Видеопроекция. Техника и технологии

Уильям Блеха
JVC North America R&D Center

Эволюция проекторов
Новые технологии в создании проекторов направлены на решение широкого спектра задач: от использования минимальных экранов до проецирования на 15-метровые экраны цифрового кино. Совершенствование технологии происходит посредством развития модуляторов изображения, LCD, DLP и LCOS, что приводит к повышению разрешения, контрастности и яркости.
Хотя указанные выше твердотельные модуляторы все шире применяются для выполнения широкой гаммы задач, CRT-проекторы продолжают доминировать на потребительском рынке. Это является результатом развития высококачественных CRT с разрешением HDTV и присущей им низкой себестоимости (автор имеет в виду прежде всего американский рынок, в России все несколько иначе – Прим. ред.). Эта ситуация меняется по мере совершенствования и удешевления твердотельных технологий, которые все больше проникают на рынок hi-end (рис. 1).

Параметры изображения
Качество изображения определяется разрешением, яркостью, контрастностью и цветопередачей.

Разрешение
Разрешение – число пикселей, которое проектор может воспроизвести. Оно выражается в их количестве по вертикали и горизонтали. В таблице приведены стандарты разрешения существующих проекторов.
Для наилучшего результата разрешение проектора должно совпадать с входным разрешением. Сегодня большинство проекторов способны воспринимать сигнал с более высоким разрешением, чем их собственное. В этом случае декодер понижает разрешение сигнала на входе до уровня возможностей проектора. Кроме того, аппараты с уровнем разрешения XGA и выше способны поддерживать сигнал с более низким разрешением, нежели их собственное. При этом разрешение картинки увеличивается до уровня разрешения проектора без увеличения площади проекции. Многие проекторы позволяют либо работать с сигналом более низкого разрешения, либо масштабируют изображение до его совпадения с собственным разрешением.
Контрастность
Контрастность – параметр, отображающий разницу между самой яркой и самой темной точкой изображения. Обычно эту разницу измеряют двумя способами: последовательным сложением цветов и по ANSI (American National Standards Institute). В первом случае производится замер яркости черного и белого изображений. При замерах по ANSI производится вычисление средней яркости расположенных на экране линий черных и белых квадратов (4 х 4). При замере методом последовательного сложения цветов уровень контрастности будет всегда выше, чем при замере по ANSI. Его уровень колеблется от 250:1 до более чем 2000:1, в то время как уровень контрастности по ANSI варьируется от 100:1 до 500:1. Контрастность новых проекторов HD2 DLP («черный чип») и D-ILA достигает самого высокого значения. Полный динамический диапазон модулятора изображения – ключевой фактор высокого показателя сложения цветов, что очень важно в цифровом кино с его обилием темных сцен и необходимостью их хорошей детализации. Контрастность по ANSI важна в сценах с различным уровнем яркости. Низкий показатель контрастности делает картинку блеклой и необъемной. В создании хорошей контрастности задействованы модулятор изображения, световой поток, оптический блок и проекционные линзы. Луч, рассеивающийся в оптической системе или отраженный ею обратно в модулятор, – важнейшая причина низкого показателя контрастности по ANSI.
Кроме этого, контрастность зависит и от внешних факторов и частично от границ изображения. Здесь наилучшим условием является абсолютно черная маска вокруг экрана, необходимая также и для маскировки изображения, выходящего за его пределы.
Выходной световой поток
Максимальный световой поток измеряется в люменах по стандарту ANSI (ANSI-лм). Во всех проекторах, сделанных не по технологии CRT, для создания светового потока используется лампа. Эффективность прибора зависит от того, какая часть яркости теряется до того, как луч достигнет экрана.
Эффективность проектора описывается в люменах на ватт, где ватты отражают мощность лампы, и обычно это значение колеблется от 3 до 10. Данный параметр зависит от конструкции оптического блока и характеристик лампы.
В основном проекторы, используемые для бизнес-презентаций и домашних кинотеатров, имеют показатель 700 – 3000 ANSI-лм, а аппараты, задействованные в больших кинотеатрах, – более 10 тыс. ANSI-лм
Расчет необходимого выходного светового потока для конкретных задач можно произвести, зная размер экрана и его отражательную способность.

