《現代電影技術》｜張尚乾等：LED電影放映屏監測方法研究

本文刊發于《現代電影技術》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，對其放映質量的把控愈發關鍵，然而當前對 LED 電影放映屏各項技術指標缺乏有效監測手段是行業面臨的實際問題?！禠ED電影放映屏監測方法研究》一文精準聚焦于此，選題具有現實針對性，能夠切實滿足當下影院對于保障放映質量、確保設備穩定運行的迫切需求，為行業發展提供了極具價值的研究方向。文中創新性地提出一種綜合監測方法，將硬件信息監測和圖像分析監測有機結合。這一多維度的監測思路，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信息監測，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測手段可用于發現設備異常、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量，為觀影受眾帶來更好的視覺體驗，具有非?？捎^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量檢測所）傳輸放映技術研究處工程師，主要研究方向：數字電影技術。

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

王木旺

摘要

順應LED顯示技術快速發展及放映質量要求的提高，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測手段，尚未建立動態監測體系。本文提出一種硬件-圖像雙模態綜合監測方法，通過?多維度數據采集?實現對LED控制器參數、箱體信號狀態及屏幕光學性能的?全要素監測?。經過試驗證明，該方法可實時獲取LED電影放映屏設備基礎信息，有效監測亮度、色度偏差并實現?趨勢預警功能?。研究表明，該方法提供的監測手段可用于發現設備異常，預防放映事故發生，為LED電影放映屏的運維提供技術支撐。

關鍵詞

數字電影；電影放映；LED電影放映屏；LED箱體

1引言

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

LED電影放映系統是通過LED直顯方式進行放映的電影系統，與傳統投影放映系統相比，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電影放映系統的核心，其構成復雜，一般由LED控制器和數十至數百個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，如未及時發現和維修，容易引發放映事故[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，因此有效的監測方法對于及時發現設備異常、預防放映事故具有重要意義。

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

2LED電影放映屏監測原理

LED電影放映屏的監測采用雙模態數據融合架構，涉及硬件信息監測和圖像分析監測兩個方面，其監測原理如圖1所示。

圖1　LED電影放映屏監測原理圖

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

圖像分析監測采用高精度工業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，通過對長時間監測數據的比對和趨勢分析，了解設備性能的變化趨勢，提前發現潛在問題。

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

3LED電影放映屏監測內容

本文調研影院監控需求并綜合考慮多方面因素，確定LED電影放映屏的監測內容。首先要考慮監測內容的實用性，該內容必須能反映影院使用方和屏幕廠商最迫切關注的對象；其次是監測內容的可行性，該內容必須能直接從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；最后是獲取監測指標的經濟性，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《數字電影LED影廳技術要求和測量方法》（DY/T 8—2023）行業標準[14]，并結合實際安裝LED電影放映系統影院的調研情況，整理出兩類共5種監測內容。

3.1 硬件信息監測類

（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。實時狀態信息需監測信號連接狀態、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測信息，通過LED顯示系統中最小通信單位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?信息。箱體矩陣坐標代表的是橫向箱體個數I和縱向箱體個數J，并以此箱體拓撲關系為基準，建立屏幕空間映射模型，進行后續的圖像分析監測；箱體鏈路狀態信息可實時獲取各箱體的在線狀態。

3.2 圖像分析監測類

（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，且檢測環境要求苛刻，按照本文的監測要求，所采用的監測設備不能額外增加過高的成本，故采用工業監測相機替代成像式亮度計[15,16]。

由于LED電影放映屏主動發光、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測，使用工業監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?，并通過歷史數據對比、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，且檢測環境要求苛刻，參照亮度監測設備，本文依舊采用工業監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監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，并通過歷史數據對比、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）長期趨勢監測

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

4LED電影放映屏監測方法

4.1 硬件信息監測

硬件信息監測是通過制定一套針對LED電影放映屏硬件監測內容的網絡管理接口協議，設計應用程序編程接口（API）規范，由外部監測軟件通過網絡接口定時獲取各監測內容數據，該方法比較成熟，本文不再贅述，但需要說明的是目前行業內對LED電影放映屏幕管理缺乏統一的通信標準，實現過程中，需要LED電影放映屏廠商深度配合。

4.2 圖像分析監測

本文對LED電影放映屏的亮度、色度進行監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，通過工業監測相機采集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，并通過工業監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測值。然后將各箱體的監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 。

使用工業監測相機對LED電影放映屏成像，并按照監測單元劃分圖像塊，在圖像塊內，循環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 為圖像塊內每個像素的亮度；

n

為圖像塊內的像素數量。

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）。使用工業監測相機對LED電影放映屏成像，并按照監測單元劃分圖像塊，在圖像塊內，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，循環獲取所有像素的紅、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

分別為圖像塊內每個像素的紅、綠、藍色度值；

n

為圖像塊內的像素數量。

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電影放映屏色度監測時的比對基準。

5 LED電影放映屏監測試驗

5.1 硬件信息監測試驗

試驗按照4.1節的要求設計了一套LED電影放映屏監測軟件，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、信號狀態、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狀態信息列表），并可發送簡單指令（播放監測信號、調整亮度），進入圖像監測模式，便于進行后續的圖像分析監測。

