《現(xiàn)代電影技術》｜張尚乾等：LED電影放映屏監(jiān)測方法研究

本文刊發(fā)于《現(xiàn)代電影技術》2025年第4期

專家點評

隨著 LED 電影放映屏在影院中的廣泛應用，對其放映質(zhì)量的把控愈發(fā)關鍵，然而當前對 LED 電影放映屏各項技術指標缺乏有效監(jiān)測手段是行業(yè)面臨的實際問題。《LED電影放映屏監(jiān)測方法研究》一文精準聚焦于此，選題具有現(xiàn)實針對性，能夠切實滿足當下影院對于保障放映質(zhì)量、確保設備穩(wěn)定運行的迫切需求，為行業(yè)發(fā)展提供了極具價值的研究方向。文中創(chuàng)新性地提出一種綜合監(jiān)測方法，將硬件信息監(jiān)測和圖像分析監(jiān)測有機結合。這一多維度的監(jiān)測思路，充分考慮了 LED 電影放映屏涉及的不同層面要素，能夠全面覆蓋從 LED 控制器到 LED 箱體等多方面的基本信息和狀態(tài)信息監(jiān)測，邏輯清晰且科學合理。該方法既可對 LED 箱體亮度色度偏差進行及時預警，又能對 LED 屏幕和箱體亮度趨勢展開分析，全方位保障LED電影放映屏的正常使用，展現(xiàn)出方法設計上的科學性與嚴謹性。該研究成果明確指出所提供的監(jiān)測手段可用于發(fā)現(xiàn)設備異常、預防放映事故，這對于影院的日常運營和放映管理具有重要意義。一旦推廣應用，有望顯著降低因LED電影放映屏相關問題導致的事故風險，提高LED電影放映服務的整體質(zhì)量，為觀影受眾帶來更好的視覺體驗，具有非常可觀的實用價值與廣闊的應用前景。

—— 董強國

高級工程師

中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質(zhì)量檢測所）檢測認證北方中心副主任

作 者 簡 介

張尚乾

中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質(zhì)量檢測所）傳輸放映技術研究處工程師，主要研究方向：數(shù)字電影技術。

中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質(zhì)量檢測所）傳輸放映技術研究處副處長，主要研究方向：數(shù)字電影技術。

王木旺

摘要

順應LED顯示技術快速發(fā)展及放映質(zhì)量要求的提高，LED電影放映屏在亮度、色度、均勻度等方面的性能優(yōu)勢顯著提升了觀影體驗，但目前對LED電影放映屏各項技術指標缺乏監(jiān)測手段，尚未建立動態(tài)監(jiān)測體系。本文提出一種硬件-圖像雙模態(tài)綜合監(jiān)測方法，通過?多維度數(shù)據(jù)采集?實現(xiàn)對LED控制器參數(shù)、箱體信號狀態(tài)及屏幕光學性能的?全要素監(jiān)測?。經(jīng)過試驗證明，該方法可實時獲取LED電影放映屏設備基礎信息，有效監(jiān)測亮度、色度偏差并實現(xiàn)?趨勢預警功能?。研究表明，該方法提供的監(jiān)測手段可用于發(fā)現(xiàn)設備異常，預防放映事故發(fā)生，為LED電影放映屏的運維提供技術支撐。

關鍵詞

數(shù)字電影；電影放映；LED電影放映屏；LED箱體

1引言

為推動我國電影產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，實現(xiàn)從電影大國向電影強國的轉變，《“十四五”中國電影發(fā)展規(guī)劃》中明確指出，我國將積極建立完善電影科技自主創(chuàng)新體系，在關鍵技術與裝備研發(fā)等方面實現(xiàn)重點突破。在國家政策層面的大力支持下，近兩年，我國LED電影放映系統(tǒng)從研制到影院落地發(fā)展不斷提速。截至2024年底，國內(nèi)已有10家企業(yè)40余款產(chǎn)品通過數(shù)字電影倡導組織（DCI）檢測認證，15個城市100余個影廳安裝了LED電影放映系統(tǒng)。隨著國產(chǎn)LED電影放映系統(tǒng)在國內(nèi)外市場的成功應用，其未來有望在全球電影放映市場中占據(jù)更加重要的地位。

