影院数字放映设备配置规划设计初探

影院数字放映设备配置规划设计初探 陈凡 《现代电影技术》 2008-2

• 背景与意义

随着电影胶转数进程的加速推进和数字放映设备应用的逐步推广，有越来越多的数字放映设备安装到电影院和非影院应用场合，由此提出了一个新的设计问题，即数字放映设备的优化配置设计问题。所涉及的问题是：如何根据已有影院（现场）的物理数据，设计一种比较适合影院使用需求的数字放映设备配置方案，或者为新建影院，在影院设计阶段，给设计人员提出设备配置的建议和影厅座位数配置、放映机安装机位等建议，使其设计实现的方案达到合理优化，即在达到保证放映指标的前提下，运营成本的最小化。

要达到优化的设计，需要收集一系列的数据，且需要一系列的计算、比较和选择过程。因为设计方案的确定受多种因素影响，例如，对不同影片格式需要不同投射比的镜头，2D、3D放映对放映设备光输出（亮度）的需求不同，而且不同的3D放映系统对光的利用率也不尽相同，银幕类型（白幕/金属幕，等高/等宽）、银幕的尺寸大小和增益、允许灯的光衰减量、放映窗玻璃光损、色彩校正光损，放映机和耗材（氙灯、冷却液等）的价格，设备耗电量，甚至不同影厅的座位数等，都可能对放映机的选型及氙灯功率的选择有一定影响。经过一系列的计算、比较和选择，一旦得到合理的设计方案，便可以使影院运营时，既可以保证了影像质量，又可以充分降低运营成本，科学合理地使用资源，从而达到影院利润的最大化。因此，为影院进行数字放映设备优化配置设计是一件非常有意义的工作。

本文就讨论为影院设计配置数字放映设备的相关问题，希望能起到抛砖引玉的作用。

• 相关概念

在为影院进行数字电影放映设备配置设计之前，首先应该了解以下几个相关概念。

1．数字影片内容的宽高比（ARc）（Aspect Ratioof Content——ARc）：

DCI规范要求数字电影影片内容（数字电影发行母板（Digital Cinema Distribution Master --- DCDM）与放映出的影像要完全一致，见下表：

DCI规范要求的DCDM数字影片格式（2D、3D）宽高比

兼容初期：MXFI（MPEG2）数字影片格式（2D、3D）宽高比

早期的数字电影格式（1.3K）内容宽高比与影像宽高比时不一致的，靠加变形镜头压扩获得电影影像。

2．银幕宽高比（ARs）：银幕宽与高之比,它应该与影片内容宽高比相适应；

  ARs= SW / SH 

SW--- 银幕的水平宽度（m）

SH--- 银幕的垂直高度（m）

3．成像器件的宽高比（ARd）（Aspect Ratio ofDevice ——ARd）：成像器件（例如,DMD芯片）的水平与垂直像素数之比；

例如，1.3k 技术数字放映机, ARd = 1280/1024 = 1.25

例如，2k 技术数字放映机, ARd = 2048/1080 = 1.896 ≈1.9

4．照度（E）、亮度（L） 照度是指光照射的强度，单位：Lux，亮度是指单位面积上反射光的强度，单位：FL，cd/ m2（Nit）。

例如，14 FL = 47.97 cd/m2=150.3 lux（银幕增益β =1时）

亮度L与银幕增益有关，成正比，增益越大亮度越大。 

     5．光通量（luminous flux）和放映机的光输出（Ф）光通量是指光源发射出的光能量或光的流动速率，放映机的光输出是指放映机所能投放出的最大光通量，它们的单位都是流明（lm）。 

