放映质量因素分析

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摘要:作者:陈凡,朱国华,籍雪炜,王红宇 ,同样刊登在 《现代电影技术》 2012-10期 。为提高放映质量,寻找数字放映机长期使用与维护的规律,给影院提出优化放映质量的指导性建议,我们在周期性巡检维护工作中,对有代表性的不同地区、不同购置日期、不同维护状况的放映设备,进行了数据的收集和分析,着重对机器不同部位状况对影像质量影响的各种因素做了进一步研究。


对影响电影放映影像质量因素的分析及改善手段的探讨


       自从中影集团2002年将数字影院放映设备引入中国以来,我国电影数字化的步伐越走越快,数字放映设备数量不断增加(目前近1万台),安装地域也不断扩大(已布到县级)。中国第一台符合DCI规范的2K数字电影放映机DP100 2004年引进至今,已经有8年多的时间,目前仍在服役,运行超过2.2万多小时,已创造了可观的效益。由于影院的放映员对放映机的维护做得比较到位,该机虽然某些部件由于磨损噪声变大,某些光学部件已经老化(如反光镜反射率有所下降),但机器的整体运行状况良好,对比度、色彩、均匀度依然很好。这也从侧面反映出基于DLP技术的Barco放映机具有质量保障,经得起时间的考验。

       据了解,目前有大多数早期安装的放映机一直处于满负荷(>10小时/天)服役状态,整体的性能表现情况良好。但是也有相当多数量的放映机,由于放映设备配置不合理,运行环境较差又缺乏维护保养,其状况不容乐观(详见参考文献【2】),放映影像质量有大幅下降,例如,光路受到灰尘或烟尘的污染,使放映机的光输出衰减变大,使影像的亮度和对比度等指标严重降低,放出的影像暗淡、雾感、不清晰等。这是我们不愿意看到的状况。这就给我们提出了非常现实的问题,怎样使长期运行的放映机的放映质量得到保证?怎样才能使放映机始终保持良好的状态?如何在现有的条件下提高影像画质呢?笔者在这里与大家一起讨论。

        影响电影的影像效果的主要因素有亮度、对比度、亮度均匀度、色彩和清晰度等。其中,清晰度由数字机分辨率和镜头聚焦决定,只要聚焦(包括会聚)调准一般数字机的清晰度不会降低;亮度均匀度与银幕增益、放映机初始调校和安装位置有关;色彩只要做了色彩校正配置正确,通常不会随时间改变。然而亮度、对比度容易受到多种因素影响,对影像的影响相当大,若亮度低或对比度不好,将直接导致影像暗淡,会有雾感,直接导致影像质量变差,即使色彩饱和度再高、清晰度再好也表现不出来完美的影像,所以使用数字放映机时,保持画面质量的关键因素是如何使放映影像的亮度和对比度持续保持符合技术标准。那么数字放映影像的亮度和对比度主要受哪些因素影响呢?

 

一、哪些因素会影响放映环节的影像质量呢?

主要与两方面的因素有关:影厅环境因素、放映设备相关因素,

      - 影厅环境因素主要有: 银幕、放映窗玻璃、环境干扰光,放映机房的灰尘。

 - 放映设备相关因素主要有: 镜头、氙灯、光学部件、光学和色彩校正等。

 

影厅环境因素影响:

        影厅环境因素影响主要表现在:银幕、 放映窗玻璃、环境干扰光,放映机房的灰尘、烟尘和油烟污染等。

  1. 银幕  

     (1)银幕尺寸与放映机光输出(机器型号决定)匹配是保证影像效果的最基本条件。 放映机在相同光输出的情况下,投影面积越大,单位面积的照度就越小,那么经银幕反射到观众眼睛的光强度就越小。有些影院在部署放映机时没有充分考虑放映设备与银幕的匹配,小马拉大车,或原设计没有考虑3D放映的影厅进行3D放映,是造成亮度不足的主要原因。

     (2)银幕增益

       银幕增益,是银幕对光的反射系数。提高银幕增益,即减少银幕的反射角,也就是把散射到其它方向的光线聚拢来到观众区,以提高亮度的感觉。在一定程度内提高银幕增益,可以使亮度增加,但当银幕增益达到1.8以上时,容易产生明显的视觉“亮斑”(太阳效应),影响亮度均匀度,应该权衡选择。 随着银幕使用年限的增加,由于灰尘、污染、老化等原因,使银幕增益也随之降低,会带来亮度的降低。

