抖出来的算真4K投影吗?DLP XPR抖动原理及效果详解

抖出来的算真4K投影吗?DLP XPR抖动原理及效果详解

相比4K电视的快速普及,4K投影的进度就慢太多了。原生4K家用投影主要是LCoS(反射式硅基液晶)阵营在做,比如索尼的SXRD和JVC的D-ILA产品最便宜也在3万以上,显然超过了多数人的心理预期。德州仪器的DLP XPR fast-switching技术终于把4K投影的价位拉到了主流的万元以下,德州仪器官方对XPR技术的分析极少,投影厂商又习惯于夸大效果做宣传,想象很多人都在纠结,这种抖动出来的4K效果到底如何?是不是像数码相机插值那样呢?本文就从原理分析入手,来说说这XPR到底能达到什么样的水平。

一、动态影像的基础:视觉暂留现象

为了让小白也能理解我在说什么,在开始介绍XPR技术之前,我们先翻一下中小学时期的回忆,说下视觉暂留现象,还记得这些内容的同学可以直接跳过这一部分。

视觉暂留(Persistence of vision)现象是光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后,仍保留一段时间的现象,其具体应用是电影的拍摄和放映。原因是由视神经的反应速度造成的。是动画、电影等视觉媒体形成和传播的根据。视觉实际上是靠眼睛的晶状体成像,感光细胞感光,并且将光信号转换为神经电流,传回大脑引起人体视觉。感光细胞的感光是靠一些感光色素,感光色素的形成是需要一定时间的,这就形成了视觉暂停的机理。
视觉暂留现象首先被中国人运用,走马灯便是据历史记载中最早的视觉暂留运用。宋时已有走马灯 ,当时称 “马骑灯 ” 。随后法国人保罗·罗盖在1828年发明了留影盘,它是一个被绳子在两面穿过的圆盘。盘的一个面画了一只鸟,另一面画了一个空笼子。当圆盘旋转时,鸟在笼子里出现了,这证明了当眼睛看到一系列图像时,它一次保留一个图像。
物体在快速运动时, 当人眼所看到的影像消失后,人眼仍能继续保留其影像0.1-0.4秒左右的图像,这种现象被称为视觉暂留现象。是人眼具有的一种性质。人眼观看物体时,成像于视网膜上,并由视神经输入人脑,感觉到物体的像。但当物体移去时,视神经对物体的印象不会立即消失,而要延续0.1 -0.4秒的时间,人眼的这种性质被称为“眼睛的视觉暂留”。

以上内容摘录自百度百科。

1、视觉暂留现象把静止画面变成动态视频



中小学时候我们就知道了这个原理,我们看的电影就是每秒24-60帧静态画面连续切换,利用视觉暂留现象感觉是在看连续的画面,帧数越高画面显示就越流畅,XPR技术同样是利用了这个原理。

2、视觉暂留现象可以调节亮度

视觉暂留不仅仅可以把静态画面变成动态视频,还能用于调节亮度,我们深恶痛绝的PWM调光就是利用这一原理。


PWM脉冲宽度调制,一个脉冲周期里控制一定比例的通电时间,不降低电压电流就能控制等效电流,LED实际上发光的亮度还是那么多高,但通过开关时间比例的变化,让人感觉是变暗了。顺带说一下,这实际上是个黑科技,LED发光对电压电流范围要求很高,DC调光虽然没有闪烁,但电压的变化会导致LED色温改变,只有PWM调光才能维持色温又降低亮度。

3、视觉暂留现象可以融合颜色

大家都知道,们电视机、显示器的屏幕实际上是有无数的RGB三种色块组成的,但平常看上去不会察觉,这不是视觉暂留,而是人眼分辨率不够高,会把相邻的颜色融合起来变成一个整体。白色是RGB三种颜色的叠加,一个点的亮度就相当于三个点加起来,有些屏幕还会通过加入白色像素点来提升屏幕的亮度。

在投影的画面上我们是看不到LCD、OLED屏幕那样的RGB像素点的,而是每个像素点都整个显示一个完整色彩,看起来比电视厉害对不对?

