投影仪知识普及(投影仪相关知识)
前言：
相比电视，投影仪的市场要小得多，根据国内的数据统计，仅有电视市场的十分之一左右。因此网上投影仪的相关资料信息也较少，并且投影仪含有多个光学器件，远比电视复杂，信息中有相当一部分的错漏和不完善之处。甚至于其中一些看起来像是在科普知识的文章，可能是由利益相关者所写，抽取自身有利的知识点对消费者进行洗脑式教育，待到这些片面的信息在消费者的认识里生根发芽后，再利用不对称的信息优势便很容易在此基础上建立一条完美掩盖缺陷、夸大宣传的营销闭环链路。消费者在缺乏全面认识，且基础知识不足的情况下极容易被套路。
鉴于此，一直想写一篇针对消费级投影仪的认识误区、盲区的文章，但一直拿不出大块时间整理信息和数据，只好等到年末假日之时，将一些自己长时间整理筛选的相关信息分享给大家。受本人能力所限，无法对每个专有名词精准解释到位，只能抽选一些易被人误导、混淆的关键之处加以说明，而为了巩固印象，个别之处可能会重复进行强调。因整体篇幅较长，本文采用分篇的方式发布，阅读顺序建议从前往后。另外，为使阅读时不那么枯燥，适当水一点放松放松。
最后，本文无任何相关利益，不在正文或评论回复里推荐任何品牌、任何型号的投影（其实主要是因为没时间……），如果只想看机型推荐建议还是另寻他处。本文主旨是使读者阅后能够了解一点投影仪相关基础知识，消除部分认识误区和盲区，选购时能避开那些显而易见的雷区。
一、此“亮度”非彼亮度
1.1 光度学
“亮度”是投影仪关键性能指标之一。关注投影的人看到“亮度”这个词，大概会想到什么光源/灯泡“亮度”、ANSI“亮度”之类的词。在讲这些问题之前，投影仪参数中标注的“亮度”其实与光学中的亮度其实并不一致，这个最首要的问题必须先要交代清楚，这样才能把后面的陷阱说明白，所以需要从诞生这个参量的光度学说起。
在应用光学分支里，有一门学科叫做光度学，Photometry。光度学，顾名思义就是光的度量学，是门测量光的强弱的学科。这门学科的建立，与瑞士一位身兼数学家、物理学家、化学家、天文学家和哲学家于一身的博学家——约翰·海因里希·朗伯（Johann Heinrich Lambert）有着密切的关系。
朗伯的国籍标注比较乱，因为他出生于米卢斯，在当时是瑞士联邦的同盟国。后来拿破仑时期法国吞并瑞士，米卢斯也就并入了法国，所以现在朗伯的国籍出院了瑞士外也被标为法国。此外，朗伯于1763年开始任职于普鲁士科学院（普鲁士王国）直到晚年，所以一些著作中又将其国籍写为德国。
朗伯12岁因家境贫困而辍学，但他没有放弃学习，且朗伯的运气不错，在权贵家中担任家庭教师的期间，不但结识了许多知名学者，还大量利用东家的私人书库进行学习研究，这为他打下了扎实的学习基础。后来朗伯成为了数学家欧拉的朋友及同事，哲学家康德甚至曾称朗伯是德国排第一的天才。
朗伯于1760年出版了一本名为《Photometria》的书，书名是他用photo+metria两个单词合成的自造词，如果直译就是“光的测量”。书中展示了这5年间他所做的40个光学实验，将前人的定律与自己的实验结果进行了整合，建立了较为完备的测量方法。多年之后，朗伯的自造词被沿用到了学科的命名上，一些书籍也将朗伯称为光度学创始人、建立者。
光度学以人眼特性为基础测量光，所以只针对可见光部分，这些测量的量称为心理物理量，与人眼脱不开关系。与之对应的是以测量客观物理量为基础的辐射度学。辐射度学研究包含可见光在内的所有电磁辐射的测量，且如今的光度学的基本量都是由辐射度学来测定并通过视见函数转换而来的，现代的光度学只是辐射度学的一个特殊小分支。但这并不妨碍我们去认识传统的光度学，哪怕这些测量方法手段不再精准，现在仍然也会有派上用场的时候，就比如下文要说的投影仪的光测量。
1.2 光度学参量
中学阶段的国内物理课程内没有安排光度学，而大学里即使有也因为篇幅很小，要么揉到辐射度学里的一个小节，要么放在光学里讲几个参量一遍就过，我的光学老师甚至连定律都没讲
不过朗伯在写书时做的一系列光学实验，也就只有蜡烛、镜子、透镜、尺子、纸板等极为简单的实验器材，数学工具也只用到了微积分的基础知识而已，所以对于传统光度学我们也无需太过畏惧。
