Светотехнические  особенности проектирования комплексов с мультимедийными проекторами

Михаил Буравцев, Дмитрий Синельников

      В первой части статьи (см. "ЦВ", №4'99) мы познакомили читателей с основными светотехническими показателями проекторов, экранов и демонстрируемых изображений, привели терминологию, сообщили некоторые нормы и рекомендации и объяснили особенности получения и рассматривания изображений на усиливающих экранах различных типов.

Влияние вредной засветки экрана

      Укрупненно можно выделить следующие основные условия освещения зала в процессе демонстраций:
       полное затемнение (окон нет или они плотно зашторены, искусственное освещение выключено);
       частичное затемнение при слабой засветке экрана (окон нет или они плотно зашторены, искусственное освещение включено не полностью и только в средней и задней частях помещения);
       частичное затемнение при средней засветке экрана (окон нет или они плотно зашторены, искусственное освещение включено, либо окна зашторены слабо - цветными солнцезащитными, а не плотными светонепроницаемыми шторами);
       специальных средств защиты экрана от засветки нет (штор нет, искусственное освещение может быть включено только полностью).
      При проведении показов в частично затемненных помещениях кроме полезного светового потока проектора на экран попадает и рассеянный свет из зала, который ухудшает качество изображения. Он создает определенную дополнительную освещенность в плоскости экрана. В результате к яркости основного изображения добавляется яркость засветки, которая может быть подсчитана по формуле

      Яркость основного изображения (созданного только световым потоком проектора) на наиболее светлых участках картинки для жидкокристаллических и микрозеркальных проекторов равна яркости белого, рассчитанной по формуле 1 (см. "ЦВ", №4'99). Обозначим ее В_св. Яркость основного изображения на наиболее темных участках, соответствующих уровню черного, определяется по формуле

      После увеличения указанных яркостей основного изображения на добавочную величину от яркости засветки мы получим фактический показатель контрастности картинки, наблюдаемой зрителями:

       Как  видим,  даже небольшая засветка может резко уменьшить контрастность изображения. Например, на бело-матовом экране (ЭБМ) с коэффициентом яркости r₀=0,82 и показателем направленности, равным 1,1, при Всв= 25 кд/м² и К₀ = 200 освещенность вредной засветки всего в 2 лк уменьшит контрастность наблюдаемого изображения до очень низкого значения: К = 42,5. Поэтому в залах, где демонстрации проводятся при частичном затемнении, необходимо значительно увеличивать яркость основного изображения, что достигается уменьшением размеров проецируемого изображения и применением усиливающих экранов, отражающих вредную засветку в несколько раз слабее, чем полезный поток проектора.
      Вредная (паразитная) засветка экрана имеет место и в полностью затемненных помещениях. Она возникает из-за переотражения стенами и потолком зала ушедшего от экрана света. Именно поэтому рекомендуют иметь на первой трети длины помещения матовое, относительно темное покрытие стен и потолка, ступенчатую форму их поверхностей, при которой свет, идущий от экрана, не отражается обратно в его сторону.
      Какую же вредную засветку можно считать допустимой при демонстрациях и каким требованиям должно отвечать "полное" затемнение зала? В случае применения бело-матовых экранов  ответ на этот вопрос довольно прост. При В_св = 25 кд/м² и допущении снижения исходного интервала яркостей (контрастности) изображения проектора 1 : 200 до значения 1 : 50 для отечественных неперфорированных ЭБМ постоянная освещенность вредной (паразитной) засветки в плоскости экрана должна быть не более 1,6 лк. Кроме того, можно допустить кратковременное повышение засветки до 2,6 лк (с падением контрастности до 1 : 35). Использование лучших образцов импортных бело-матовых экранов позволяет увеличить предельные значения засветки не более, чем на 10%. Именно такие описанные выше условия можно считать полным затемнением зала. Чтобы читатели почувствовали, о каких значениях освещенностей идет речь, сообщим, что ночная освещенность, создаваемая полной Луной, равна 0,25 лк. Предельно допустимые падения контрастности изображения при длительном просмотре взяты из экспериментов, многократно проводимых в кинотеатрах.
      Если в конкретном помещении благодаря небольшим размерам экрана достигнута яркость белых участков изображения, большая указанной выше, то допустимые величины освещенности засветки могут быть пропорционально увеличены либо, если они останутся такими же, повысится контраст изображения.