1 流明= lux ×m2

6. 银幕的增益（Gain of Screen）或反射系数（Reflection factor —— β）:例如：标准白板的增益是β =1。

7．放映距离（PD）(Project Distance ——PD)：从数字放映机的镜头成像面到银幕中心面的直线距离,单位：米（m）。

8．数字放映机主镜头的投射比（TRp）（Throw ratio ofProjection ——TRp ）：它与镜头聚焦长度（Focal length）有关；

因此，银幕尺寸一定、放映距离一定时，要选配主镜头投射比来适应银幕的尺寸。

     9．银幕的面积A= SW×SH，单位：m2

      10．光损与光衰（D） 光损指光在传输过程的衰减量,光衰指随使用时间光强度的衰减量，用百分数表示。

二．计算原理

影院的数字放映设备配置主要设计问题，是选择什么银幕？配置多大光输出的放映机？配置多大功率的氙灯？选定何种投射比的镜头，预计运营成本（消耗费用）是多少？

所涉及的计算问题主要是镜头的计算、光亮度的计算和运营成本的估算。

1．镜头的计算

  所需镜头的投射比与银幕大小、影片格式、成像器件的宽高比和放映距离PD有关。一个镜头需要满足多种变焦比,以适应不同应用情况，如，宽银幕、遮幅、非影院应用HDTV、PC、DVD等。

投距与银幕大小的基本关系是：

PD = ARd x SH x TRp 

所以：一只镜头的投射比应该即满足宽银幕又满足遮幅的需要。

                         PD

遮幅TR_flat =-------------- 

   SHf xARd

宽银幕TR_scope=  PD / SWs

其关系如图1所示。

如果考虑兼容初期的影片格式（1.3K和MPEG2）以及非影院应用，则需要进行一些修正，才能较好的适应需求。

所以，要选定的镜头投射比TR应该覆盖（TR_scope，TR_flat），即：

TR_scope < TR   < TR_flat

Lens scatter: 镜头散射曲线，Projection Distance：投射距离，Screen Width：银幕宽度，lens calculated: 所计算的镜头

图1 幕宽、距离与投射比的关系

举例说明：

放映机投射距离：PD = 25 m 

遮幅Flat:  SW = 10.75 m SHf = 5.8 m     TR_flat = PD / SHf x ARd = 2.27

宽银幕Scope: SW =13.85 m SHs = 5.8 m     TR_scope = PD / SWs = 1.81

因此可选择镜头：投射比为1.6-2.5

2．光输出的计算——放映机型号和氙灯功率的确定

DCI对数字影院2D放映亮度指标的要求是，中心亮度达到14 FL ±3（影院）±0.7（审片室）。因此在设计时，要保证中心亮度在11 –17 FL范围内。对数字影院3D放映亮度目前DCI还没有规范，但一般经验要求中心亮度（3D白）至少达到3 –5 FL（影院）。

我们将此设为目标亮度（Lt）Lt_2D,Lt_3D，它与放映设备光输出及银幕的增益及有效面积有直接关系。

理想状态（不考虑其他因素，取β =1） :

理想光输出 Ф0 = Lt×A 其中：Lt --- 目标亮度，A --- 银幕面积

实际需要的光输出 Фr= Ф0 + D

其中：

D --- 综合光损D =D1 + D2 +  Di … 是多种因素影响的和。

针对两种银幕情况

遮幅：

  Ф_flat= [(SW×SW/TRs)×Lux×Lt / β] ×（1 + D）     (流明)

宽银幕：

Ф_Scope=[(SW×SW/TRs)×Lux×（TRs/TRd）×Lt / β] ×（1 + D）(流明)