但是如果用相机开高速快门拍摄就会发现,实际上单DLP投影画面是RGB纯色高速切换,同样是利用视觉暂留现象在脑子里合成的彩色画面,这也是彩虹眼出现的根本原因。

因为DLP投影每个像素点就是一面小镜子,它本身没有颜色,只会把照射上来的光线反射出去,只有直接改变入射光线的颜色才行。

这是激光DLP投影的结构图,要利用蓝色激光照射磷轮激发出其它颜色的光线,通过色轮筛选出当前画面需要的颜色,再通过DLP芯片反射后投射到幕布上。灯泡机的结构也是基本一样,只是用灯泡替代激光加磷轮这部分,而想低成本提高亮度的机器,则会在色轮上留一部分透明的。


而微投大多用LED做光源,直接用RGB三色LED就可以了,可以省掉色轮这个机械部件,加上本身功率不大,尺寸可以做的很小。当然激光投影也可以用RGB三色激光省掉色轮,色彩会有极大的提升,但是价格就。。。大法原来那个50万的定制激光4K投影也只用了单色激光。

单DLP投影的工作原理对亮度的损失是比较大的,因为每个颜色平均只显示1/3的时间,所以部分投影也会插入白色画面来提升亮度,这也成了单DLP投影被攻击的缺点。

上图是3LCD投影的结构,它是把光线分成三个颜色分布照射三块LCD屏幕,然后合成完整的彩色画面投射到幕布,相比单DLP就没有色彩交替的问题了。

那么把DLP也来个3DLP不就好了?当然这样的产品早就有了,亮度基本都上万起,价格十多万到上百万不等。。。为什么LCD没有单片的呢?看主流单DLP跟3LCD亮度差不多就知道了,但LCD就要用灯泡实现微投差不多的亮度了。

扯的有点多了,总之因为人眼的视觉暂留现象,不管是画面、亮度、色彩,只要用足够高的频率去叠加投射到一起,我们看起来就会感觉它们本身就是一起的

二、DLP XPR抖动4K的原理

大概是受相机数码插值的影响,很多人以为小像素变大像素就是效果很差的插值,实际上DLP的XPR抖动是个黑科技。它实现的方法确实跟数码相机很像,不过不是插值。宾得、松下、奥林巴斯这些品牌的相机带机身防抖,机身防抖就是移动COMS抵消机身的震动,但他们利用这个特性开发出了“超解析”这项黑科技:

以宾得为例,他们把这个技术叫做“像素偏移分辨率系统”:自动连拍四张照片,每拍一张就利用机身防抖的特性,把整个COMS移动半个像素点(图中四个方框是一个像素点),四张照片拍完后等于同一束光线被四个方框都采集到了,这四次采集的数据叠加,就有了类似FoveonX3传感器的成像效果,并且分辨率提升了四倍。虽然这种方式拍照很受限,防抖不能用而且必须上脚架,但是可以让APS画幅的K3II拍摄风景时候画质直逼中画幅相机。

DLP的XPR技术实现方法非常类似,同样是让芯片移动半个像素,一帧画面分多次投影,利用视觉暂留现象叠加。0.66英寸的芯片物理分辨率是2716*1528,只要两次叠加就能达到4K画面的830万像素,而0.47英寸的1080P芯片则要四次叠加才能达到830万像素。说起来好像很简单,但相机采样后是实打实的像素点,而画面叠加更容易糊成一团,这种叠加真的能有效果吗?本文真是为了来分析这一点。

