傅博

【摘    要】 阐释演艺领域应用投影的诉求及所用投影机技术的发展趋势，并给出选用投影机需考虑的因素。

【关键词】 投影机;演艺场馆;亮度;颜色;成像技术;光源

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.12.011

目前，专业投影显示在演艺领域中的应用，包括各演场馆的舞台场景辅助显示，户外大型演出及投影秀，道具视频光影包装，现场大屏幕再现，远程演出同步视频显示，实现演员和视频影像结合的互动表演，有时投影甚至变成现场的“表演者”。

投影显示设备较之于其他大屏幕显示设备，具有更大的安装灵活性， 易于实现异型显示，并可兼容于传统灯光控制方式，因此，其在目前的演艺领域中的应用越来越广泛和流行，逐渐成为动感舞台的基本配置。

1  演艺应用投影的诉求

目前，投影显示技术在演艺行业应用诉求的关键所在可概括为，最终用户期望值的不断提高和高效优质运营的不懈追求。

其中，用户期望值所涉及的关键要素有：高分辨率的视频显示;身临其境的沉浸式体验和感受，实现更大观看视觉角度，如360°的视频显示;交互式体验，提高用户的参与感;更具创意和多功能性， 可完成多场景的演出和应用。

对于高效优质运营的不懈追求，所涉及的关键要素有：有效控制投影显示系统维护成本;实现系统的轻松互联，通过网络方便快捷地访问、控制、使用及维护;对于日趋复杂的系统应简化流程，便于使用和运营管理;系统有更高的可靠性，保障正常运行。

在此趋势下， 则需要投影显示设备能够具备：在全亮度范围内，重现绚丽色彩; 优异的边缘融合和几何校正功能，实现完整的图像拼接显示，不论是超大面积的显示还是特殊要求的异型显示;强大的图像处理系统，最大程度地减少视频图像在整个应用系统中的变形、噪波，真实地还原影像，不论颜色、反差和亮度;实现最小的系统视频延迟，避免造成声音与图像的不同步。

综观不同亮度输出投影机的市场份额，呈金字塔形，由于较小的舞台演艺、剧院/音乐厅及小型租赁市场基数大，所以，亮度较低的投影机数量较多，但同时可以注意到金字塔底端的最小亮度值在逐年提高， 从数量及亮度值看均呈现此态势， 例如10 000 lm以下的产品，最大数量的产品从5 000 lm以下， 上升到5 000 lm～7 000 lm; 但值得关注的是，10 000 lm以上的投影机的市场份额增加迅速，尤其10 000 lm～15 000 lm和20 000 lm以上的产品，如表1所示。

近年，国内大型户外的演出，以及户外的建筑投影、水幕投影等视频秀日益流行，临时安装和固定安装项目激增，使得20000+ lm高亮度投影机，尤其是30 000 lm级的高亮度投影机的应用数量不断增加。

2  演艺领域用投影机技术的发展趋势

目前，演艺领域用的主流产品为高亮度专业工程投影机，其主流技术发展有如下特点。

2.1  激光光源成为主流光源

目前，投影机光源主要有：UHP灯、氙灯、激光磷粉、RGB激光（见图1）。

不同种类的光源都可以通过滤波得到漂亮的颜色，并同时调整光源的颜色频谱和效率的多重变化组合，所有的光源皆有可能提供大的颜色范围，但不等于能够有效地提供好的投影颜色;某些技术需要牺牲亮度以达到好的颜色，或牺牲颜色以得到更高的亮度。

（1）UHP灯的光谱来自于灯泡内混合的不同高压气体。光谱中蓝色和绿色峰值较高，而它包含的红色较少，所以白点偏蓝。在使用过程中，由于峰值色谱轻微的变化，会对投影图像的色彩产生較大的影响。

（2）氙灯的色谱比较平，因为灯泡内只有氙气。但是在氙灯的光谱中红色较多，所以白点中红色较多，偏暖色调，由于没有峰值出现，所以，使用时间内颜色不会有较大的变化。

（3）使用激光磷粉的投影机，蓝色激光体现相对比较窄的光谱峰值，而其他颜色是由蓝色激光激发磷粉产生，包含绿、黄和红色波长的光;通过适当的滤波器，多样的颜色范围和白点会产生，白点可以偏蓝或偏红;激光的波长稳定，其他颜色没有峰值会出现，所以随时间推移，颜色变化不大。