其中：Lux --- 单位转换参数

需要的最大光输出为Max （Ф_flat, Ф_Scope），根据需要的最大光输出就可以选定数字放映机和氙灯功率了。

3．放映设备运营成本的估算

    设备运营成本主要包括两部分（不包括设备折旧成本）：氙灯和电费

    氙灯：不同功率的氙灯价格及寿命是不同的，应该以估算每小时的成本来衡量，即单位时间费用（元/小时）。

    电费：

耗电费用C=P ×H × δ

式中：

P---耗电功率P = PL + Po

H---运行时间

δ---电费率

PL---氙灯消耗功率

Po---其他耗电功率（包括放映机主机、排风机和电影服务器的耗电等）

三．数字放映设备配置的规划设计

1）配置规划设计所研究的问题，是综合考虑多种影响图像效果的因素和以后运营费用，配置放映设备及相关装置，得到性价比最佳的(或接近最佳的)项目硬件配置方案。

如果不综合考虑和设计，很可能出现放映设备与影厅银幕不匹配的情况，如当使用新灯时亮度可以满足要求，而使用不到氙灯寿命时亮度就明显不足；或者，新灯时，亮度调节到最小还超过亮度要求。这是属于设计规划严重失误，是应该严格避免的。实际上，对于不同光输出的放映机（如：DP1200，DP2000…）来说，在一定增益幕和一定光损的前提下，都存在一最适合的银幕尺寸（等宽或等高）范围，这时既可以保证氙灯使用到寿命时还可以提供最低亮度要求的光亮度，又能保证新灯时不用开满功率就能达到DCI规范的正常指标。因此合理选用银幕和配置放映机及氙灯功率是规划设计的关键。

2）影响影像质量及运营成本的因素

    数字电影影响影像质量的重要因素是亮度和色彩，亮度与色彩也互相牵连。要获得好的色彩，需要进行色彩校正，就要牺牲一定的亮度。

    多种因素会影响亮度及运营成本，例如：银幕类型（等高/等宽，白幕/金属幕）、银幕的尺寸大小和增益、允许灯的光衰减量、放映窗玻璃光损、色彩校正光损，氙灯寿命，放映机和耗材（氙灯、冷却液等）的价格，设备耗电量，电费等。

例如，不同银幕增益及银幕宽度所需要光输出是不同的，关系如图2所示。

RequiredLumens: 所需流明值          Screen Width：银幕宽度

图2  不同银幕增益及宽度与需要光输出的关系

综合上述因素，进行一系列的计算、比较和选择，可以从中选出合理的配置方案，即在保证达到规范指标的前提下，达到最佳的性能价格比的方案。

四．方案设计实例

    根据统计在中国大部分影院6-12米宽的银幕占银幕数的60%。

1．根据已有影院现场数据，选定应用所需的放映机型号／镜头／氙灯类型。找出性价比较好的项目解决方案。针对现场数据及可选不同增益的银幕，寻求一个整体设计，  要保证2D时最低中心亮度达到11FL，最大允许的灯的光衰在正常范围。

现场数据： 

放映机应用: 2D 放映

放映机投射距离：20 m 

Flat幕宽:   10.7 m

Flat 幕高:   5.8 m.

Scope幕宽:  10.7 m.

