《现代电影技术》丨数字电影LED放映透声技术研究

本文刊发于《现代电影技术》2023年第10期

专家点评

数字电影LED放映系统自2017 年进入商业电影院以来，其具有的高亮度、高对比度、高动态范围、高亮度均匀性、高色度均匀性等技术特点得以充分显现，同时其作为电影高新技术格式在数字影院应用的重要载体，势必给电影制作、发行和放映带来革命性影响。数字电影LED放映屏作为数字电影LED放映系统的重要组成部分，目前采用全密闭箱体，几乎没有透声性，主扬声器系统无法按照传统模式安装到屏幕后方，只能部署在LED放映屏四周，存在声像偏离主画面过大、音质还音效果较差等技术缺陷，亟待研发解决。《数字电影LED放映透声技术研究》一文，针对数字电影LED放映系统在还音上存在的上述问题，对不同孔径的LED透声孔进行了试验、测试、分析和研究，提出LED透声设计应遵循的基本规则，以及针对LED透声屏的还音技术要求和测量方法，并制作完成一款能够达到穿孔银幕还音标准要求的LED透声模组，为数字电影LED影厅达到与传统影厅一致的主声道还音效果提供了有效解决方案，为数字电影LED放映系统的研发及影院落地应用提供了技术指导，同时也为行业管理部门和电影运营机构提供了很好的技术参考。

——徐涛

正高级工程师

中国电影科学技术研究所（中央宣传部电影技术质量检测所）副所长

作 者 简 介

董强国

中国电影科学技术研究所（中央宣传部电影技术质量检测所）检测认证南方中心负责人，主要研究方向：电影技术。

中国电影科学技术研究所（中央宣传部电影技术质量检测所）副所长，主要研究方向：电影技术。

龚波

董志刚

深圳市洲明科技股份有限公司影院事业部总经理，主要研究方向：LED显示在影视行业的技术应用。

摘要

本文对数字电影LED放映还音技术进行了综合研究，针对当前数字电影LED还音存在的技术问题，对不同孔径的LED透声孔进行了试验、测试、分析和研究，提炼出LED透声设计应遵循的基本规则，提出了一种针对LED透声屏的还音技术要求和测量方法，制作了一款能够达到穿孔银幕标准要求的LED透声模组，目的是确保LED影厅能够呈现与传统银幕影厅较为一致的沉浸式还音效果，旨在补齐数字电影LED影厅在还音环节存在的技术短板，推动这种新型显示技术的快速落地和应用。

关键词

数字电影；LED透声屏；声衰减；谐波失真；有效穿孔率

1引言

2017年三星公司生产的数字电影用onyx LED屏幕通过数字电影倡导组织（DCI）和联邦信息处理标准（FIPS）认证，标志着LED作为一种新的放映模式正式进入数字影院。LED屏幕与传统的投射式放映设备相比，具有高亮度、高对比度、亮度均匀性好等技术优势，一经推出便受到电影业界广泛关注。近几年我国对数字电影用LED屏幕的研究取得了突飞猛进的发展，2021年5月由中国电影科学技术研究所（中央宣传部电影技术质量检测所）和深圳市洲明科技股份有限公司联合研发的具有自主知识产权的UC⁃A41 LED电影屏通过DCI和FIPS认证，该产品依托自主科技研发， 创新解决了数字电影放映核心技术长期被国外DMD芯片卡脖子的难题，实现了弯道超车，并为“电影+”产业融合发展提供了多元化平台和技术支撑。随后时代华影、中影光峰、利亚德等厂家相继推出了国产数字电影LED放映系统。

但由于目前数字电影LED屏幕均采用全密闭箱体，几乎没有透声性，主扬声器系统无法按照传统模式安装到屏幕后方，只能放置在LED屏幕的四周，如何令影院观众所听到的声音发声位置信息与图像发声点位置信息保持一致是困扰数字电影LED影厅发展的一个主要因素，这一因素也导致了影院部署国产数字电影LED屏幕的积极性不高。