为方便理解下文，这里简单学习几个的光度学参量的定义：
光通量，luminous flux，人眼所能感觉到的可见光的功率。单位为流明lumen，符号lm。
光强，luminous intensity，光源在给定方向上，单位立体角内所发出的光通量。单位为坎德拉candela，符号cd。
照度（为区别辐照度，也称光照度），illuminance，单位面积上所接受的光通量。单位为勒克斯lux，符号lx。
亮度（为区别辐亮度，也称光亮度），luminance，可见光在垂直其光传输方向的平面上的正投影单位表面积、单位立体角内发出的光通量。单位为坎德拉每平方米，符号cd/m^2，以前叫尼特nit，同义。类似的还有熙提，把平方米改成了平方厘米，1万倍的关系。
朗伯，lambert，以朗伯自身为命名，10000乘以坎德拉每平方米再除以π，符号L。比上述的亮度luminance大了1万倍（也就是熙提），多除了个π是为了一些场合下方便计算，本质上它还是亮度。单位里的公米后来被换成了英制单位的英尺，于是又有了“英尺朗伯”foot-lambert单位，符号写成fl或ft-L。把公米换算成英尺后再除以π，最终1ft-L大约是3.43倍的cd/m^2，而1L大约是929倍的ft-L。虽然投影方面用得较少，但在展厅、影院等使用英制单位的场景中经常会使用英尺朗伯。
实际上光强的坎德拉才是基本量，而流明等其他参量是其导出量，这里将上述量以光通量的形式来表达是因为光通量对投影极其重要，且下文计算中也会用的到。
1.3 Brightness的真相
留意过投影仪外包装的话，会发现参数栏里的“亮度”，其对应的英文名为brightness，而单位是流明lumen。根据上述的这些定义，这个以流明为单位的brightness，显然不是亮度luminance，而是光通量luminous flux本尊。
那么，为何多此一举把光通量luminous flux写成brightness，查了下发现这锅可能得美国佬背。
也许是为了撇开生涩的物理名词有利于普及推广，美国联邦贸易委员会（FTC）制定了一项规定，要求把灯泡的光通量统统标注成“brightness”。而以灯泡为光源的投影仪标注brightness，也算是沿用了此规定。Brightness本来是人对明暗的感官认识，没有单位来衡量，被FTC这么一规定，却统统变成了光通量。
1.4 亮度与“亮度” 译名混淆
直接看英文还好，毕竟亮度的luminance和“亮度”的brightness是拼写完全不同的两个单词，还能区分一下。但中文翻译可没有对brightness采取特殊处理，译者一看词根的bright是发光发亮，又有个名词词缀-ness，于是理所当然也意译成了“亮度”。即使在FTC出台规定之后，这个“亮度”的中文译法也依然未变，这导致了中文语境下，brightness的这个“亮度”与物理量亮度的luminance产生了名词混淆。
所以再次强调，投影仪的“亮度” brightness实际上是光通量，中文行业语境下也称光输出，而非物理量亮度的luminance。为了以示区分，本文凡是光通量brightness，即投影仪的“亮度”，都会加引号，而物理量亮度luminance不加引号。
目前仍有厂商坚持使用光通量而非“亮度”来对投影仪标注，比如爱普生的日文官网使用的就是「光束」一词，这其实就是光通量的日文译名。
顺便一提，光度学中日文的「輝度」对应中文的物理量亮度，而「光度」对应中文的光强。光度学中这几个“x度”的词在大陆基本已被后种译法所替代，但在港台等某些使用汉字的地区还有在继续使用前者的情况。另外，其他一些学科里也有使用该名词的情况，比如天文学里的天体光度luminosity（单位为瓦特），需要注意区分。百度百科上把光度学的英文名安上了个luminosity，实属驴唇马嘴。
二、ANSI与其他标准
（标准基本都是付费版权资料，本文只展示部分免费资料，有兴趣可自行付费购买查阅原件。)
2.1 ANSI标准