     (3)影厅与银幕设计

       影厅设计上,合理设计银幕与放映机光轴夹角,使放映机投出的光线经银幕大部分反射到观影的最佳区,可以提高光的利用率,使观众感觉明亮。

       较大的高增益银幕,往往设计成弧形以提高亮度均匀度,但过大的弧会增加影像自身反射互扰,使帧内对比度降低。

 

  1. 放映窗玻璃

        放映窗玻璃对光的影响比较大,光透过放映窗玻璃后,亮度将有5%以上的衰减;良好的光学玻璃也有5%左右的衰减。普通玻璃衰减可达10-15%,脏的玻璃衰减更大,脏的玻璃除了会造成光学损失外,同时也将明显降低画面的对比度。

 

  1. 环境干扰光

        环境干扰光对画质影响也很大,如:机房灯光、影厅地脚灯和安全灯等,环境干扰光直射银幕,它会严重降低画面对比度、感官亮度。

       另外,影厅墙面、天花板及幕前地板对画质的影响也有较大(如图1所示),因为反射干扰光也会降低帧内对比度,会使影像有雾感。

            

            图1  墙壁有较强的反射干扰光

  1. 放映机房的灰尘和油烟是放映机的大敌

因为放映机的光学部件最怕灰尘和油污,有的影院放映机房装修时粉尘很大,没有注意防护就开始运行放映机,引起在很短的时间就会使很多灰尘进入机器内部,不易清理,造成机器亮度衰减。有些机房与大厦餐馆(或爆米花间)共用风道,使烟尘或油烟进入通风管道,污染机器光路,是很难清理的。所以应注意有效控制管理、预防此类问题的发生。

 

放映设备相关因素影响:

        放映设备相关因素的影响:主要有放映机镜头、氙灯、光学部件、光学和色彩校正等。

 

首先了解一下Barco放映机内部光路的组成,见图2,从放映机光源氙灯发出的光,经过灯反光镜反射聚集,透过紫外滤镜(UVFilter),到达折射冷镜(ColdMirror),经折射进入光管(Lightpipe或集光器)入口,经过集光器整形匀化处理后,到达折射镜(FoldMirror)进入引擎棱镜(Prism)分色到DMD芯片反射,再经过棱镜还原成像,最后从镜头投射出去。其中,镜头和引擎光路是至关重要的部分,直接影响影像效果。

       

       放映机的内部光路

  1. 镜头

    成像影像光线透过镜头后,亮度会有很小的固有衰减,但是如果镜头被灰尘或烟尘污染,将有额外的损失,会大大降低影像亮度和对比度,如图3所示是被灰尘污染的镜头,所以日常和定期维护、保持镜头的洁净很重要,否则会有画面亮度及对比度衰减,使画面暗淡、有雾感。


      
镜头除了质量上的差异以外,一个关键参数是光圈F值。F值越小表示光圈越大,即镜头的通光率越大,会影响固有亮度、对比度特性参数,虽然这些在选配镜头时已确定了,但如果镜片被污染造成通光量改变,也会影响镜头性能。所以做好平时维护保养很重要。

图3 被灰尘污染的镜头内侧,

 

  1. 氙灯

 氙灯类型  不同品牌或型号的氙灯在亮度和寿命上有不同的表现,同样功率的灯,有的亮度高但寿命短、有的寿命长但亮度较低(差距达20%以上);

     氙灯安装的物理位置X-Y-Z轴调整对亮度也有比较大的影响,数据表明,未调好的X-Y-Z位置,会引起10%以上的损失,甚至引起图像闪烁;最佳的X-Y-Z调整,可有效利用氙灯的效能;

      氙灯的功率设定/调节影响放映机的光输出。有的影院为了省灯,不把灯功率开够,2D、3D放映不调节灯功率,会造成放映银幕亮度不足。

在氙灯的整个使用寿命中,光输出会随着运行时间增加而衰减(通常有0 -50%)。

 

  1. 光学部件

   灯反光镜及折射冷镜 对光的利用效率影响很大,当此镜被油烟、灰尘污染,或老化脱模后,会使光的反射效率大大降低。定期清洁保证反光镜、及折射冷镜的光洁度,可延长它们的老化年限。

     潮湿及灰尘/油污的侵袭是反光镜反射率降低主要原因:空气潮湿容易在反光镜上结露,高温下会导致脱膜(见图4);灰尘/油污容易被高温烤灼在反光镜面上,不易清洁,导致反光镜快速老化,也会降低反射率。

      

图4 灯反光镜脱模使反射率降低

 

    UV滤镜(紫外滤镜) 过滤紫外线,如灰尘被烤灼上,不易清洁,会使其透光率降低,因此及时到位的清洁可保证其良好的透光性能;