为了使LED影厅能够呈现与传统银幕影厅较为一致的沉浸式还音效果，完美呈现导演的创作意图，推动数字电影新型显示技术的快速落地和应用，亟需开展与传统银幕透声方式较为一致的LED屏幕透声和还音技术解决方案研究，彻底解决数字电影LED屏幕在还音环节存在的技术短板。

2数字电影LED放映技术现状和发展趋势

LED采用直显、逐个点像素单独显示的方式将影像呈现给观众，与传统背投式显示技术相比，其具有高亮度、高对比度和亮度均匀性好等天然技术优势，因此将成为高新技术格式（尤其是HDR）能够在数字影院应用的重要载体。从发展趋势分析，数字电影LED放映技术将对电影制作、发行、放映带来革命性变化，对电影的表现方式、镜头语言、场景再现等带来革命性影响，它将促进高新技术格式电影发展，成为电影放映的一种创新形式，也将成为下一代数字电影放映的主流显示技术。

目前国产数字电影LED屏幕均采用全密闭箱体，几乎没有透声性，主扬声器系统无法按照传统模式安装到屏幕后方，只能放置在LED屏幕四周。与传统银幕还音效果相比，此方案存在声像偏离主画面过大、音质还音效果较差等技术缺陷。为了改善非透声LED屏幕主声道还音效果存在的技术缺陷，部分扬声器厂家采用声像和波场合成技术，通过牺牲部分音质来获得与传统银幕近似的还音效果，但无法真实还原与传统银幕一致的还音效果，导致影院部署国产数字电影LED屏幕的积极性不高，严重阻碍了国产数字电影LED放映系统的发展。

当前多数影片的声音制作均在传统透声幕的环境下混录制作完成，数字电影LED影厅为了能够获得与传统银幕影厅一致的还音效果，在数字电影LED屏幕上做透声设计，将彻底解决数字电影LED非透声屏幕存在声像不一致的技术缺陷，该项技术已成为数字电影LED还音技术研究的热点，将成为下一代数字电影LED影厅主流的还音技术。

3数字电影LED透声技术要求和测量方法探讨

为了能够确保数字电影LED还音系统具备与传统银幕影厅一致的还音效果，LED透声性能应与放映银幕具备较为一致的透声效果，本章节结合数字电影放映银幕的技术规范，针对LED透声模块的技术特点提出了相应的技术要求和测量方法，为开展数字电影LED透声技术的研究提供测试和评价手段。

3.1 数字电影LED透声技术要求

为使数字电影LED透声屏幕与传统银幕保持较为一致的还音效果，LED透声屏幕主扬声器系统安装位置应与传统银幕安装位置一致，即通常放置在LED透声屏幕的后方，这种安装方式对LED透声屏幕的透声性能提出了更高的挑战，LED透声性能的好坏一般用声衰减指标表示，即声波不通过透声结构和通过透声结构后的声压级之差。

数字电影放映银幕JB/T 7809-2005《放映银幕特性参数和测定方法》标准中规定，打孔银幕8000Hz和12500Hz的声衰减与500Hz的声衰减之差分别不大于4dB和6dB。由于数字电影LED透声屏幕的透声结构较为复杂，对各个频段还音效果都有可能产生不利影响，因此建议增加其他频率的技术要求，LED屏幕各频率相对于500Hz时的声衰减特性应至少满足表1中的相关规定。因LED透声孔为硬质穿孔结构，应考虑谐波失真对还音效果造成的影响，建议声波透过LED透声模块时的总谐波失真不大于1%。考虑到整体的透声效果，建议有效开孔率不小于9%，有效开孔率即为扬声器单元尺寸所覆盖区域的开孔面积除以该区域的面积。