双色激光+激光磷粉则为在上述的蓝色激光+磷粉光源中加入红色激光，补偿整个光源中红色的不足。

（4）三色激光。有三个或更多波长的颜色波峰，取决于采用光源的波长，如图2所示。每种颜色可能会有多种不同波长的光，激光的波长纯净且稳定。如图2所见，不论氙灯还是UHP灯，都需要滤掉较多的无用的光和人眼看不到的光，而以激光为主的光源不论从其波长及光谱，到最终得到的红绿蓝都相对完美，尤其是红绿蓝三色激光光源。

目前，红绿蓝激光器的产量和光效率以及市场发展得并不均衡，蓝色激光器的光效最高，产量和价格趋于合理水平，红色次之，绿色激光的光效最低，且价格偏高。以红绿蓝三色激光为光源的投影机价格很高，而采用蓝（+红）色激光为主，辅以激光磷粉的解决方案变得最为经济可行。因此，目前用于演艺市场的高流明专业投影机多采用激光磷粉作为其光源，其优势主要为：

（1）超长光源寿命，20 000小时～ 40 000小时，因此有更低的维护成本，更低的总体拥有成本;

（2）更高的投影机亮度和更丰富的色彩重现及均匀度，从而实现更多的应用和更好的三维立体显示效果;

（3）灵活的安装，可360°无限制的安装投影机;

（4）低的功率消耗，比灯泡投影机低30%，更少的散热。

需要说明的是，激光光源的色域范围大，目前，RGB激光光源的投影机可以覆盖Rec.2020色域，而单色和双色激光投影机的色域也在颜色和亮度上做了均衡考虑。同时，因成本问题，市面上30 000 lm以上的高亮投影机普遍采用蓝（红）色激光混合荧光粉色轮的模式，可覆盖大于Rec.709的色域范围。纯色的RGB激光光源投影机的普及还需要一个技术更新、量产成本下降的过程。

2.2  DLP技术在高亮度、高稳定性的应用中更多被选用

投影机的三种主要成像技术为 DLP （Digital Light Processing）、LCD （Liquid Crystal Display） 和 LCoS （Liquid Crystal on Silicon）。其各有优势和劣势，为高亮度投影机应用增加了多种可能，也变得越来越复杂。

DLP技术是一种反射式成像技术，每个像素是一个微镜单元，它负责将光反射到屏幕上或投影机光路里。反射镜对于高功率是非常耐用的，因此，被用于高亮度需求。此外，反射镜的高开关速度可以满足需要高频率（如120 Hz）的三维应用。

LCD技术使用有机液晶材料和偏振输入光来打开或关闭像素。这种技术成本较低，比较适用于低亮度的消费市场。但近年来已有厂商研制出超过20 000 lm的3片式LCD投影机。

LCoS技术也使用液晶和偏振光来打开或关闭像素，但是光被反射到金属背板表面，像素可以被放置在一起，从而产生更高的分辨率。光在设备的同一侧进入和退出可以增加对比度。但受其亮度水平的限制，这项技术适用于家庭影院。

如前所述，激光光源成为演艺应用高亮投影机的主流选择，而不断追求亮度也成为在演艺投影行业的一个必然趋势。随着向激光光源应用的快速发展，使更多的光通过一定尺寸的光学系统和成像单元，从而可以大幅度提高投影机的亮度。然而，随着亮度的增加，光功率提高，对于相对尺寸较小的成像单元面板将会承担更高的热负荷。有效地冷却成像单元成为关键因素，并不是所有的成像技术都可以提供相同的高效散热管理方案。

DLP技术可以承受更高的温度，由于DLP面板采用微镜技术，所以，大部分光被反射而非吸收;还可采用主动式液冷技术进行冷却，进一步增加系统的稳定性和寿命。LCD面板是透射式的，所有的光需要通过面板，所以，无法使用液冷冷却。LCoS面板采用的也是反射技术，背面可用于液体冷却，然而，内部的液晶材料是有机的，也存在热负荷的限制，特别是在长时间、高照明的情况下。

LCD和LCoS技术利用液晶作为基本材料，液晶层厚度的微小变化会导致颜色的不均匀性。此外，加热的有机材料会随着时间的推移恶化，加剧非均匀性。DLP使用金属反射镜和一个数字的驱动电压，长时间保持均匀稳定性。 除了对热的耐用性，DLP颜色均匀性不随时间变化，信息通过一个像素不影响相邻像素传输，有效密封可防止灰尘。

事实是，DLP和LCD都在不断改进和发展，目前DLP技术在高亮度、高稳定性的应用中更多地被选用。

2.3  4K越来越流行，并开始瞄准8K投影

无论专业市场还是消费市场，4K分辨率内容、播放设备越来越多地得到应用，因此，投影机也被要求能够支持4K。目前市场上主要有以下几种4K格式，见图3。

（1）DCI 4K（4 096×2 160），在数字电影放映领域，分辨率指标2K（2 048×1 080）和4K（4 096×2 160）是指投影图像分辨率，其图像宽高比是17：9。