 

      光管-集光器  环境烟尘及油烟对光管及内部光路危害最大(如图56所示),光管-集光器入口,和引擎光路出口,以及光路上的光学部件被污染,会使导光集光性能大大降低,会使光只有很少被利用,使最终银幕亮度大大降低。

      

      图5 灰尘污染光路镜片

      

      

图6 灰尘污染的光管入口

 

  1. 放映机的物理位置,偏离银幕中线比较大时,会使放映亮度均匀度受影响,建议设计时尽量将放映机居中,并设计弧形幕,改善亮度均匀度。

 

       另外,对影像精细调整,也对放映最终的效果起着至关重要的作用。良好的调校,有利于影像展现的最佳化。在安装调试时,应做好光学校准、亮度均匀性调校和色彩校正。

 

    光学校准(Scheimpflug),当放映机的安装位置偏离银幕中线较大时,会出现聚焦区域性偏差,如:影像左边清楚右边不清楚,要保证聚焦在整个银幕个区域的均匀一致性,需要调整镜头光学校准,即进行 后背聚焦及Scheimpflug调校。良好的调校,可以保证整个银幕的清晰度及聚焦均匀性。

 

     亮度均匀性调校, 当放映机偏轴安装时,会造成银幕影像亮度均匀度的不良,调整放映机的折射冷镜(Cold mirror)可以在一定程度上改善光输出效率和画面亮度均匀性。

 

    色彩校正 精准的色彩校正,可以使放映影像的色彩忠实于导演的原意,与后期制作的色彩一致,以保证最佳的观影效果,也确保2D、3D影像色彩的准确。

 

 

 

 

 

二、案例分析:

 

      Barco在大量数字放映机年度维护中,安排对机器的使用状况(如:影厅银幕、放映机及其光学部件清洁状况、氙灯状况、冷却部件、影像质量等状况)进行了定量评分,测量了清洁维护前和维护后的亮度数据,我们收集了1000多台放映机清洁前后的亮度数据和评分,按不同年份,不同地区和不同维护状况分类分析,并对某些有代表性的地区及影院进行更全面的重点分级测量、采集样本和归类分析,发现了一些规律,得到了一些分析结果,现与同行分享。

       从数据看,大多数的机器维护清洁状况基本良好(维护状况评分高于70分(满分100)约占70%),清洁前后亮度差别很小,亮度和对比度接近或达到规范要求(DCI规范要求影院2D银幕亮度:48±10.2cd/m2,帧内对比度100:1),说明这些影院领导比较重视,影院放映间环境状况比较好,并且放映员对机器的维护保养比较到位。

 

       为了便于分析和说明问题,下面抽取几个亮度比较低的实例,通过对分别清洁不同部位的实际效果进行数据分析,说明各种因素对影像质量指标的影响情况。表1是维护后亮度和帧内对比度的总提升值(注:测试机都是运行一段时间的灯,用当时使用功率,未改变)。表2是清洁各部位对影像质量指标的影响。

 

表1 维护后亮度和帧内对比度的总提升值

维护后总提升值

测试项目

清洁前

清洁后

效果提升百分比(%

B5

亮度cd/m2

19

40.5

113.15%

帧内对比度

42

63.2

50.50%

D4

亮度cd/m2

42

73.3

74.50%

帧内对比度

34.54

138.27

299.5%

E2

亮度cd/m2

27.7

44.8

61.70%

帧内对比度

29.4

68.2

132%

 

表2  清洁各部位对影像质量指标的影响

机器使用年数

B

D

 E

5

4

  2

维护状况评分(满分100

67

56

62

维护后亮度提升占比(%

 

 

 

清洁放映窗

3.72%

18.53%

11.11%

清洁镜头两侧和引擎出口

23.26%

14.70%

5.26%

清洁引擎光管入口和冷镜

20.93%

6.39%

21.64%

清洁灯箱UV镜和灯反光镜

2.79%

7.67%

30.41%

清洁引擎内部光路

49.30%

52.72%

31.58%

亮度总提升百分比

113.15%

74.50%

61.70%

帧内对比度提升百分比

50.50%

299.5%

132%

 

       从数据可以看出维护整体光路清洁对亮度的提升非常显著,对放映窗玻璃及镜头的清洁对影像帧内对比度提升效果明显,但由于环境干扰光原因,有的仍然较低。

 

1. 对光路不同部位清洁的效果占比的分析

 