LED電影放映系統(tǒng)是通過LED直顯方式進行放映的電影系統(tǒng)，與傳統(tǒng)投影放映系統(tǒng)相比，LED電影放映屏替換了投影和銀幕部分[1-3]。LED電影放映屏是LED電影放映系統(tǒng)的核心，其構成復雜，一般由LED控制器和數(shù)十至數(shù)百個LED箱體組成，每個箱體包含LED模組和LED接收卡等元器件。隨著設備使用時間延長，?元器件性能衰減會導致亮度不均、色度漂移、模組燈珠損壞等問題，如未及時發(fā)現(xiàn)和維修，容易引發(fā)放映事故[4,5]。在影院的日常運營中，確保LED電影放映屏的正常運行至關重要，因此有效的監(jiān)測方法對于及時發(fā)現(xiàn)設備異常、預防放映事故具有重要意義。

針對LED電影放映屏的監(jiān)測需求，本文將從硬件信息監(jiān)測和圖像分析監(jiān)測兩個關鍵角度入手，研究并提出一種硬件-圖像雙模態(tài)綜合監(jiān)測方法。該方法旨在通過綜合運用兩種監(jiān)測手段，實現(xiàn)對LED控制器參數(shù)、箱體信號狀態(tài)及屏幕光學性能的?全要素監(jiān)測?，進而及時發(fā)現(xiàn)設備異常并發(fā)出預警，確保放映質(zhì)量和設備穩(wěn)定運行[6-8]。

2LED電影放映屏監(jiān)測原理

LED電影放映屏的監(jiān)測采用雙模態(tài)數(shù)據(jù)融合架構，涉及硬件信息監(jiān)測和圖像分析監(jiān)測兩個方面，其監(jiān)測原理如圖1所示。

圖1　LED電影放映屏監(jiān)測原理圖

硬件信息監(jiān)測是LED電影放映屏監(jiān)測的基礎，本方法借鑒了傳統(tǒng)電影放映機網(wǎng)絡運維管理經(jīng)驗[9,10]，通過采用網(wǎng)絡通訊技術和LED控制器指令的交互，實現(xiàn)對LED電影放映屏關鍵組件信號狀態(tài)的實時監(jiān)控，通過該類狀態(tài)的變化以判斷和評估設備運行是否正常。

圖像分析監(jiān)測采用高精度工業(yè)相機從合適位置正對LED放映屏采集圖像，并對成像圖片進行亮度、色度計算等[11-13]。分析各箱體亮度是否有衰減，檢查色度值是否有變化，通過對長時間監(jiān)測數(shù)據(jù)的比對和趨勢分析，了解設備性能的變化趨勢，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題。

本文提出的架構設計通過?設備狀態(tài)-光學表現(xiàn)?的關聯(lián)分析，可準確識別?LED設備元器件故障引發(fā)的光學異常?，實現(xiàn)?從信號源到顯示終端的全鏈路監(jiān)測?。

3LED電影放映屏監(jiān)測內(nèi)容

本文調(diào)研影院監(jiān)控需求并綜合考慮多方面因素，確定LED電影放映屏的監(jiān)測內(nèi)容。首先要考慮監(jiān)測內(nèi)容的實用性，該內(nèi)容必須能反映影院使用方和屏幕廠商最迫切關注的對象；其次是監(jiān)測內(nèi)容的可行性，該內(nèi)容必須能直接從LED電影放映屏設備或額外增加少量低成本設備的情況下獲得；最后是獲取監(jiān)測指標的經(jīng)濟性，該指標的獲取必須以不增加或微量增加屏幕廠商生產(chǎn)成本或影院的使用成本為前提。

