Светотехнические  особенности проектирования комплексов с мультимедийными проекторами

Михаил Буравцев, Дмитрий Синельников

      Своими соображениями по проектированию различных комплексов с мультимедийными видеопроекторами делятся руководители фирмы "Гелиос-М", имеющие значительный опыт работы с подобным оборудованием.
      В последние годы в телевизионных и компьютерных журналах нередки публикации о мультимедийных видеопроекторах. Однако, как правило, в них воспроизводятся рекламные материалы фирм-производителей. В результате у читателей складывается искаженное представление о безграничных возможностях и простоте установки этих изделий в проекционных комплексах, что справедливо лишь отчасти (скажем, если речь идет о проекторах с жидкокристаллическими или микрозеркальными матрицами). Надо учитывать, что незнание основ светотехнических расчетов, требований к яркости изображения в условиях частичного затемнения помещений, особенностей отражательных и просветных экранов различных типов нередко приводит к их неэффективному использованию. В данной статье авторы стремятся прояснить ряд таких светотехнических (кинотехнологических) вопросов.
      Основные светотехнические показатели проекторов и демонстрируемых изображений
      Световой поток (Ф) является основным показателем, характеризующим количество полезной световой энергии, испускаемой из объектива проектора (для аппаратов с тремя проекционными кинескопами - суммарная величина всех трех объективов). Это "мощность" света проектора.
      Световой поток в общем случае измеряется в люменах (лм, lm). Для проекторов он чаще всего приводится в ANSI-люменах, где аббревиатура ANSI указывает на применение общепризнанной методики измерения, принятой Американским институтом национальных стандартов, по которой проецируемое чисто-белое изображение делится на девять равных зон, в центрах которых определяется созданная аппаратом освещенность, и по ее среднему значению подсчитывается световой поток проектора.
      Для аппаратов с проекционными кинескопами световой поток обычно приводится по пику белого, т. е. определяется по освещенности, измеренной в центре небольшого белого прямоугольника, проецируемого в центре сплошного черного поля. Площадь такого белого окна может составлять, например, 10% общего размера изображения и различна у изделий от разных производителей.
      В силу особенностей работы кинескопов при проецировании сплошного белого изображения освещенность будет в несколько раз меньше, например в 2,5-4 раза, а иногда (у видеостен, состоящих из модулей с проекционными кинескопами) и в 10 раз меньше (здесь правильнее говорить о яркости).
      Некоторые изготовители указывают величину светового потока для состояния, когда значительная доля ресурса лампы уже выработана и поток несколько снизился по отношению к первоначальному, реализуемому при новой лампе.
      Неравномерность светового потока по площади изображения. Несмотря на все ухищрения разработчиков проекторов и достигнутые в этом направлении значительные успехи, распределить световой поток абсолютно равномерно по площади картинки не удается. Ниже приведено распределение светового потока по центрам девяти зон изображения для некоторого условного аппарата:
      0,80        0,93        0,80 
      0,88        1,00        0,88
      0,80        0,93        0,80
      Освещенность (Е) показывает, сколько световой энергии приходится на единицу площади проецируемого на экран изображения. Она измеряется в люксах (лк, lk). 1 лк = 1 лм/1 м2. Освещенность изображения может характеризовать возможности проектора, только если известны конкретные размеры изображения, проецируемого во время ее измерения.
      Отдельные фирмы-производители указывают в графе "яркость" или "световой поток" технических данных большую численную величину в люксах яркости или светового потока, забыв рассказать, что она определена при проецировании изображения размером 40" по диагонали (т. е. всего 0,8 х 0,6 м). Обращайте внимание на то, в каких единицах измерения сообщается та или другая характеристика.
      Яркость изображения (В) характеризует световую энергию, ушедшую после отражения от экрана в сторону зрителей (для комплексов на просвет - энергию, прошедшую сквозь экран в заданном направлении). Именно этот отраженный (прошедший) свет и воспринимает сетчатка глаза. Когда его много, мы говорим, что картинка яркая, а когда мало - изображение воспринимается темным с потерей цвета деталей и самих деталей в "тенях" картинки. Яркость является отношением силы света к пло щади светящейся поверхности. Она измеряется в кд/м2.