表1　LED透声屏幕声衰减特性

3.2 数字电影LED透声测量环境

为了降低测试周边环境反射声的干扰，数字电影LED透声性能测量需要在近似自由声场的环境下进行，标准JB/T 7809-2005《放映银幕特性参数和测定方法》中规定测量有孔银幕时，测试室应由两个相邻室组成，两室间有测试用的2m2方孔，两室间体积和形状差异不大于10%，且每室体积应大于50m3。要求在距扬声器口水平前方0.5m处所测的声压与距离1m处所测得的声压差在4dB～6dB之间，环境噪声应比各种频率下声级计所测得的声压低10dB以上。结合数字电影LED透声孔对高频段的声学特性影响较大，考虑到建设成本和实际用途，建议两个测试室的技术指标应至少满足以下技术要求：（1）单个测试室内部净空尺寸不小于1400mm×1400mm×1400mm；（2）吸声尖劈尺寸应不小于300mm×300mm×300mm，截止频率不高于300Hz；（3）测试室内部吸声材料平均吸声系数不低于0.86，吸声降噪系数（NRC）不低于0.90，在315Hz以上吸声系数不低于0.98；（4）测试室隔声量不低于40dB；（5）测试室应满足350Hz以上为自由场，125Hz~350Hz之间近似自由场的要求；（6）测试试件挂框建议厚度200mm，测试边框应做隔声处理，隔声量不低于40dB。

为开展数字电影LED透声屏幕的研究工作，依据上述技术要求和使用要求，中国电影科学技术研究所（中央宣传部电影技术质量检测所）定制开发了一款可根据不同被测材料尺寸进行调整的声学评测平台，该平台的效果图如图1所示，声学测试平台由消声箱1、消声箱2和测试样品放置台组成，总长度为4600mm，高度为2500mm，宽度2400mm。此测试平台由两个尺寸相同的消声箱和一个测试样品放置台组成，测试样品放置台可以根据被测样品的尺寸进行洞口大小的适当调整，以便挂件连接处能达到符合检测条件的隔声效果。

图1　数字电影LED透声性能测试平台效果图

3.3 数字电影LED透声性能测量

数字电影LED透声性能测量系统由消声箱、测试样品放置台、测试扬声器、测量传声器和声学分析仪组成（图2），测量扬声器的有效频率范围应不小于100Hz~16000Hz，总谐波失真应不大于0.5%。为了确保高低频声像的一致性，建议使用同轴扬声器单位。测量传声器应符合SJ/T 10724-2013《电声学测量电容传声器通用规范》规定的1级要求。进行LED透声性能测量时，LED透声模块应安装在测试样品放置台上，确保被测平面与测试样品台垂直水平面平行，并紧贴测试样品放置台垂直平面。LED透声模块与测试样品台连接处如有漏声，应使用阻尼泥封堵完整。

图2　数字电影LED透声测试原理图

数字电影LED透声性能测量步骤如下：

（1）将测量扬声器与测量传声器置于同一水平轴线上，高度在LED透声模块样品的中心处，两者相距1m；

（2）未放置被测样品时，分别将频率为125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、8000Hz、12500Hz、16000Hz的正弦波信号以稳定功率输入于扬声器，使用声学分析仪分别测得各个频率的声压级，单位为dB；

（3）将LED透声模块（图2）垂直而对称地挂设于离扬声器口150mm处，并紧贴测试样品台方孔平面，在同上条件下分别测得各个频率的声压级；

（4）计算各个频率下在放置LED透声模块前后的衰减值，然后再计算各个频率的声衰减与500Hz处的声衰减之差，所得数值即为该数字电影LED透声模块声衰减特性；

（5）验证数字电影LED透声屏幕整体透声特性时，可使用粉红噪声信号测量LED透声模块放置前后，频率在125Hz～16000Hz范围内每倍频带的声压级。计算各个倍频带下在放置LED透声模块前后的衰减值，之后再计算各个倍频带下的声衰减与中心频率为500Hz的倍频带下的声衰减之差，即为该数字电影LED透声模块声衰减特性。