結合上述要求，通過梳理2023年11月頒布的《數(shù)字電影LED影廳技術要求和測量方法》（DY/T 8—2023）行業(yè)標準[14]，并結合實際安裝LED電影放映系統(tǒng)影院的調(diào)研情況，整理出兩類共5種監(jiān)測內(nèi)容。

3.1 硬件信息監(jiān)測類

（1）控制器信息

LED控制器信息包括設備指紋信息和實時狀態(tài)信息。設備指紋信息主要獲取控制器廠商、型號、設備唯一編號、軟件版本。實時狀態(tài)信息需監(jiān)測信號連接狀態(tài)、信號輸入源（如：IMB信號、HDMI信號等）、信號模式（如：2D信號、3D信號）。

（2）箱體信息

LED箱體信息是更細粒度的監(jiān)測信息，通過LED顯示系統(tǒng)中最小通信單位LED接收卡獲取。箱體信息分為兩部分，箱體矩陣坐標?（I×J）及?箱體鏈路狀態(tài)?信息。箱體矩陣坐標代表的是橫向箱體個數(shù)I和縱向箱體個數(shù)J，并以此箱體拓撲關系為基準，建立屏幕空間映射模型，進行后續(xù)的圖像分析監(jiān)測；箱體鏈路狀態(tài)信息可實時獲取各箱體的在線狀態(tài)。

3.2 圖像分析監(jiān)測類

（1）亮度

LED電影放映屏顯示的一個重要評價指標是亮度，標準DY/T 8—2023要求，在播放SDR信號時，LED電影放映屏的全屏亮度平均值為(48.0±10.2) cd/m2。為能準確測量出LED電影放映屏的亮度值，根據(jù)標準DY/T 8—2023要求，其測量儀器為成像式亮度計。但由于其價格昂貴，且檢測環(huán)境要求苛刻，按照本文的監(jiān)測要求，所采用的監(jiān)測設備不能額外增加過高的成本，故采用工業(yè)監(jiān)測相機替代成像式亮度計[15,16]。

由于LED電影放映屏主動發(fā)光、均勻性較好的特性，理論上每個箱體的平均亮度值都應與全屏亮度平均值保持一致。本文結合以箱體為單位進行監(jiān)測的要求，將箱體的亮度平均值參照全屏亮度平均值進行監(jiān)測，使用工業(yè)監(jiān)測相機對采集到的圖像按照箱體為單位進行亮度分析，計算各箱體亮度均值與標準值的?偏離度?，并通過歷史數(shù)據(jù)對比、單個箱體與全屏亮度對比，在時間和空間兩個層面上評估出亮度是否超出標準范圍，對于亮度異常的箱體，進行標記并預警。

（2）色度

LED電影放映屏顯示的另外一個重要評價指標是色度，按照標準DY/T 8—2023要求，在播放SDR信號時，LED電影放映屏的中心點指標要求如表1所示，其中x，y為色度坐標。

表1　LED電影放映屏的中心點指標要求

與亮度指標測量存在相同問題，根據(jù)標準DY/T 8—2023要求，色度的測量儀器為分光輻射色度計，其價格也極其昂貴，且檢測環(huán)境要求苛刻，參照亮度監(jiān)測設備，本文依舊采用工業(yè)監(jiān)測相機替代分光輻射色度計。

LED電影放映屏的色度特性與亮度特性相同，理論上每個箱體的色度值都應符合中心點技術指標的要求。本文也采用通過工業(yè)監(jiān)測相機對采集到的圖像進行色度計算，分析RGB三原色色坐標偏移量，并通過歷史數(shù)據(jù)對比、單個箱體與全屏亮度對比，在時間和空間兩個層面上評估出箱體色度異常，并對異常的箱體進行標記并預警[17-20]。

（3）長期趨勢監(jiān)測

在對LED電影放映屏的亮度指標監(jiān)測過程中，還需對其變化趨勢進行監(jiān)測，通過建立長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，存儲并分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，比對歷史數(shù)據(jù)和當前數(shù)據(jù)，預測設備性能的變化趨勢。