Использование усиливающих экранов

      Усиливающие экраны применяются вместо бело-матовых с одной из следующих целей:
       для увеличения яркости изображения и допустимого уровня вредной засветки экрана при использовании тех же проекторов и сохранении размера изображения (демонстрация при частичном затемнении);
       для установки более слабых и дешевых проекторов при сохранении размеров изображения и допустимого уровня засветки;
       для увеличения размеров изображения при использовании тех же проекторов и сохранении допустимого уровня засветки.
      На практике обычно решается не одна из перечисленных выше задач в чистом виде, а их комбинация. При этом "платой" за повышение яркости или увеличение размеров экрана, либо за удешевление проектора в любом случае является значительное уменьшение размеров зоны размещения зрителей по ширине.
      Исследования фирмы "Гелиос-М" позволяют предложить определенную методику проектирования комплексов с усиливающими экранами, которая в этой статье излагается на примере бисерных отражательных экранов. Введем понятие трех зон (областей) размещения зрителей в зале с точки зрения контрастности изображения и влияния вредной засветки экрана. По аналогии с терминологией, принятой для телевизионных просмотров, назовем эти зоны комфортной, оптимальной и зоной удовлетворительной видимости. Геометрия зон определялась, исходя из требования, чтобы наибольшая яркость экрана при наблюдении с любого, входящего в данную зону, места зрителя превышала аналогичную яркость для бело-матового экрана (используемого в таких же условиях) соответственно не менее чем в 2,5, 2,0 и 1,5 раза. (Отметим, что приведенные величины относятся к краям зон, а на их оси превышение составляет 2,7-3,3 раза для экранов с r₀ = 3.)
      После выполнения большого количества расчетов характеристик изображения для различных мест в зале (по каждому месту для девяти участков экрана, описанных в первой части статьи - см. "ЦВ", №4'99, с. 19), для случая помещения с ровным полом, относительно низким расположением экрана (высота нижней кромки экрана над полом - около 1,4 м) и проектором, установленным на расстоянии равном 2,5 ширины изображения на такой высоте, чтобы сам проектор не заслонял находящимся за ним зрителям экран (типичный случай использования однообъективного мультимедийного видеопроектора с разворачивающимся экраном), получена геометрия трех зон, которая представлена на рис. 5. На рис. 6 показаны зоны для случая, отличающегося от предшествующего только тем, что экран размещен значительно выше, например над меловой доской в учебной аудитории. Символом W на рисунках обозначена ширина экрана. Задняя граница зон на рисунках условно принята равной 7W, но все изложенное в первой части статьи о связи расстояния до последнего ряда мест с деталированностью демонстрируемых изображений остается в силе.
      Сначала охарактеризуем полученные зоны для залов с полным затемнением. В этом случае рекомендуем принять, что яркость наиболее светлого участка изображения (при подаче сигнала белого), наблюдаемого с крайних мест зоны удовлетворительной видимости, должна составлять не менее 25 кд/м², т. е. оставаться такой же, как при использовании бело-матового экрана. ("Выигрыш" от применения усиливающего экрана израсходуем на увеличение размеров изображения, см. ниже.) При этом для указанных крайних зрительских мест яркость самых темных участков изображения экрана будет в 1,1-1,6 раза ниже, получаемой на бело-матовом экране. Однако по мере смещения к продольной оси зон яркость всех участков экрана будет быстро расти. На темных участках она достигнет, а затем превысит соответствующую яркость для бело-матовых экранов, на светлых участках при приближении к оси - превзойдет 50 кд/м².
      Если для размещения зрителей используются только комфортная и оптимальная зоны, требования предыдущего абзаца должны быть реализованы для крайних мест оптимальной зоны. С целью повышения комфортности просмотра в этом случае можно увеличить требуемую яркость наиболее светлого участка изображения до 30 кд/м².
      Под полным затемнением понимается постоянная освещенность вредной (паразитной) засветки в плоскости экрана не более 2,2 лк (при которой на крайних местах зоны удовлетворительной видимости происходит падение исходного интервала яркостей (контрастности) 1: 200 до величины 1 : 40, а для основной массы мест в зале контрастность получается более высокой, чем при использовании бело-матового экрана).
      При размещении зрителей только в комфортной и оптимальной зонах и увеличении требуемой яркости до 30 кд/м² допустимый уровень вредной засветки не должен изменяться, что обеспечит падение контраста не ниже, чем до 1 : 45 на крайних местах оптимальной зоны.
      В чем же заключается главный эффект от применения усиливающего экрана вместо бело-матового в условиях полного затемнения? В том, что, если расположить зрителей только в комфортной зоне, можно при использовании того же проекционного аппарата увеличить диагональ экрана на 58% либо при сохранении размера экрана применить проектор со световым потоком в 2,5 раза меньше. В случае расположения зрителей в комфортной и оптимальной зонах соответственно можно увеличить диагональ экрана на 41% или уменьшить световой поток в 2 раза. В случае использования всех трех зон, включая и зону удовлетворительной видимости, можно увеличить диагональ экрана на 22,5% или уменьшить световой поток в 1,5 раза.
      Перепад яркости между различными участками в пределах изображения (показ равномерного белого или серого поля) для зрителей, находящихся на различных местах в границах всех трех зон, составляет 1 : (1,25-2,4). При этом зависимость величины перепада от места зрителя в зале довольно сложная, но в целом меньшие значения соответствуют местам, находящимся ближе к оси зала и на среднем удалении от экрана.
      В условиях частичного затемнения зала нужно, как и в случае применения бело-матового экрана, уменьшить размер экрана или установить более мощный проектор. При этом будет достигнута яркость наиболее светлого участка изображения, наблюдаемого с крайних мест зоны удовлетворительной видимости, большая чем 25 кд/м², и может быть увеличена допустимая величина освещенности вредной засветки в плоскости экрана. Но в отличие от бело-матового экрана, для которого рост допустимой засветки строго пропорционален росту яркости основного изображения, бисерный экран менее чувствителен к паразитной засветке, и требуемая яркость проецируемого изображения, обеспечивающая заданный контраст, может быть уменьшена в 1,33 раза. То есть, если нам необходимо поднять уровень допустимой засветки в 6 раз, то на бело-матовом экране нужно обеспечить яркость изображения в 150 кд/м², а на бисерном - только в 113 кд/м².