      Важно, что яркость наблюдаемой поверхности не меняется при изменении расстояния от зрителя до нее. (Для усиливающих экранов описанное свойство сохраняется только в случае, если зритель будет приближаться к экрану или удаляться от него, не изменяя пространственного углового положения луча зрения на данный участок экрана.) Яркость какого-то конкретного фрагмента спроецированной картинки определяется не только световым потоком проектора и свойствами экрана, но и оптической плотностью в этом месте кинокадра или слайда, а для жидкокристаллического мультимедийного проектора - коэффициентом пропускания данной ячейки (пикселя) матрицы, заданным уровнем поступающего сигнала.
      Для унификации светотехнических расчетов при оценке возможностей аппаратов, определении коэффициентов яркости и построении диаграмм направленности экранов принимается, что в фильмовом канале кино- или слайд-проектора нет пленки, а на мультимедийный проектор подается сигнал сплошного белого поля.
      Неравномерность яркости по полю изображения при использовании бело-матовых экранов практически полностью определяется неравномерностью распределения светового потока (сплошного белого) проектора и практически не зависит от места, на котором находится зритель. При использовании усиливающих экранов добавляется (точнее, становится доминирующей) неравномерность, связанная с формой диаграммы направленности экрана и положением конкретного зрителя в зале. Для разных зрительских мест зала неравномерность яркости оказывается существенно различной.
      Интервал яркостей (контрастность) изображения определяется отношением яркостей наиболее светлого и наиболее темного участков в спроецированной реальной картинке. Контрастность, которая приводится изготовителями в характеристиках проекторов (от 1:100 до 1:300), представляет собой отношение прозрачности ячейки матрицы, когда на нее поступает сигнал белого, к прозрачности при подаче сигнала черного, с учетом рассеивания в светооптической системе проектора. Но последнее зависит от соотношения размеров черных и белых участков в картинке, т. е. от подаваемого при испытаниях тестового сигнала (у изделий разных фирм этот сигнал различен, и его вид не всегда сообщается).
      Для дальнейшего изложения нам важно подчеркнуть, что, каким бы "контрастным" ни был сам проектор, интервал яркостей спроецированного изображения будет существенно снижен из-за наличия вредной (паразитной) засветки экрана со стороны зала, особенно если демонстрация проводится при не полном, а лишь частичном затемнении помещения.
      Светотехнические характеристики экранов
      Осевой коэффициент яркости экрана (r0) - безразмерный коэффициент, который показывает, насколько ярким получится изображение по оси отраженного или пропущенного (и в обоих случаях как-то рассеянного) экраном светового потока проектора. Для экранов разных типов этот коэффициент может сильно отличаться; в общем случае экран с большим значением r0 обеспечит более яркую картинку.
      Коэффициент отражения экрана (p) показывает интенсивность отражения вредного (паразитного) рассеянного света, попадающего на экран из зрительного зала и ухудшающего контраст демонстрируемого изображения. Аналогичный смысл имеет и приводимый иногда показатель направленности экрана, определяемый как отношение r0 к p. Эти величины важны для проекционных комплексов, используемых при неполном затемнении помещения. Как правило, у бело-матовых экранов p весьма близко к r0 ( p меньше r0 на единицы процентов), а у направленных усиливающих экранов p меньше r0 в несколько раз.
      Диаграмма светораспределения отраженного (пропущенного для экранов на просвет) светового потока (диаграмма направленности экрана). Это график, показывающий, как уменьшается яркость изображения по мере удаления линии взгляда от оси отраженного (пропущенного) экраном светового потока (речь идет о наблюдении того же участка картинки под различными углами по отношению к оси потока). Для бело-матовых отражательных экранов характерна практически равномерная (диффузная) диаграмма до ±75-85° от оси в горизонтальной и вертикальной плоскостях. У усиливающих экранов ширина диаграммы направленности и крутизна ее спада обратно пропорциональны осевому коэффициенту яркости r0 и могут быть различны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При одном и том же r0 лучше тот из экранов, который имеет более пологую диаграмму.
      На рис. 1 показаны диаграммы для нескольких конкретных экранов различных типов.
      Характер отражения светового потока. Направленный экран может отражать поток проектора как зеркало (угол отражения равен углу падения) либо таким образом, что максимум отраженного светового потока (являющийся осью диаграммы направленности) устремлен обратно к проектору независимо от наклона экрана и угла проекции. Первый случай характерен для различных вариантов алюминированных и перламутровых экранов, второй - для бисерных экранов. В первом случае, если аппарат стоит на полу и проекционный луч идет снизу вверх, максимум отражения будет направлен в сторону потолка, а не на зрителей, но для аппарата, подвешенного к потолку, проекция будет вестись сверху вниз и максимум отражения будет направлен к зрителям. Второй случай оптимален, когда проектор установлен внизу, среди зрителей, изображение проецируется слегка вверх, а максимум отражения направлен обратно на зрителей.