4数字电影LED透声模块设计探讨

4.1 数字电影LED模块

数字电影放映用LED模块通常由印刷电路板（PCB）、灯珠、驱动电路和驱动芯片构成。它在印刷电路板上集成了多行、多列的灯珠，驱动芯片通过内置驱动电路向各个LED灯珠传递控制信号，如图3所示。

图3　数字电影LED模块

该结构设置导致主扬声器系统无法按照传统模式安装到屏幕后方，仅能安装到LED屏幕的周围，造成声像位置信息与导演的创作意图偏差较大的情况，致使LED屏幕整体还音效果不佳。为了能够获得与传统银幕放映较为一致的还音效果，需要在LED模块上开孔，以达到LED模块透声的效果。

4.2 数字电影LED透声孔研究

自2018年起，中国电影科学技术研究所（中央宣传部电影技术质量检测所）就开展了LED透声相关技术研究，笔者对LED透声孔的尺寸、厚度、结构、空腔、排布方式等对声波的影响做了大量测试，得出以下结论：

图4　不同开孔尺寸下各频率声衰减特性

(1) 圆形透声孔的尺寸越小，高频透声效果越好。笔者分别对直径为0.2mm、0.5mm、0.6mm、0.8mm和1.0mm共五种尺寸透声孔的声衰减特性进行了测试，测试结果如图4所示，开孔直径越大，在4kHz以上频段的声衰减特性越差。

(2) 开孔厚度直接影响LED透声模块的高频特性，在频率为8kHz以上表现尤为突出。笔者在开孔位置不变的情况下增加基板厚度，经过测试比对发现随着开孔厚度的增加，高频衰减特性越明显，总谐波失真也变大。

(3) 不规则的透声孔排布对LED透声效果影响较小。在有效透声率相等的情况下，笔者将透声孔的排布进行了不规则打孔，经过测试比对发现均匀排布和不规则排布的开孔结构对LED透声的效果影响较小。

(4) 正向喇叭口形状的开孔方法能够有效改善中频段透声性能。笔者对正常开孔、正向喇叭口形状开孔和逆向喇叭口形状开孔三种开孔方式进行了测试，发现正向喇叭口开孔方式能够有效改善中频段的声衰减问题，尤其是在500Hz~2500Hz区间改善明显，正向喇叭口开孔数据结果优于正常开孔方式，正常开孔方式优于逆向喇叭口开孔方式。

(5) 底板与印刷电路板之间的空腔对中高频衰减特性影响较大。笔者对底板与印刷电路板紧密结合和底板与印刷电路板形成一定的空腔两种方式进行了测试，发现有空腔的声衰减特性与无空腔的声衰减特性在中高频差距明显，尤其频率在5kHz~8kHz区间会迅速衰减。

(6) 笔者使用单频点、扫频和粉红噪声三种不同测试方法对LED透声模块的特性进行了测量，三种方法都能够反映LED透声屏幕的声学特性，其中扫频法更适用于产品研发工作，粉红噪声法更适用于影院现场环境测试。

4.3 数字电影LED透声模块设计原则

数字电影LED透声模块由印刷电路板、显示单元和透声单元组成，在印刷电路板合适区域安装灯珠，嵌入驱动电路和驱动芯片构成显示单元。在印刷电路板合适区域按照一定的规律开孔，形成透声单元。现有LED模块透声方案主要存在开孔有效区域小、透声孔径尺寸不合理、透声孔厚度大、安装支架对声波传播路径造成遮挡等结构缺陷：开孔有效区域小将导致LED模块透声性较差；透声孔径尺寸的大小将导致高频衰减较为严重；透声孔厚度大将导致声波在传播过程中极易形成驻波现象和谐波失真。LED模块不当的开孔方式直接影响数字电影的整体还音效果，不利于LED透声屏幕在电影行业的推广应用。