Расчет размеров усиливающего экрана,используемого при частичном затемнении зала

      Из изложенного выше следует, что пользоваться формулами 1 и 2 (см. "ЦВ", №4'99, с. 20-21) в указанном случае затруднительно, так как результат подсчета по ним применим лишь для очень небольшого числа зрителей, сидящих достаточно близко к оси диаграммы направленности экрана. Нужна практическая инженерная методика для расчета размеров изображения требуемого качества, получаемого на усиливающем экране при имеющемся проекционном аппарате в условиях конкретного помещения и уровня вредной засветки. Нами она разработана, опробована и применяется следующим образом.
      После анализа пожеланий заказчика, касающихся назначения, носителей информации и условий работы оборудуемого проекционного комплекса, размеров и геометрии помещения, требуемого количества мест и финансовых возможностей пользователя, определяется место размещения проектора (в зале среди зрителей, на потолке, или в кинобудке), оценивается необходимый размер экрана и выбирается его тип и высота установки. Затем, пользуясь каталогом чертежей зон размещения зрителей, накладывают на план зала схему, соответствующую принятому выше типу экрана и высоте его установки, оценивают получаемое количество мест (либо количество мест из уже установленных в зале, в которых реализуются необходимые условия видимости) и принимают решение - будут ли использоваться только комфортная и оптимальная зоны или все три зоны, включая и зону удовлетворительной видимости.
      При таком подходе наибольшая возможная диагональ экрана D (в метрах) определяется по формуле

      В формуле подразумевается соотношение сторон изображения 3 : 4. Коэффициент    зависит от материала экрана и от того, какие зоны размещения зрителей будут использоваться в этом зале. Для бисерного отражающего экрана:  ню = 2,0 при размещении зрителей только в двух зонах (комфортной и оптимальной) и ню = 1,5 при заполнении зрителями всех трех зон. r₀^эт во всех численных примерах принят равным 0,82.
      Если необходимо подсчитать требуемый световой поток проектора для экрана, размер которого задан заранее, формулу можно переписать в следующем виде:

      В сводной таблице максимальных размеров изображения, которые могут быть получены на отечественном бело-матовом экране и усиливающем бисерном отражающем экране с r₀ = 3 в условиях полного затемнения зала и при двух уровнях вредной засветки, сообщается только размер изображения по диагонали; ширину картинки можно получить умножением диагонали на 0,8, высоту - умножением диагонали на 0,6. Аргумент таблицы - световой поток проектора - задан с густым и неравномерным шагом для удобства пользования приведенными данными. В первый столбец включены величины потоков почти всех известных аппаратов.
      Еще одно замечание. Если не хватает средств на покупку проектора необходимой мощности, вы встанете перед дилеммой: сделать большое, но темное и малоконтрастное изображение, или уменьшить экран до размеров, нормативно обслуживаемых вашим аппаратом в принятых световых условиях. Следует остановиться на втором варианте, несмотря на то, что картинка и будет маловата для оборудуемого зала. Причина для такого выбора следующая. В первом случае всем зрителям в зале будет плохо видно. Во втором - только сидящие на задних рядах не будут различать мелких деталей в изображении.