      Для экранов на просвет максимум пропущенного светового потока всегда направлен вдоль продолжения луча, связывающего объектив проектора с данной точкой изображения.
      Формулы для расчетов
      Осевое значение яркости изображения (с некоторым упрощением, дающим небольшое занижение величины) можно подсчитать по следующей формуле:
      где Ф – свнтовой поток, лм;
      r₀ – осевой коэффициент яркости экрана;
      W и H – ширина и высота проецируемого изображения, м
      Яркость нормируется для подсчета размеров экрана, который может быть "засвечен" данным проектором.
      При соотношении сторон изображения 3:4 наибольшая возможная диагональ экрана D (в метрах) определяется по формуле:
      где [B₀] – нормативная наименьшая осевая яркость изображения для принятых световых условий, при которых осуществляется демонстрация, кд/м2
      Важно обратить внимание на то, что осевой коэффициент яркости экрана r0 прямо связан с расчетами по формуле (1), а также на то, что для бело-матовых (диффузных) экранов r0 всегда меньше единицы и лежит в пределах 0,77-0,88.
      Ряд изготовителей экранов (повышая приводимые численные значения) сообщают для усиливающих экранов не описанный выше коэффициент r0, а другой, показывающий, насколько осевая яркость изображения на этом экране выше, чем на бело-матовом, при использовании одного и того же проектора. Такой коэффициент нельзя прямо подставлять в формулу (1). Он должен быть умножен на величину r0 бело-матового экрана. При этом, как правило, r0 экрана, который служил эталоном, изготовители "забывают" сообщить. Рекомендуем принимать его значение равным 0,85-0,88.
      По действующим нормам кинофикации яркость изображения на экране в кинотеатрах различного уровня должна находиться в пределах 30-65 кд/м2 (номинальная величина - 40 кд/м2; для простейших, например сельских, киноустановок с лампами накаливания допускается снижение до 25 кд/м2).
      В условиях полного затемнения при расчетах по формуле (2) мы рекомендуем принимать для мультимедийных (видео) проекторов [B0] равным 25 кд/м2. С учетом заложенного при упрощении формул запаса и различия в методиках измерения для кино- и мультимедийных проекторов данная величина при традиционном кинопоказе примерно соответствует 40 кд/м2 или чуть выше.
      В предыдущем номере журнала в статье М.Буравцева "Зачем нам "электронное" кино?" приведена подробная таблица максимальных размеров изображения, которые могут быть получены на отечественном неперфорированном бело-матовом экране (ЭБМ) в условиях полного затемнения зала при указанной выше нормативной осевой яркости. Эти расчеты выполнены по формуле (2). Важно подчеркнуть, что сообщаемые изготовителями проекторов в рекламных проспектах и эксплуатационной документации значения максимального размера экрана и соответствующей ему проекционной дистанции характеризуют лишь возможность фокусировки проекционного объектива, а не возможность получения изображения необходимой яркости.
      При показе обычных (не широкоэкранных) кинофильмов по нормам кинофикации неравномерность яркости по полю изображения должна отвечать следующему требованию: отношение яркости в краевых точках горизонтальной оси изображения на расстоянии 0,1 ширины от границ к величине яркости в центре экрана должно находиться в пределах 0,7-0,9. Как будет рассказано далее, при использовании проекторов с усиливающими экранами неравномерность существенно выше.
       При выборе размеров экрана или помещений, которые могут быть обслужены данным проектором, следует исходить из норм, разработанных для показа обычных (не широкоэкранных) кинофильмов, кинофикации учебных аудиторий и различных залов, в которых проводятся общественные мероприятия, скорректированных с учетом качества (в частности, деталированности) демонстрируемых материалов.
      В комплексах, где основной предъявляемой информацией являются видеозаписи и специально подготовленные компьютерные программы без мелких элементов, ширина экрана не должна быть меньше 1/6 расстояния до последнего ряда. Если используются только видеомагнитофоны формата VHS, ширина экрана может быть уменьшена до 1/7 указанного расстояния.