（2）专业视频领域，2K的图像通常宽高比是16：9（1 920×1 080）或16：10（1 920×1 200）;4K在这里就是3 840×2 160（830万像素）或3 840×2 400（920万像素）。

（3）4K UHD， 是4倍的HDTV（1 920×1 080），3 840×2 160，在广播电视行业应用广泛。

4K专业投影机有两种不同的技术实现投影的方法，如图4所示。

（1）使用原始分辨率为 4K的成像单元（4 096×2 160，对角线尺寸约在1.38英寸）研发生产的投影机，由于其成像单元的尺寸较大，所以，整个投影机的光学部件都大，机身体积也大，包括投影镜头。另外，由于成像单元的成本也比较高，最终使得投影机和投影镜头的造价也比较贵。

（2）使用像素位移技术的4K投影机，应用WQXGA的成像单元，当4K视频信号输入到投影机的电子处理板卡中，信号被拆分成两帧图像，而在投影机的光路上安装一个光学随动制动装置的镜片，其会随着图像输出的帧频率在两个位置上振动，当振动到第一个位置投影机输出分拆的第一帧图像，当振动到第二个位置投影机输出分拆第二帧图像， 并在光学上向右上（或下）方位移1/2个像素，如图5所示，由于人眼的停留效应，人们即看到一帧完整的4K画面。这便是通过像素位移实现4K输出的基本原理。

简言之，使用像素位移技术实现4K的投影机，成像单元分辨率低、尺寸较小（对角线尺寸约0.9英寸），所以整体的光学系统包括投影镜头相应地都会更小，投影机的尺寸会更紧凑，造价更低，重量轻，安装更灵活方便。

4K投影会变得越来越流行，随之需提供更多4K视频素材，但4K内容的后期制作成本也相对较高，4K内容的普及还需时间。

2.4  系统控制在一体化、高效灵活方面不断提升

灯光、视频一体化的控制系统，使上百个可混叠的场景融合成为现实，关联图层和布局总览搭配大型演出投影机使用，彰显更加美轮美奂的舞台效果。

投影机高效灵活操控也是演出应用的推手。演出应用中的痛点体现在，如何将预先设计好的场景及内容准确地按演出脚本呈现给观众，并满足导演及创作人员的艺术表现。

对于技术人员，需要有效地制定舞台灯光投影一体化的解决方案，以及复杂画面的拼接融合，编程控制的精度等级，这些决定最终的体验感受。

2.5  更多附属延伸品丰富舞美的呈现效果

从安装工程的角度看，需要不断地改善投影机体积重量、丰富的镜头组合、产品的易用性等。附属延伸品，如投影多媒体数字导向外反光光学平面镜，使任何方位投射变得可能，使演出安装位置更加自如，效果呈现更加理想;全息屏幕材料的普及，探索延伸性的發展;各种数字灯型投影设备在演出中的应用，使视觉呈现有更多技术手段的选择，丰富舞美视觉效果。

同时，对于复杂的投影安装环境，并不一定具有良好的空间位置，为实现让复杂的投影校准变得简单快捷，更广泛地运用摄像头快速校准技术等辅助技术。

3  关于投影机的选择

通过先进的光源技术提供更高的亮度、更好的颜色、更长的光源寿命;通过优化光机电一体化实现更紧凑的设计;通过全系列投影镜头实现最大化的安装便利;先进的电子处理控制平台实现更多的功能，如可支持三维立体投影、多通道拼接融合投影、先进的几何校正实现异型投影;通过对整个投影系统软硬件整合，使其可以满足7×24的应用等。

不断追求投影亮度已成为整个投影行业的趋势之一，前述的激光光源因可以提供更高的亮度和更好的颜色及更长光源寿命，正逐渐替代传统光源，向主流光源过渡。

但每个投影机在颜色、亮度和光源寿命之间存在一定的关系，见图6，研发过程中都要作出设计选择，以实现一个商业平衡。理论上说，一个光源可以为投影机提供更高的亮度，但需要在颜色和寿命上作出牺牲;如果要表现最好的颜色重现，则需要牺牲部分亮度已达到更绚丽的颜色;如果想在亮度和颜色上都好，那就需要以牺牲光源寿命为代价。表1中列举了目前市场上一些主要用于演艺领域投影产品在亮度、颜色和光源寿命之间的取舍。