4LED電影放映屏監(jiān)測方法

4.1 硬件信息監(jiān)測

硬件信息監(jiān)測是通過制定一套針對LED電影放映屏硬件監(jiān)測內(nèi)容的網(wǎng)絡管理接口協(xié)議，設計應用程序編程接口（API）規(guī)范，由外部監(jiān)測軟件通過網(wǎng)絡接口定時獲取各監(jiān)測內(nèi)容數(shù)據(jù)，該方法比較成熟，本文不再贅述，但需要說明的是目前行業(yè)內(nèi)對LED電影放映屏幕管理缺乏統(tǒng)一的通信標準，實現(xiàn)過程中，需要LED電影放映屏廠商深度配合。

4.2 圖像分析監(jiān)測

本文對LED電影放映屏的亮度、色度進行監(jiān)測所采用的方法是相對值比較分析法，即按照標準DY/T 8—2023要求，對校準完成的LED電影放映屏，通過工業(yè)監(jiān)測相機采集LED電影放映屏播放各測試信號時的圖像，并根據(jù)圖像分別計算全屏及每個箱體的亮度和色度坐標值，記錄并留作參照值。隨后在每次LED電影放映屏開機使用時，依次播放各測試信號，并通過工業(yè)監(jiān)測相機記錄每個箱體的圖像，再分別計算其亮度和色度坐標值后作為監(jiān)測值。然后將各箱體的監(jiān)測值分別與參照值進行比較，若偏差超過設置的預警值則提示預警，可按需設置偏差值。

4.3 監(jiān)測單元設置

將LED電影放映屏按照箱體大小進行分組，每個箱體作為一個監(jiān)測單元，箱體的橫坐標記為

i

，縱坐標記為

j

，每個箱體編號記為

（i，j）

，如圖2所示是一個由8×6=48個箱體組成的LED電影放映屏，則需測試48個單元。

圖2　LED電影放映屏測試單元示意圖

4.4 亮度參照值

按照標準DY/T 8—2023要求，LED電影放映屏播放白色測試信號（

X'

=3794,

Y'

=3960,

Z'

=3890），通過成像式亮度計測量校準，將LED電影放映屏的輸出亮度值校準到48 cd/m 2 。

使用工業(yè)監(jiān)測相機對LED電影放映屏成像，并按照監(jiān)測單元劃分圖像塊，在圖像塊內(nèi)，循環(huán)獲取所有像素的亮度值，并以圖像塊為單位計算出像素的平均亮度值，圖像塊的平均亮度計算公式為：

式（1）中，

C

(i,j)

為圖像塊的亮度；

B

k 為圖像塊內(nèi)每個像素的亮度；

n

為圖像塊內(nèi)的像素數(shù)量。

為避免誤差，可通過多次成像來計算平均值的方式計算，并將該值作為該LED箱體在標準測試信號時的亮度標定值，用于后期LED電影放映屏亮度監(jiān)測時的比對基準。

4.5 色度參照值

按照標準DY/T 8—2023要求，LED電影放映屏依次播放紅色測試信號（

X'

=2901,

Y'

=2171,

Z'

=100）、綠色測試信號（

X'

=2417,

Y'

=3493,

Z'

=1222）、藍色測試信號（

X'

=2014,

Y'

=1416,

Z'

=3816）。使用工業(yè)監(jiān)測相機對LED電影放映屏成像，并按照監(jiān)測單元劃分圖像塊，在圖像塊內(nèi)，按像素分別在播放紅色、綠色、藍色測試信號時，獲取顏色值并分別記作

R

k

、G

k

、B

k 。

在圖像塊內(nèi)，循環(huán)獲取所有像素的紅、綠、藍色度值，并以圖像塊為單位計算出像素的平均色度值，圖像塊的紅、綠、藍平均色度計算公式分別為：

式（2）中，

R

(i,j)