案例1xxx影院B机相关数据与分析

    可以看出此机清洁除引擎内部以外的光路,提高亮度占50.7%,此影厅放映窗清洁状况比较好,所以清洁放映窗提高亮度占比不多,而且由于之前换灯刚清洁过灯反光镜,清洁反光镜提高亮度的占也比较小。

 

案例2 xxx影院D机相关数据与分析

    可以看出此机清洁除引擎内部以外的光路,提高亮度占47.28%,此机维护状况较差,深度清洁光路内部、放映窗和镜头,效果非常显著,帧内对比度提高达299.5%,而由于之前换灯刚清洁过反光镜,所以清洁反光镜提高亮度的占比较小。

 

案例3 xxx影院E机相关数据分析

 可以看出此机清洁除引擎内部以外的光路,提高亮度占68.42%,此机灯反光镜、光管入口和冷镜长期未清洁,所以清洁后提升亮度效果比较显著。

 

2. 不同年份的数据分析

       运行2年内和维护比较到位的机器,清洁亮度提升效果不明显,一般提高在10-30%左右。运行3年及以上的或维护不到位的机器,清洁亮度提升效果很明显,一般能提升50%以上。这说明到位的日常维护和定期保养可以很大程度延缓光路污染引起的亮度减低和对比度下降。

 

3. 不同区域的数据分析

       从大量维护数据分析表明,北方如西北、东北、华北等特定地区的机器普遍灰尘较大,光路污染比较严重,例如,山西、陕西、甘肃、河南、新疆、四川比较突出。而南方如华南、华东等地区的机器灰尘较小,光路污染较轻,但由于比较空气比较潮湿,有反光镜脱模的情况,反射效率下降较大。另外,数据表现有比较明显的聚集性,即某些光路污染较严重的集中在某些影院里,这说明环境固然重要,但更重要的是要重视日常维护和定期保养。

 

4. 不同维护状况的数据分析

      通过分析发现,日常维护和定期保养工作做得比较好的影院,机器状况评分比较高(≥70分),清洁效果不明显。

       由此可见,光路上的每个环节,对最终效果都有一定影响,保持其良好状态对最终效果的良好有益。环境和维护状况较差的机器,深度光路清洁对提高影像质量是很有必要的。

 

三、对改善与优化影像质量的建议:

 

        从以上分析可以看出,影像质量与多种因素有关,特别与放映机房环境及维护状况密切相关,因此,我们对改善影像质量,提出以下建议:

 

       1. 针对银幕因素的影响,在影院设计时,就需着重考虑银幕尺寸、银幕增益、与放映机型号相匹配,放映机光轴与银幕的夹角,以及银幕使用年限对银幕增益的影响。建议对2D3D应用的影厅银幕(尺寸、增益等)和放映设备进行优化配置设计(有关数字放映设备合理规划配置请见参考文献3】、【4】),并使用标准宽高比的银幕(1.85:12.39:1), 因为不标准的幕会损失一些像素/光;建议合理设计银幕与放映机光轴夹角,使放映机投出的主光线反射到观影最佳区域。另外,尽量使用镜头的光学变焦功能,避免数字变焦的像素损失,提高光的利用率。

 

       2.针对放映窗玻璃的影响,建议影院使用优质光学玻璃,并注意日常维护,因为,放映窗玻璃定期清洁十分重要,脏的玻璃也将明显降低亮度及画面的对比度。大量数据表明,清洁放映窗玻璃和镜头后影像对比度(帧内)比未清洁的高50%以上。另外,光透过放映窗玻璃的面积越大,亮度衰减越大。所以在保证镜头前维护空间和投射温度正常的条件下,放映镜头到放映窗玻璃距离越小越好(确保在放映窗玻璃上的光斑面积较小)。

 

       3. 对于干扰光,有数据表明,干扰光会使对比度下降20-50%,在允许的条件下建议尽量采用深色非反射性材料,避免反射光对画面的影响;尽量控制影厅地脚灯和安全灯的亮度,避免直射银幕;控制好入出场门的干扰光;放映期间应关闭机房的主照明灯。

 

       4. 针对放映机房灰尘、烟尘和油污控制问题,最彻底的是搞好放映机房环境,预防光路被污染。建议机房不要设有临街门/窗,控制新风清洁,例如在新风入口采取加装空气过滤网/装置(中级过滤),确保过滤网日常清洁到位,北方地区经常采取加湿或拖地清洁等措施。另外,为放映机加防尘罩和风闸,在非运行时间使用可以有效地防止粉尘进入放映机。

 

       5. 对于镜头,数据表明,清洁镜头后帧内对比度比有灰尘污染的高50%以上,亮度提高达20%。建议影院保持机房环境清洁,根据情况,定期清洁镜头内/外侧。

 