Яркость изображения (фут-L) = Световой поток проектора х Отражательная способность

Площадь экрана
Требуемая яркость изображения зависит от внешних условий. В темном зале стандарт SMPTE для показа кинофильма предполагает световой поток изображения не менее 12 фут-L, а для конференц-зала или незатемненной комнаты может быть необходимо более 100 фут-L. Поскольку цена проектора сильно увеличивается с ростом величины выходного светового потока, необходимо, насколько возможно, контролировать условия окружения во время презентации. Отражательная способность экрана может быть использована для повышения яркости изображения, применительно к данному углу просмотра, и может варьироваться от 0,85 до 5:1. При низкой отражательной способности экрана можно применять проекторы с высокими выходными характеристиками для придания более глубоких темных тонов в умеренной окружающей среде. При коэффициенте усиления экрана 5:1 угол просмотра ограничен как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, а также наблюдается появление «горячих точек».

Цветовая гамма
Цвет – это оттенки и насыщение спроецированной картинки. Оттенок – это спектральный состав проекционного потока, а насыщение – уровень белизны в оттенке или его чистоты. Задача проектора – аккуратно воспроизводить цвета источника. В отличие от аддитивного видеопроектора, комбинирующего красный, зеленый и синий, субтрактивный пленочный проектор использует циан, маженту и желтый.
Также в описании цвета применяется термин хроматичность. На рис. 2 показана хроматическая диаграмма CIE 1976. Проекторы максимально ориентированы на красный, зеленый и синий. Эти три точки треугольника называются цветовой гаммой. На экране могут быть отображены все цвета, расположенные внутри треугольника. Стандартный цветовой треугольник был принят с учетом люминесценции CRT-дисплеев. Многие стандарты разработаны для графики и видео.
Треугольник на рис. 2 показывает цветовую гамму стандарта ITU Rec 709, используемого для HDTV. Для установки выходных параметров, как можно больше приближенных к источнику, проекторы могут использовать внутреннюю цветовую матрицу.

Цветовая температура
Цветовая температура часто относится к «белой точке», спектральной гамме спроецированного белого цвета. Значения температуры 6000 и 9800 K использовались в режимах отображения данных или видео.
В цифровом кино используется температура 6100 K, что можно сравнить со средним значением характеристик ксеноновой лампы с отражателем, применяемой в кинотеатрах.
Белые точки связаны с D-параметрами, например D65, и дифференцируют параметры в условиях дневного света и абсолютной темноты. Цветовая температура, не совпадающая на графике с кривой дневного света, автоматически коррелируется до ближайшего значения.
Следует отметить, что условия просмотра существенно влияют на наше восприятие белого и других цветов.

Характеристика гаммы
Характеристика гаммы зависит от отношения уровня сигнала к уровню яркости. Проекторы CRT характеризуются степенной зависимостью с показателем 2,3 – 2,6. Исторически входной видеосигнал задается степенной функцией с показателем 0,45 (для компенсации характеристик CRT). В аппаратах LCD и LCOS эта зависимость также степенная, а вот проекторы DLP в этом аспекте отличаются линейностью. Для получения на экране необходимых характеристик гаммы-изображения в проекторах производится гамма-коррекция. Для достижения максимального качества исходного сигнала и изображения гамма-характеристики RGB индивидуально настраиваются так, чтобы была достигнута одинаковая цветовая температура на каждом промежуточном (сером) уровне. Большинство аппаратов имеют несколько пользовательских настроек, включающих стандартные, предназначенные для SDTV и HDTV. Для цифрового кино и домашних театров устанавливается наибольший показатель для гамма-зависимости (~ 2,6), чтобы сделать изображение более похожим на картинку кинофильма.

Равномерность
Для общего качества изображения также важна равномерность яркости и контраста между черным и белым. В оптических блоках современных проекторов используются оптические интеграторы, например световоды. В этих случаях равномерность яркости достигает более 90%.

Перевод Алексея Саванина
Редакция выражает благодарность Антону Гречко и Евгению Блинову за помощь при написании данной статьи.