      При значительной доле компьютерных показов и необходимости сохранения читаемости служебных символов и надписей, видимых на компьютерном мониторе, ширина экрана должна превышать расстояние до последнего ряда мест, деленное на:
      5,4 - при разрешении  640 х 480;
      4,3 - при разрешении  800 х 600;
      3,4 - при разрешении 1024 х 768;
      2,7 - при разрешении 1280 х 1024.
      Первый ряд зрителей должен находиться не ближе 1,44 ширины экрана. По ширине зрительские места в залах с бело-матовыми экранами должны вписываться в сектор ±45°, построенный из центра экрана. При значительной доле компьютерных показов для читаемости служебных символов и надписей сектор нужно уменьшить до величины ±30°.
      Все вышеизложенное в основном относилось к помещениям, полностью затемненным при демонстрации, и использованию обычных бело-матовых экранов. Но для проекторов чаще всего рекомендуют применять усиливающие экраны, т. е. экраны, которые увеличивают яркость изображения в направлении на зрителей за счет перераспределения отраженного (пропущенного) светового потока с бесполезных направлений (на пол, потолок и стены помещений) в сектор нахождения зрителей. При всей заманчивости этой идеи ее плюсы нивелируются довольно существенными минусами, заключающимися в необходимости специального размещения зрителей в относительно ограниченном, как по ширине, так и по высоте, секторе, значительной неравномерности яркости по полю экрана для конкретного зрителя, особенно сидящего в передней половине зала. Чем выше усиливающие свойства экрана, тем больше указанные недостатки. Именно поэтому, как только проекторы стали достаточно мощными, перестали предлагаться и использоваться экраны с большими коэффициентами яркости, а перешли на значения r0 в диапазоне 1,2-3,0. (Кстати, экраны с относительно небольшими коэффициентами яркости в изготовлении сложнее и дороже экранов с большими коэффициентами.) Но избежать использования усиливающих экранов при проведении демонстраций в частично затемненных помещениях в настоящее время нельзя.
      Рассмотрим, что будет происходить при оснащении комплексов усиливающими экранами. Для начала, чтобы лучше понять приведенные выше сведения о характере отражения и форме диаграммы направленности экрана, рассмотрим следующие три примера:
      1) бисерный экран, проектор расположен на подставке на полу (рис. 2);
      2) алюминированный растровый экран, проектор подвешен на потолке (рис. 3);
      3) мягкий просветный экран, проектор установлен в заэкранном пространстве, проекция осуществляется без применения зеркал (рис. 4).
      На рисунках в двух проекциях показаны экран размером W х H, установленный от него на расстоянии Lпр строго по оси в горизонтальной плоскости видеопроектор и условный зритель, сидящий на расстоянии L от экрана в положении, смещенном от оси в горизонтальной плоскости на расстояние C (крайнее место в одном из первых рядов).
      Экран разделен на девять зон (3 х 3). Показаны лучи, идущие из объектива проектора в центры этих зон, и линии взгляда наблюдателя на эти же точки (лучи, идущие от экрана в его глаз). Эллипсы представляют собой индикатрисы яркости, на которых нанесены два вектора - максимальной яркости и яркости в направлении наблюдателя. (Эллипсы изображены условно, на самом деле фигура более похожа на каплю.)
      У бисерного экрана (рис. 2) максимумы индикатрис направлены к объективу проектора. Для определения яркости в центре каждой зоны, воспринимаемой с данного зрительского места, высчитывают углы  b1-b3 и a1-a3 соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях и далее пространственный угол между лучом от объектива проектора в данную точку экрана и лучом от глаза зрителя в эту же точку для центров всех девяти зон. Так как у бисерного экрана падение коэффициента яркости по отношению к оси индикатрисы происходит в любой из плоскостей по одному и тому же закону (см. рис. 1), для каждой точки можно определить по графику коэффициент яркости экрана в направлении наблюдателя, а затем, зная этот коэффициент и распределение светового потока проектора по полю экрана (см. с. 19), подсчитать субъективную яркость всех зон для данного зрителя, выделить максимальную яркость и определить общую неравномерность яркости всего изображения.
      Даже без расчетов, непосредственно из рассмотрения рис. 2, видно, что для изображенного на рисунке наблюдателя максимальная яркость придется на правую зону в нижнем ряду, а минимальная - на левую в верхнем. Яркость всех зон будет расти, а неравномерность яркости уменьшаться, если проектор удаляется от экрана (до определенного предела). Передний ряд не должен находиться слишком близко к экрану. Несколько передних рядов нужно сделать более узкими, чем последующие ряды в зале. Если поднять экран высоко, например установив его в учебной аудитории с ровным полом над меловой доской, то разброс максимальной яркости и неравномерности яркости по полю экрана, воспринимаемых с разных мест по длине помещения, возрастет. (Дополнительный наклон экрана на зрителей позволяет избежать трапециевидных искажений изображения, но практически не влияет на яркость и ее неравномерность.)