、G

(i,j)

、B

(i,j) 分別為圖像塊的紅、綠、藍色度值；

R

k

、G

k

、B

k

分別為圖像塊內(nèi)每個像素的紅、綠、藍色度值；

n

為圖像塊內(nèi)的像素數(shù)量。

為避免誤差，可通過多次成像計算平均值的方式計算，并將其作為該LED箱體在紅色、綠色、藍色測試信號時的紅、綠、藍色度標定值，用于后期LED電影放映屏色度監(jiān)測時的比對基準。

5 LED電影放映屏監(jiān)測試驗

5.1 硬件信息監(jiān)測試驗

試驗按照4.1節(jié)的要求設計了一套LED電影放映屏監(jiān)測軟件，與2家LED電影放映屏廠商完成對接，在2套通過DCI檢測認證的LED電影放映屏上進行驗證，通過接口形式，可獲取LED控制器信息（控制器品牌、控制器信號型號、設備唯一編號、軟件版本、控制器狀態(tài)、信號狀態(tài)、信號輸入源、2D/3D模式）和LED箱體信息（LED箱體基礎信息行列、LED狀態(tài)信息列表），并可發(fā)送簡單指令（播放監(jiān)測信號、調(diào)整亮度），進入圖像監(jiān)測模式，便于進行后續(xù)的圖像分析監(jiān)測。

5.2 圖像分析監(jiān)測試驗

5.2.1 相機參數(shù)設定

本試驗所用工業(yè)相機采用CMOS圖像傳感器，攝像頭焦距為2 mm~16 mm可變焦距，其他重要技術指標如表2所示。

表2　相機技術指標參數(shù)

5.2.2 相機平場校正

平場校正的目的是消除圖像中由于傳感器不均勻響應、鏡頭漸暈效應及光照差異或其他因素引起的亮度和色度失真，其通過?暗場-亮場雙基準校正法?實現(xiàn)?像素級響應曲線線性化?，可有效提升圖像信噪比并抑制?固定模式噪聲?，提高圖像質(zhì)量，使不同區(qū)域的亮度更加均勻，減少圖像中的偽影、噪聲。

平場校正需獲取暗場、亮場基準圖像，暗場圖像為相機沒有獲取任何光信號時產(chǎn)生的噪聲，記暗場圖像矩陣為D；亮場圖像為光照、反光材質(zhì)均勻情況下相機拍出的數(shù)字圖像，記亮場圖像矩陣為F。

像素灰度值隨光照線性變化，我們需對每個像素位置進行線性歸一化，記待校正圖像為R，歸一化后的圖像矩陣為C'，見式（3）。

將歸一化后的圖像調(diào)整回0~255的灰階中，需要一個放大系數(shù)

m

m

為兩張校正基準圖像矩陣的差值均值，其中

N

為圖像矩陣的像素個數(shù)，見式（4）。

記最終校正結果為C，則整個對R的校正過程如式（5）所示。

5.2.3 圖像矯正

受限于影院建筑結構，監(jiān)測設備安裝位置有限等問題，無法確保監(jiān)測位置在LED電影放映屏中心縱軸上，因此采集的監(jiān)測圖像會因位置關系和透視關系有不同程度的角度傾斜，導致成像存在?投影畸變?，需要用四點透視變換?將采集的傾斜圖像映射至?標準矩形坐標系?。LED電影放映屏設置為白場，監(jiān)測設備采集監(jiān)測圖像，先提取LED電影放映屏矩形區(qū)域四個角的坐標，檢測矩形并提取四角坐標需對圖像進行預處理、邊緣檢測、提取輪廓、角點檢測，再進行投影透視變換，將LED電影放映屏監(jiān)測區(qū)域矯正為標準矩形。

預處理：監(jiān)測圖像中LED電影放映屏亮度高于周圍環(huán)境，將圖片閾值化，轉化為灰度圖，進行中值濾波，轉化為二值圖像，把屏幕與周圍環(huán)境區(qū)分開。

