抖出来的算真4K吗？DLP XPR抖动原理及效果详解

2019-03-28 16:17:30

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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。