根据数字电影LED透声研究所取得的研究成果，笔者认为在进行数字电影LED透声模块设计时应重点考虑的因素和建议如下：

(1) 印刷电路板上的驱动电路和芯片位置选择。应尽最大可能增加印刷电路板上的可开孔区域，尽量确保LED透声孔开孔区域均匀分布；

(2) LED圆形透声孔直径的大小选择。应综合考虑工艺的复杂程度和对有效开孔面积的影响，建议透声孔开孔圆直径在0.4mm～0.6mm之间；

(3) LED透声模块的有效开孔区域宽度选择。为了确保扬声器系统的中高频单元能够有较好的透声效果，建议LED透声模块的有效开孔区域最小宽度应不低于15.2cm；

(4) LED透声孔对光学观影效果的影响。面对LED透声屏背面光环境和LED透声屏幕反射、散射现象对LED观影效果带来的影响，建议LED透声孔使用黑色强吸光材料进行喷涂，同时在LED透声孔后部添加强阻燃吸光透声材料；

(5) LED透声屏幕的链路安全性。DCI对数字电影放映物理链路的安全性具有较高要求，为了能够满足DCI规定的安全规范，建议将主扬声器系统嵌入到LED透声屏幕中。

4.4 数字电影LED透声模块设计

依据数字电影LED透声模块的设计原则，笔者设计了一套低声衰减、低失真的LED模块透声结构及LED透声屏幕的安装结构，LED透声模块具有透声孔有效开孔区域大、声衰减小，透声孔厚度小、谐波失真小等优点。LED透声屏幕采用拼块式安装方式，将LED透声模块固定在安装支架上，安装支架分布在主扬声器系统的两侧，有效规避了支架对声波传播路径的遮挡。该结构还具备安装和拆卸方便的特点。数字电影LED透声模块如图5所示，模块的灯珠分布如图6所示，其驱动芯片位置如图7所示，安装方式如图8所示。

图5　数字电影LED透声模块示意图

图6　数字电影LED透声模块灯珠分布示意图

图7　LED透声模块驱动芯片示意图

图8　LED透声模块安装方式示意图

4.5 数字电影LED透声模组测试

依据本研究提出的LED透声测量方法，笔者对制作的数字电影LED透声模组的透声效果进行了测试。测试结果表明单个LED透声模块的有效开孔率为9.4%，总谐波失真为0.42%，声衰减特性符合标准JB/T 7809-2005《放映银幕特性参数和测定方法》对透声放映银幕的相关要求，数字电影LED透声模组的声衰减特性测试结果如图9所示。

图9　数字电影LED透声模组各频率下的声衰减特性

5总结

数字电影LED透声技术已成为近几年研究的热点内容，LED透声模块通常由印刷电路板、显示单元和透声单元组成，造成声波传播路径极其复杂，很难建立符合真实效果的声学理论模型。本文通过分析数字电影LED透声特性和相关标准要求，制定了一套能够评测LED透声效果的技术要求和评价方法，对不同尺寸厚度、空腔和结构的LED透声孔进行了大量的测试和分析，得出可能影响LED透声性能的主要因素，总结LED透声设计时应注意的事项，提出LED透声设计的一些建议，供相关研究和开发人员参考，并制作了一套数字电影LED透声模组，该LED透声模组的有效开孔率达到9.4%，总谐波失真为0.42%，各频点相对于500Hz的最大声衰减为5.48dB，该指标已满足标准JB/T 7809-2005《放映银幕特性参数和测定方法》对穿孔银幕所规定的相关要求。该项技术为数字电影LED影厅早日实现与传统银幕影厅一致的主声道还音效果提供了一种技术解决方案，它将彻底解决数字电影LED非透声屏幕存在的声像不一致缺陷。

注释、参考文献

（向下滑动阅读）

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主管单位：国家电影局

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