邊緣檢測：采用Canny邊緣檢測算法進行檢測，主要包括圖像降噪、計算梯度幅值和方向 (使用Sobel算子)、非極大值抑制和滯后閾值判斷四個主要步驟，本文不再贅述。

提取輪廓：檢測監(jiān)測圖像邊緣后，遍歷圖像中所有邊緣形成的輪廓，取面積最大的輪廓。

角點檢測：在得到矩形輪廓后，確定四個角點，獲取左上、右上、左下、右下四個點的坐標。

投影透視變換：獲取四個角點坐標后，在圖像中截取四個點內(nèi)的圖像，將所截取的圖像進行投影透視變換，轉換為標準矩形。

5.2.4 亮度監(jiān)測預警

按照4.4節(jié)的方法記錄LED電影放映屏初始化設置時的標準亮度值，在屏幕亮度衰減至95%時，監(jiān)測軟件根據(jù)設定閾值5%對每個LED箱體亮度偏差進行了預警（圖3）。

圖3　亮度監(jiān)測預警

5.2.5 亮度變化趨勢監(jiān)測

LED電影放映屏亮度降低，LED電影放映屏監(jiān)測圖像的灰度值也變小，各個箱體亮度監(jiān)測值變化趨勢相似，試驗證明LED電影放映屏監(jiān)測值有效，在屏幕亮度變化時，LED電影放映屏監(jiān)測設備可監(jiān)測各個箱體亮度變化趨勢（圖4）。

圖4 　亮度趨勢監(jiān)測

5.2.6 色度監(jiān)測預警

按照4.5節(jié)的方法在LED電影放映屏播放紅色測試信號時記錄標準紅色值，在模擬LED電影放映屏模組故障時，監(jiān)測軟件根據(jù)設定閾值1%對色度偏差進行了預警。試驗證明，色度監(jiān)測可對更細粒度的LED模組故障進行預警，本文提出的色度監(jiān)測方法可在5×5的LED燈珠區(qū)域故障時監(jiān)測到色度偏差大于1%的情況，并實現(xiàn)預警（圖5）。

圖5　色度監(jiān)測預警

6 結論和展望

本文提出的硬件-圖像雙模態(tài)綜合監(jiān)測方法，通過多維度數(shù)據(jù)采集?實現(xiàn)對LED控制器參數(shù)、箱體信號狀態(tài)及屏幕光學性能的?全要素監(jiān)測，有效填補了LED電影放映屏動態(tài)監(jiān)測的技術空白，為影院智能化升級提供了可行路徑。硬件信息監(jiān)測可對LED控制器和LED箱體基礎信息和狀態(tài)信息進行監(jiān)測。圖像分析監(jiān)測可對LED電影放映屏和箱體亮度、色度偏差進行預警，可對LED電影放映屏和箱體亮度趨勢進行分析。其中亮度監(jiān)測可按百分比進行預警，色度偏差可在較細粒度的模組故障時預警，但受限于工業(yè)相機圖像采樣的分辨率、位深等性能限制，當前方案暫時無法對壞點進行預警，后續(xù)可開展LED電影放映屏更細粒度色度和亮度的監(jiān)測方法研究。目前，對于硬件信息監(jiān)測仍需與LED電影放映屏廠商單獨進行對接，而傳統(tǒng)放映機的硬件信息是統(tǒng)一接入影院網(wǎng)絡運營中心（NOC）系統(tǒng)中，后續(xù)LED電影放映屏的狀態(tài)等信息應統(tǒng)一規(guī)范后納入影院網(wǎng)絡運營中心管理。圖像分析監(jiān)測方法在進一步驗證后，可投入到實際監(jiān)測中。

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【項目信息】中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質(zhì)量檢測所）基本科研業(yè)務費項目“LED電影放映屏監(jiān)測技術研究”（2023?DKS?11）。