       6. 在氙灯的使用上,建议选择Barco认证的效率高、光衰慢的氙灯,灯电极随着使用时间加长会有所消耗,定期调整氙灯位置X-Y-Z是很有必要,建议定期(100小时)微调X-Y-Z灯位置,可以在一定程度上改善氙灯的使用效率。按照氙灯的特性调整使用习惯, 通常氙灯从额定功率的75%~80%开始使用,以后根据使用寿命,均匀(200小时)5%递增调节,或使用放映机恒定光输出CLO自动调节功能,有利于氙灯的寿命延长;一开始以太低或高功率使用,并不能有效利用氙灯光效能,当然也应考虑灯功率调节适当,保证银幕亮度满足规范要求。

 

        7. 对于放映机光学部件,大量数据表明,日常维护,对放映窗玻璃和放映机镜头的清洁,可以大大提高帧内对比度和亮度,对放映机灯反光镜和光管入口的清洁,可以显著提高亮度。年度维护,对于环境和维护状况比较差的机器进行整个光路的深度维护保养,可以有效提高1~3倍的亮度,其中光管部分深度清洁的亮度提升占整体亮度提升的30-50%

       光路深度维护提高亮度的比例,取决于影院的运行环境,以及使用者对放映机日常维护保养的到位程度。影院管理部门应重视放映机房环境和设备维护保养。

       建议影院控制好使用环境,要重视对放映窗玻璃和放映机光路的维护保养,有效降低灰尘/油烟对放映机光学部件的危害,建议影院在年度维护中,增加光路深度维护项目,以保持最佳的放映效果,同时也减小光学部件的老化,有效延长其使用寿命。

 

       8. 影像的精细调校,可以有效地提高放映影像质量,建议Barco认证工程师在周期维护或维修时对机器进行包括光学校准、会聚调整、亮度均匀性调校和色彩校正等精细调校,从而进一步提高影像的放映质量。

 

       由此可见,进行放映机的年度维护光路清洁,可以使亮度有约50%以上的提升。如果不做清洁,只能通过提升灯功率在有限范围内提高亮度,以DP2K-20C为例,如果由于光路污染而使亮度下降了50%,要达到同样的亮度,必须提升灯功率1000W,这意味着要多用1000W电能来换取同样的亮度。若折成电力消耗成本,每度工业电1元,一天10小时就多消耗费用10元。别小看这不多的消耗,一年一台机器就浪费3650元,如果全国有1万台机器,那就3650万元/年,就不是个小数字了。此仅仅考虑了电力消耗一项,如考虑氙灯高功率使用引起的寿命变短,可能造成使用成本的增加和资源的浪费那就更大了,另外,银幕增益降低而引起的成本升高,还需要进一步研究。

 

        因此,对于运行时间比较长的放映机,都或多或少的存在被灰尘/烟尘污染的情况,所以不仅对放映机的日常和定期维护非常重要,而且进行光路的深度维护保养也十分必要,有条件的影院应该尽早安排。这样在放映质量得到较大提升的同时,也会带来资源的有效利用,节约成本,减少浪费。广大影院放映员应该积极参加放映设备相关的技术培训,熟练掌握放映设备的维护保养技能,更好地学习和掌握维护技术知识,希望引起影院管理者的重视。

 

结语

       巴可公司长期以来非常注意放映机的放映质量,不断改善和提升服务水准,多年来,进行了大量不同层次的放映设备技术培训,普及数字影院系统技术知识,清晰地定义了A(日常)、B(中期)、C(年度)、D(四年)维护类别,例如,维护保养时间、内容和执行人员,在不断督促影院放映部门积极做好AB类维护的同时,还为保内客户提供全面的年度巡检维护(CD类),效果十分显著。中影今典数字影院投资有限公司也不断积极推进所属放映设备的定期维护保养工作,有效地提升了放映环节的影像质量,并节约了资源。我们相信,此项工作可以为客户延长机器某些部件的使用寿命乃至整机的使用寿命,提高总体的投入产出经济效益(减低客户TCO整体设备拥有成本)。有关放映影像质量及成本分析还有许多方面有待进一步研究,我们将继续努力,为提升影院放映质量,提高设备效益贡献力量。

 

 

致谢:

特别感谢国家广电部电影总局电影技术质量检测所 陈江主任对此研究提出有建设性的建议和给予的支持。

感谢新亚天影公司对此研究的合作和技术支持,该司工程师们加班加点,辛勤夜战,付出大量额外的劳动,为取得大量第一手数据做出了很大贡献。



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