Scope 幕高: 4.5 m

银幕增益:   1.0、1.3 and 1.8

2D最低亮度:  11 FL

相关因素：

放映窗口光损                       10%

色彩校正光损                       5%

灯寿命光衰                         10~50% 

银幕遮框类型：                     等宽幕

2．为新建影院根据可选放映设备、氙灯设计配置最合适的银幕尺寸和镜头（甚至影厅大小），达到最优性价比和最优运营成本。

放映机应用: 2D 和3D  (XPanD 3D系统 光利用率=16%) 放映

放映机投射距离：20 m  

银幕增益: 待选定

2D最低亮度:  11 FL

3D最低亮度:  3 FL

相关因素：

放映窗口光损                       10%

色彩校正光损                       5%

灯寿命光衰                         10~50% 

1. 标准等宽幕（Flat）ARs =1.85:1

2D最低保证11FL,选用光输出18,000 流明的放映机（DP2000) 3KW/DHP, 在光衰减40%，银幕增益1.2，银幕经济尺寸：

11x 5.9m

3D最低保证3FL,选用光输出18,000 流明的放映机（DP2000）4KW/DHP, 在光衰减32%，银幕增益1.2，银幕经济尺寸：

11x 5.9m

1. 标准等高幕（Scope）ARs =2.39:1

2D最低保证11FL,选用光输出30,000 流明的放映机DP3000  4.5KW/DHP, 在光衰减40%，银幕增益1.8，银幕经济尺寸：

Flat:13.0 x 7.0 m, Scope: 16.7 x 7.0m

3D最低保证3FL,选用光输出30,000 流明的放映机DP3000 6.5KW/DHP, 在光衰减37%，银幕增益1.8，银幕经济尺寸：

Flat:13.0 x 7.0 m, Scope: 16.7 x 7.0m

可以看到，由于非标准银幕总会有较多的光（或影像内容）被切掉，会产生一定额外的光损（或影像不全），因此在影院建设设计时，应尽量避免设计和使用非标准的银幕。

3．放映设备运营成本的估算 确定了放映机的型号、氙灯的功率和运行时间等，就可以估算放映设备的运营成本了。例如：主机0.5KW，氙灯平均耗电2.5KW，风机功率0.7KW,服务器0.5KW，δ=1.00。3KW氙灯费用10，000元（人民币），平均寿命1500小时，单位时间氙灯费用约6.7元/小时。

设备功率（最大值）P = 0.5 + 2.5 + 0.7 + 0.5 = 4.2 （KW），单位时间耗电费用C = 4.2 x 1.00 =4.2元/小时。

总单位成本约（最大值）：10.9元/小时。可以看出，灯费用占总费用的很大部分，所以降低灯使用成本对降低总体放映运营成本会有很大意义。

五．影院规划设计应注意的问题

从以上讨论可以看出，有些影响亮度的因素与多种因素有关，在设计时，有针对性的避免或减小光损，可以使放映运营成本大大降低，如：

- 放映窗口玻璃使用透射好反射率低的光学玻璃，保证合适高度（中心1.2-1.25m）和喇叭口使光柱无遮挡;

- 选择功率合适的高效数字氙灯;

- 使用标准宽高比和增益合适的银幕

- 在影厅高度限制的情况下，充分利用层高，尽量使用等宽银幕, 减少使用等高宽银幕时的变焦光损。

- 对于银幕较大的影厅，使用较高增益银幕，而且银幕应做成内微弧形幕框，以减小太阳效应。

另外，还要注意合理设计和布局放映间及放映机，

- 有胶片放映机一起使用时，若使用Barco数字机，尽量将数字机放置中心或在右面的窗口（面向银幕）机位，可减小中心偏离，保证画面几何变形最小；

- 保证有足够操作维护空间和搬运通道；

- 放映间通风良好，排风机排风量足够；

- 在放映机旁要设置电话（网络）接口插座；

- 供电良好，不仅仅是电压稳定，还要保证供电相位间的平衡，地线接地良好可靠；

- 放映间环境温度/湿度控制，最好控制温度在+10至+30℃内，湿度<80%；

- 服务器与放映机及3D附属设备共地，以减少交流噪声。

- 吊装时，吊装支架或平台要稳固。

六．结束语

从上面分析可以看到，影院数字放映设备配置的优化是很重要的，合理的放映设备配置可以为影院的高效运营提供基础条件，从而节省成本，但是，要达到影院高效率的运营，仅有影院数字放映系统设备优化配置的硬件环境是不够的，还要有聪明的随机应变的影片调度软件运营管理，根据影片的上座率，按照统计经验规律分配影厅，确定排片，进行合理优化，才能达到影院运营的成本的最小化和利润的最大化。这也给影院经营管理人员提出了一个新挑战，即怎样利用现有影院环境创造出最大的效益。响应党和政府提倡科学发展观的号召，我们愿意与业界同仁共同合作，优化影院数字放映设备的配置，提高影院智能化运营管理水平，为我国胶转数改造进程贡献力量。