      У алюминированного растрового экрана (рис. 3) направления максимумов индикатрис задается равенством угла падения луча, идущего от проектора, и угла, отраженного от экрана в сторону зрителя (зеркальное отражение). Для определения яркости в центре каждой зоны, воспринимаемой с данного зрительского места, сначала высчитывают углы b1-b3 и a1-a3. Далее, если используется экран с небольшим r0 и одинаковым падением коэффициента яркости по отношению к оси индикатрисы в любой плоскости, яркость зон высчитывают так же, как для бисерного экрана. Если же используется экран с большим r0, у которого законы падения яркости в горизонтальной и вертикальной плоскостях разные (график именно для такого экрана показан на рис. 1), то последовательно определяют, пользуясь кривой для горизонтальной плоскости, коэффициент яркости экрана по углам b1-b3, а затем принимают полученные коэффициенты за условные осевые и понижают по кривой для вертикальной плоскости и углам a1-a3.
      Высчитав для каждой зоны коэффициент яркости экрана в направлении наблюдателя и учтя распределение светового потока проектора по полю экрана, определяют субъективную яркость всех зон для данного зрителя, выделяют максимальную яркость и подсчитывают общую неравномерность яркости всего изображения.
      Из рис. 3 следует, что для изображенного наблюдателя максимальная яркость придется на левую зону в среднем ряду, а минимальная - на правую в нижнем. В низких помещениях проектор и экран можно устанавливать вплотную к потолку, но в высоких залах их придется опускать вниз, иначе верхняя часть экрана для зрителей, сидящих в передней половине зала, станет черной. Вариант с установкой проектора на потолке и опусканием только экрана невозможен, так как экран придется наклонять не на зрителей, а от них. Удаление проектора от экрана улучшает ситуацию в горизонтальной плоскости, но уменьшает яркость верхних зон, тем более что спад диаграммы в вертикальной плоскости значительно круче. Для уменьшения неравномерности яркости экран делают вогнутым, подворачивая отраженные лучи к оси помещения, причем либо только в горизонтальной плоскости (цилиндрический экран), либо в обеих плоскостях (экран по сфере большого радиуса). Как при вогнутом, так и при прямом экране передние ряды должны быть заужены.
      У мягкого просветного экрана (рис. 4) максимумы индикатрис направлены по продолжению луча от объектива проектора в данную точку экрана. Сам же зритель смещен от оптимального положения (с продолжения этого луча) как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. Для определения яркости в центре каждой зоны, воспринимаемой с данного зрительского места, высчитывают углы b1-b3 и a1-a3 и далее пространственный угол между продолжением луча от объектива проектора в данную точку экрана и лучом от глаза зрителя в эту же точку для центров всех девяти зон. Поскольку у рассматриваемого экрана падение коэффициента яркости по отношению к оси индикатрисы происходит в любой из плоскостей по одному и тому же закону (рис. 1), для каждой точки можно определить по графику коэффициент яркости экрана в направлении наблюдателя, а затем, зная этот коэффициент и распределение светового потока проектора по полю экрана, подсчитать субъективную яркость всех зон для данного зрителя, выделить максимальную яркость и определить общую неравномерность яркости всего изображения.
      Из рис. 4 видно, что для изображенного наблюдателя максимальная яркость придется на левую нижнюю зону, а минимальная - на правую верхнюю. Яркость всех зон будет расти, а неравномерность яркости уменьшаться, если проектор уносится дальше от экрана, но на практике это трудно реализовать. Вместо этого ведут проекцию немного сверху вниз, так, чтобы осевой луч попадал в глаза наблюдателя, сидящего несколько ближе середины зоны зрительских мест, что "уравнивает" неравномерности распределения яркости экрана для передних и задних рядов. Если требуется значительный угол и в результате изображение станет трапециевидным, дополнительно наклоняют экран на зрителей. Чтобы обеспечить хорошее качество картинки для всех зрителей, в помещениях с ровным полом экран должен быть установлен достаточно низко. Передний ряд не должен находиться слишком близко к экрану. Несколько передних рядов нужно сделать более узкими.