美国国家标准学会（缩写ANSI）于1992年制定了一份编号为IT7.215的测量投影仪光通量的标准，这就是ANSI流明方法，由这种方法测量得出的光通量数值，即为ANSI lumens，ANSI流明。这份IT7.215的具体测量细节无法免费浏览（付费，25美刀），根据别人透露的信息总结，是在固定距离2.4米处，25度室温下，预热15分钟后的投影在固定面积（对角线60英寸，4:3比例）的幕布上投射一张铺满幕布均等分为6格的图片，6格分别为0%、5%、10%、90%、95%、100%的白色矩形用以调节投影的对比度，当6格都能被人眼清晰识别后，再改用纯白色图（一般称为100%全白场信号），此时在幕布上均分9份区域，测量9份区域的每份中心处的照度并取9份平均值，再将其结果乘以总面积，最终得出的光通量的数值（一般称为lightoutput，中文译为光输出）。
这里最关键的是，ANSI方法直接测量的不是亮度luminance也不是“亮度” brightness，而是照度illuminance，用照度乘以面积再计算成光通量，然后根据上述FTC的要求把光通量数值即流明值标注到brightness栏里，即得出了投影仪所谓的“亮度”，这其实就是朗伯光度学的应用。
IT7.215标准在沿用了6年之后的1998年，ANSI又对其进行了更新和补充，建立了新的IT7.227标准（针对固定分辨率投影是IT7.228标准，227是我们常见的可变分辨率投影）取代之前的IT7.215，比如用来防止作弊的预设调节图分别多了一个85%和15%白色的格子，共有8格，并且上下两列中间和四周都有间隔，不再铺满全屏。此后ANSI再无对其进行更新。ANSI停下了脚步，但其他标准蠢蠢欲动。
2.2 IEC标准
4年之后，国际电工委员会（IEC）于2002年8月在ANSI IT7.227标准的基础上，发布了IEC 61947-1标准（付费，205瑞士法郎）。IEC 61947-1在“亮度”测量方面和IT7.227其实并无多大差距，用的还是ANSI的九点测量照度法。11个月后，2003年7月，ANSI才正式宣布IT7.227落下了帷幕。所以在IEC实行初期IT7.227还未完全停用，当时依然是ANSI的天下，只有少数日系投影产品使用IEC标准。
2.3 AVIXA标准
毕竟IEC是总部在日内瓦的国际组织，并不扎根于美国本土。于是一个诞生于北美的经销商团体AVIXA（没看错，就是经销售而非投影生产厂商），于2011年在ANSI的基础上也提出了Projected Image SystemContrast Ratio，缩写为PISCR的新标准。出版后的标准名为《ANSI/INFOCOMM 3M-2011》（付费，75美刀），随后又改名为Image System ContrastRatio，把开头的Projected给剔除了。准确来说，AVIXA的标准是专注于投影仪对比度测试的标准，比如它跟ANSI、IEC的测量方式里的4x4黑白棋盘图一样，但多了些使用场景分类的新花样……这里提及是因为它跟ANSI也有关系。
改来改去的标准名暂不吐槽，万金油的3M公司也不解释了，前面这个INFOCOMM是AVIXA举办的展会名，同时也是AVIXA之前所使用过的团体名称，再前面的ANSI则是因为AVIXA是ANSI的共识机构（consensus body），所以AVIXA送审ANSI并通过的标准，ANSI也对其承认。显然AVIXA作为ANSI的共识机构希望也能分一杯羹，而且举办展会还能给成员带带货。可AVIXA终究不是ANSI本体，号召力有限，并没有看到哪家厂商采用这个标准，大概也没有哪个厂商愿意被经销商所控制吧。
2.4 SID/ICDM标准
和上述AVIXA商人们的行会组织不同，SID其全称为The Society for InformationDisplay，是早期IRE（后为IEEE，电气电子工程师学会）成员所建立的学术性的学会，而ICDM全称International Committee forDisplay Metrology则为其属的显示计量学委员会。2012年6月1日，隶属SID的ICDM发布了第一版Information Display Measurements Standard，这个标准一般简称为IDMS，提供免费下载，最新版本为今年下半年才更新的1.1版。IDMS可谓是超级大乱炖，能想到的和投影有点关系的几乎都含了进去，一共810页之多（没记错的话上一版还只有550页而已），内容图文并茂，甚至还配有彩色的漫画…当然，测量光通量其实还是ANSI方法（图1）。但ICDM同时，注意，是同时，还提出了一种叫做Color Light Output的测试项目，简称为CLO。这里暂且不提，稍后会再次涉及。