目前，单台4K投影机的光输出可高达75 000 lm，并采用红绿蓝三色激光作为光源，其光源在使用20 000小时后，仍可达到其初始亮度的80%，即60 000 lm=75 000 lm×80%，而其颜色范围可以达到Rec.2020。

在选择投影机时，很多情况下会忽略投影机的体积，而只关注亮度指标。其实达到同样亮度输出的条件下，能将投影机设计得更紧凑是很具有挑战性的。这需要考虑诸多因素，如成像单元进行有效的散热、整机噪声的降低、紧凑设计后维修速度的保障、兼顾模块化的设计等。而体积紧凑的投影机会给使用者带来极大的便利，搬运方便，运输和安装成本降低，节省安装空间，帮助业主降低总体成本。

投影镜头与投影机配套，建议尽量要买原厂镜头，它们是经通过投影机厂商严格测试过的，并且厂商会推荐其镜头是否可以支持高分辨率视频图像输出。应用方面，选择合适的镜头可以依据：镜头变焦比=投影距离/银幕宽度。公式虽然简单却非常实用，不同的厂家会提供不同镜头组合供用户选择和使用。目前大多数投影机厂商都可以提供变焦比0.38 ～11的镜头组合，满足不同客户超短距离投影或超远距离投影的多种需求。

投影机电子处理控制平台是核心，完美高效地控制投影机各个系统之间的协调工作，包括成像单元、视频处理、光学、电子、冷却、光源、供电、机械、镜头等。另外，高质量的电子处理控制平台需要实现一站式并行电子处理，以实现最小的视频延迟;实现快速高质量的4K图像的几何校正和拼接融合，可以处理不同分辨率和亮度要求，使投影机呈现最好的投影效果。出于前瞻性的考虑，保护客户的投资，电子处理控制平台需要拥有统一、直观的用户界面，并易于升级，以利于增加新的功能和修改已知的问题，而无需更换硬件。

归纳起来，选择投影机时，决定高质量投影图像的主要因素如下。

（1）内容的分辨率

根据视频内容选择投影机，如果是高清的视频源和内容，就不一定要选择4K投影机。当然，更高的分辨率会传达影像中更多的细节、更高的可感知度。4K分辨率视频制作已经成为趋势，因此，更具前瞻性投影机应具有显示4K图像投影的技术。

（2）投影颜色

投影机的原始色域范围大，支持多种方式的颜色校正，可以完美再现颜色，即便是在多通道显示时一样呈现极好的色彩均匀度，更能忠实地表现艺术精髓。

（3）亮度和反差

亮度和反差是投影机的重要技术指标，直接影响投影图像的效果和质量，当然不容忽视。

（4）镜头和成像体

选择正确、高品质量的镜头，可以最大限度地表现投影机的最高性能，将图像细节、颜色及亮度展现出来;同时，成像体的属性亦非常关键，是投影到标准投影幕、舞台道具、舞台地面、场馆屋顶，还是户外建筑、山体等，都需要前期进行细致的计算和测试。

（5）除上述亮度、颜色、体积、光源寿命等传统的技术指标外，还须考虑如下因素：

①视频接口格式丰富，支持最新协议，如4K视频输入、三维立体信号的接入、视频信号的网络传输;

②丰富的控制接口，支持多种控制协议，如红外遥控器、支持网络控制、DMX、Artnet灯光控制协议等;

③安装灵活，支持360°任意角度投射，使得创意和安装不再受到投影机安装角度的限制;

④内置边缘融合和几何校正功能，帮助实现多通道显示和在异型成像体上正常显示内容，且快速方便，所见即所得;

⑤多功能投影机周边附件，如可实现三维位置调整的租赁框架，亦便于堆叠安装，如可安装在投影机内部的红外测距仪和摄像头，以扩展投影系统的功能;

⑥模块化设计，易于维护，有较小平均故障恢复时间。

4  结语

目前，演艺行业以最终用户体验为发展的驱动，用户对精彩卓越体验的期待，驱动技术快速革新、内容更优质、产品品牌化;由于不断复杂化的演艺活动，驱动了对于系统运营维护简单化、灵活性的要求;与此同时，对绿色环保的要求，也促进了设备在节能减排方面的进步。

总之，随着投影显示设备的发展，在全亮度范围内可以实现绚丽色彩的重现，优异的边缘融合和几何校正功能可以实现图像不失真显示，不论是超大视频系统还是特殊要求的异型显示。同时，不断升级的图像处理系统，可以最大程度地减少视频圖像在整个应用系统中的变形、噪波，真实地还原图像的颜色、反差、亮度;越来越小的系统视频信号延迟，避免声音与图像之间的不同步。