5.2 圖像分析監測試驗

5.2.1 相機參數設定

本試驗所用工業相機采用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

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?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?，提高圖像質量，使不同區域的亮度更加均勻，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生的噪聲，記暗場圖像矩陣為D；亮場圖像為光照、反光材質均勻情況下相機拍出的數字圖像，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整回0~255的灰階中，需要一個放大系數

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，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，監測設備安裝位置有限等問題，無法確保監測位置在LED電影放映屏中心縱軸上，因此采集的監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，監測設備采集監測圖像，先提取LED電影放映屏矩形區域四個角的坐標，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電影放映屏監測區域矯正為標準矩形。

預處理：監測圖像中LED電影放映屏亮度高于周圍環境，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，把屏幕與周圍環境區分開。

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 亮度監測預警

按照4.4節的方法記錄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，監測軟件根據設定閾值5%對每個LED箱體亮度偏差進行了預警（圖3）。

圖3　亮度監測預警

5.2.5 亮度變化趨勢監測

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

圖4 　亮度趨勢監測

5.2.6 色度監測預警

按照4.5節的方法在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，監測軟件根據設定閾值1%對色度偏差進行了預警。試驗證明，色度監測可對更細粒度的LED模組故障進行預警，本文提出的色度監測方法可在5×5的LED燈珠區域故障時監測到色度偏差大于1%的情況，并實現預警（圖5）。

圖5　色度監測預警

6 結論和展望

本文提出的硬件-圖像雙模態綜合監測方法，通過多維度數據采集?實現對LED控制器參數、箱體信號狀態及屏幕光學性能的?全要素監測，有效填補了LED電影放映屏動態監測的技術空白，為影院智能化升級提供了可行路徑。硬件信息監測可對LED控制器和LED箱體基礎信息和狀態信息進行監測。圖像分析監測可對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，后續可開展LED電影放映屏更細粒度色度和亮度的監測方法研究。目前，對于硬件信息監測仍需與LED電影放映屏廠商單獨進行對接，而傳統放映機的硬件信息是統一接入影院網絡運營中心（NOC）系統中，后續LED電影放映屏的狀態等信息應統一規范后納入影院網絡運營中心管理。圖像分析監測方法在進一步驗證后，可投入到實際監測中。

參考文獻

（向下滑動閱讀）

[1] 謝辛.LED影院屏幕的技術分析與理論芻議[J].現代電影技術,2019(6)：38?41.

[2] 張海悅.新一代信息技術在影院智能化升級中的應用探討[J].現代電影技術,2021(8)：38?41.

[3] 董強國,龔波,董志剛.數字電影LED放映透聲技術研究[J].現代電影技術,2023(10)：10?15, 45.

[4] 陳潔昌.基于彩色圖像傳感器的LED顯示模組亮度與色度測量研究[D],2020.

[5] 李維.淺談影響電影放映質量的主要因素[J].現代電影技術,2019(12)：36?41.

[6] 高五峰,張鑫,王惠.基于智能網絡傳感器的影院綜合質量監測系統的研究和應用探索[J].現代電影技術,2019(7)：4?12.

[7] 馮子成.從人眼視覺特性角度提升放映質量[J].現代電影技術, 2020(9)：4?7.

[8] 董強國,張輝,李娜,等. 提升專業數字影院光學放映質量應用研究[J].現代電影技術,2018(7)：4?11.

[9] 沈虎榮.NOC在數字影院放映環節的創新實踐[J].現代電影技術,2020(10)：56?59.

[10] 田增順.現代數字影院智能化管理系統的探索——“智慧放映系統”在中影影院的應用[J].中國電影市場,2020(6)：48?51.

[11] 田會娟,郝甜甜,張輝,等.基于高動態范圍圖像的亮度測量方法[J].激光與光電子學進展,2019(6)：188?193.

[12] 楊立彬,熊顯能,張文濤,等.基于攝像機圖像的實時亮度測量方法[J].桂林電子科技大學學報,2017(3)：223?227.

[13] 龔波,李娜,高峰,等.數字影廳放映標準技術演進與技術協調[J].現代電影技術,2019(5)：4?9.

[14] 國家電影局. 數字電影LED影廳技術要求和測量方法: DY/T 8—2023[S]. 北京: 國家電影局, 2023.

[15] 張玉杰,陳志磊.基于CMOS圖像傳感器的亮度測量系統設計[J].電子技術應用,2016(1)：48?50,57.

[16] 張鑫.一種銀幕亮度測量新方法的研究[J].現代電影技術,2018(3)：16?20,44.

[17] 曹欣,李戰明,胡文瑾.一種彩色圖像質量評價方法[J].應用科學學報,2019(3)：398?406.

[18] 胡猛,張文勝,李維善,等.新一代激光投影顯示的色彩還原評價方法[J].電視技術,2023(9)：20?22.

[19] 張波,胡勇軍.平面視覺圖像舒適色度范圍測量算法研究[J].計算機仿真,2022(3)：462?465.

[20] 逯龍.環境亮度與LED顯示屏亮度調整方案的設計[J].現代顯示,2012(9)：320?322.

【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量檢測所）基本科研業務費項目“LED電影放映屏監測技術研究”（2023?DKS?11）。