避免因為有畫面暗角,卻無法體現在畫面亮度上的問題,CCB 流明可以真實反應畫面整體亮度。


    【色彩亮度】

    當下,相信大部分消費者已經認識到投影亮度的重要性了,但因為 ANSI 標準存在一定的局限,讓容易被部分廠商利用測試漏洞,僅追求白場亮度而忽視色彩。所以投影廠商意識到還需給消費者普及「色彩亮度」的概念。


    「白場亮度」:關注的是投影的峰值亮度,指標只關注畫面是否夠亮,忽略了不同顏色的占比。在ANSI標準下,亮度測試時僅要求測試白場下的亮度,導致的結果是可能白色畫面下亮度數值很高,但顯示豐富色彩的畫面時,亮度就會斷崖下降。


    「色彩亮度」:色彩亮度(Color Light Output,簡稱 CLO),關注的是紅綠藍三色的光輸出的占比,它關系到畫面色彩明度和通透程度的高低,差距如上圖所示。測試方法為:在 3 個由紅綠藍三原色色塊組成的彩色畫面上,分別測量 9 個區域(標準點位)的照度值,將照度平均值乘以投影面積得出當前畫面的照度,然后將三個畫面的照度取平均值,即得出色彩亮度。


    目前色彩亮度檢測已納入由中華人民共和國工業和信息化部發布,由中國電子技術標準化研究所編制、發行的《電子投影機測量方法(SJ/T 11346-2015)》,成為評測投影機性能的重要指標,未來將會有越來越多的投影儀會加入。


    極米的 CCB 亮度標準也兼顧到了色彩亮度,不過測試方法有所不同,極米采用的是對紅、綠、藍分別測試 13 個點位照度進行測試,將照度平均值乘以投影面積得出當前畫面的照度,然后將三個畫面的照度取平均值,即得出電影色彩亮度 CCB 標準。


    在 CCB 標準下,只有當色占比(色占比=色彩亮度/白場亮度)達到 100% 時,才是符合該標準的投影產品。


    除了色彩亮度外,極米 CCB 電影色彩亮度標準還加入了對 D65 色溫和 Rec.709 色坐標要求。因為有的廠家也會靠犧牲色準和色溫來提高亮度測試結果。


    【總結一下】:

    • 「ANSI 亮度標準」:普及率最高,但漏洞最多,目前逐步被取代。

    • 「ISO 亮度標準」:更加苛刻的國際通用標準,更適合于傳統燈泡電影機。

    • 「CCB 電影色彩亮度標準」:極米推出的家用投影亮度新標,關注色彩亮度而非白場亮度,強調 100% 色占比、D65 色溫以及 Rec.709 色坐標規范。

    (二)LCD 液晶面板與 DMD芯片

    前面我們聊完亮度參數,接下來看看硬件部分。投影儀當中最重要的硬件是光機,而光機當中最核心的部件是投影芯片,3LCD 投影的成像靠 LCD 液晶面板,通過控制像素的透光率來實現明暗調節,所以液晶面板的像素點數量就是該投影的物理分辨率。


    而DLP 投影用于成像的便是 DMD 芯片,DMD 芯片表面分布著密密麻麻的上百萬個微型鋁制反射鏡面,每個微鏡代表一個像素點,微鏡的數量就是投影儀的物理分辨率。


    每個微鏡都能偏轉一定的角度,以此控制光線的反射方向,偏轉角度越大,圖像的對比度越高,偏轉速度越快,圖像的延遲越低。DMD 芯片的尺寸和微反射鏡的數量決定了畫面的清晰度和色彩效果。


    理論上講 DMD 尺寸越大,投影的畫質往往會越好,但是這里面也存在一個非常大的誤區。事實上同樣尺寸的 DMD,種類型號繁多,單憑 DMD 芯片的尺寸并不能完全評判出一個投影的好壞。

    下圖盤點了市面上主流投影所采用的各種尺寸 DMD 芯片中存在的 DMD 芯片型號??梢园l現單一個 0.65 吋 DMD 芯片,就有 800P 和 1080P 之分,所以說 0.65DMD 芯片雖然大,但是如果采用的是 DLP650LE 芯片,其清晰度還比不上一顆 0.47 吋 DMD芯片,甚至是一顆 0.33 吋 DMD 芯片的投影。


    所以在選購投影時,我們不能完全以 DMD 芯片的尺寸來判斷分辨率,而是要去探究這臺投影到底采用的是什么型號的 DMD 芯片,再來做出判斷。以下是一張 2021 年 DMD 芯片的性能天梯圖,大家可以根據這張圖來判斷,一臺投影所采用的 DMD 芯片性能表現以及最終它可能的畫質表現(【注】:因為 DMD 芯片只是決定了一臺投影畫質的基礎,而最終畫質的還好,是取決于光機的設計,以及最終光機量產時的品控表現)。


    一般來說,DLP 投影儀的芯片主要有以下幾類,分別對應了從低到高的投影配置,所以大家在選購時一定要擦亮眼睛。

    • 「入門」:0.23 吋的 DMD 芯片(微鏡數量:960×540)

    • 「中端」:0.33 吋的DMD 芯片(微鏡數量:1280×720)

    • 「高端」:0.47 吋的DMD 芯片(微鏡數量:1920×1080)

    • 「旗艦」:0.65 / 0.66 吋的DMD 芯片(微鏡數量:2716×1528)

    當有的同學看到4K 投影儀為啥也使用了 0.47 吋的 DMD 芯片而納悶時,這就要給大家科普一個新概念了——「XPR(像素位移技術)」:

    “通過XPR像素移位功能,讓微鏡以高速頻率順時針在四個方向上進行水平和垂直位移,進而實現4K分辨率。0.66 吋 DMD 芯片需要以 120Hz 的頻率在對角線位移(1次),而 0.47 吋 DMD 芯片則需要以 240Hz 的頻率在四個方向上進行水平和垂直位移(2次)”


    而 3LCD 也是采用了類似的技術,不過抖動的不是 DMD 微鏡而是將 1080P 分辨率的 LCD 液晶面板向對角線移動 0.5 個像素,以獲得垂直和水平分辨率的翻倍,最終實現分辨率的翻倍,達到 415 萬像素,不過相比于真正以上的 4K(830 萬像素)還有一定距離,所以算是準 4K 的效果。


    從最終的效果來看,抖動之后的畫面細膩程度確實要好于原生 1080P,不過相比于原生 2160P 仍然存在細微的差距,其中 DLP-抖 4K 的效果還是要略好于 3LCD-抖 4K,畢竟抖動次數更多一些。雖然理論上 0.66 吋 DMD 芯片的 4K 投影儀成像效果更好,不過也伴隨著更大的功耗和發熱問題,所以就看用戶如何取舍了。


    以上就是想跟各位分享的內容了,感謝大家的耐心觀看。文章盡可能地涵蓋了投影的常見知識,所以整體篇幅比較長,也可能存在一些謬誤,還請各位讀者多多包涵,歡迎在評論區互動。我是Geek研究僧,我們下期再見。




    關鍵詞: 投影儀 DLP

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