为了观看更加直观,我选了一张宽度仅有600像素的照片来替代4K原图,因为本站允许最大的图片尺寸就是600像素,更大的会被缩小无法看到点对点效果。

当然我不可能让你们拿显微镜看,所以我截取了画面中间一小部分进行放大,上图里每个小格就是一个像素,而像素之间的黑线相当于投影画面像素之间的空隙。顺带说一句,DLP因为是反射投影,控制电路都在小镜子后面,所以间隙可以做的很小,而LCD是透射的,每个像素的电路只能做在像素间隙里,相对间隙会比较大。

4K和1080P刚好是四倍的关系,相邻四个像素融合成一个像素就变成了1080P效果了。

用这个方式我们可以看到,如果是同样尺寸的画面,1080P的线条边缘锯齿感会比4K严重很多。

下面开始本文的核心部分:XPR是怎么用1080P抖动投出4K像素的,投出来的效果又如何呢?

前面说过XPR技术一帧画面要分四次投射,这四次当然投射的内容是不同的,否则就毫无意义了,那么这四次的内容是怎么来的呢?

其实比较简单,前面也说过4K相邻四个像素融合成一个像素就变成了1080P效果,那么只要不把它们融合,而是分别从左上、右上、右下、左下的单个像素提取出来,不就变成四张不同的1080P画面了。

然后再来投射提取出来的四张1080P画面,以左上投射位置为基础,往右移动半个像素(1080P的半个像素,相当于4K的一个像素)投射右上画面,以此类推投射右下和左下的画面,最终就有了XPR抖动的4K效果了。用抖动的方式四周的半个像素点只投到三次,所以亮度会低于中间,而四角的四个像素点只投到一次,亮度会更低。

最终效果是这样的,为了更加直观,下面还是用动图来说明,虽然颜色会有损失,细节对比会更方便些。

先来对比细节部分,抖动的4K效果远好于1080P,但跟原生4K相比还是有明显差距。抖动4K包含了4K画面的所有信息,但毕竟相邻像素有重叠,必然会导致模糊,而且这是基于理论的完美情况,实际上1080P投影都是0.65寸DMD芯片,而4K则是0.47寸芯片,所谓底大一级压死人,实际上效果差距还会更大一点,如果有厂家用0.65寸DMD芯片抖个4K投影出来,结果会跟这个动图更加接近。

4K、1080P和抖动4K的对比,对于不同显示器的人应该结论会有所不同,如果是本来就锯齿明显的显示器,4K和抖动4K的差距会明显体现出来,像我用2K 27寸显示器基本看不出两者的区别,1080P则明显有锯齿。

前面说的都是0.47寸的1080P抖动4K的效果,因为1080P分辨率和4K刚好是4倍,拆分像素会简单很多,而0.66寸是2716*1528,像素点无法一一对应,理论上说必然会有数据上的损失,但具体效果要看算法了,而且毕竟底大一级压死人,实际效果应该会更好吧。

总结

实际上没人会用放大镜去盯着幕布数像素点,1080P的按人眼的平均分辨率来说,在水平36°视角下基本看不到像素点了,而4K则是72°,但人眼的清晰视野也只有36°左右,更大的画面需要左右转头才行了。按36°计算也就是幕布宽度是离人距离的0.65倍,多数人的家里装投影会略大于这个值,比如我家水平视角大概52°左右,远远没达到72°,在明亮画面下会看到像素点,但只要分辨率稍有改善就行。我最早看的超过1080P的投影是在爱普生的演示厅,爱普生的4K增强技术只是把1080P分辨率抖了一次,清晰度已经极为惊人,坐很近都没有颗粒感了,DLP XPR则是抖到了真4K,凭肉眼不大可能看出清晰度上的差异。不过看3D电影时候XPR的机型只支持1080P。

DLP XPR显然是个极为实用的技术,大幅降低了4K投影的成本,虽然效果与原生4K还是有差距,但正常观影距离下人眼难以感知了。当然这仅限于清晰度而言,色彩、光学位移、亮度、对比度等其它指标就要看投影的级别了,这取决于钱包的厚度。

发布于 2019-03-28

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