图1 IDMS沿用ANSI测量方法
2.5 ISO/IEC标准
2.5.1 标准概况
ISO（国际标准化组织）和IEC同为国际性组织，两者之间有合作关系，所以其制定的标准也存在互相引用的性质。IEC发布61947-1三年后的2005年8月26日，ISO和IEC共同发布了ISO/IEC 21118:2005标准，页数只有15页，比IEC当时的30来页反而还减少了一半，当然主要原因是里面引用的其他标准均未具体展开进行描述，只写个编号而已。随后ISO21118成为了继ANSI IT7.227之后，在世界范围内所通用的标准（日本于次年通过了国内实施ISO标准，所以日系产品会标注ISO流明）。经过几次的迭代更新，截至本文撰写时间（2021年12月31日），目前该标准最新版为2020年2月1日发布的2020年版，即ISO/IEC 21118:2020（付费，118瑞士法郎）。
ISO21118主要包含了5个大项的测试，分别是光源、音频输出、底噪、最大功耗、标准功耗。光源部分含有“亮度”、对比度、均匀度几个小项，其中“亮度”部分的测试，依然还是继续沿用了IEC 61947-1中的测试方法，预调节图也沿用了8格图，只是对个别测试环境做了调整。比如上世纪90年代，距离2.4米远的三枪CRT投影仪只能投出60寸画面，投射比仅仅为2.4m/0.74m=3.24，而在今天，家用长焦投影普遍为1.1-1.7投射比的年代里简直无法想象，于是ISO标准里将幕布的尺寸面积以及按投射比的距离都设置了可调整的区间，但总体上测试方法本身没有改变，还是ANSI的9点照度平均法，所以ISO流明的测试结果也并不会与ANSI的有大数值上的出入。
2.5.1 ISO流明的认识误区
某些媒体宣称ISO流明数值是ANSI流明的几倍的言论，纯属无稽之谈。他们的逻辑很奇特，“因为ISO测的叫流明，ANSI测的叫ANSI流明，而流明数值是ANSI流明的几倍，所以ISO的结果就是ANSI的几倍”。很明显，这是把造假的流明（比如什么光源流明）和ISO流明混为一谈了。客观上的确存在流明造假的乱象，但造假的流明数值不能让ISO标准来背锅，这些几倍的结果并不是在ISO标准下测出来的。
2.5.3 ISO流明的负偏离容许度
除此以外，网上还流传着“ANSI流明与ISO流明的转换比例为1:0.8”这种错误的表达关系，极有可能是刚好给搞反了…结果一传十十传百，不知误导多少人。正确的数值是ANSI流明:ISO流明 = 0.85:1。
这是因为ANSI容许的“亮度”偏离范围在-5%至+10%，（消费者求之不得的正向偏离可以忽略，只看5%的负偏离），而ISO标准里要求实际输出为不得低于80%的测量值，也就是说最多允许的负向偏离为20%。即使二者的测量方式大同小异，但因为ISO标准里的20%的容许度远超了ANSI的5%，一些厂商利用该规则把ISO流明数值默认加上了20%，一定程度上造成数值放大。可按照偏离差距，去除多余的15%，整理为下列关系式：
ANSI流明 = ISO流明 × [1-(20%-5%)]
最终，这种0.85的比例关系在部分产品上也得以体现，随便找了两个例子，比如科视（Christie）LWU900-DS的9500的ISO 流明与8000的ANSI流明，巴克（Barco）G100-W19的19000 ISO流明与16000的ANSI流明，两者算下来的比值都十分接近该等式的倍数关系。
ISO拿出20%负偏离，可能是为了照顾元器件性能不均而留有的余地，而厂商认为这是大幅“提升”数值的机会，所以在Projector Central这样的第三方评测里，经常出现一些投影测下来就是达不到标称的80%，跟厂商交涉只能得到厂商那边“这是测量环境的有所差异”诸如此类的官方式答复。久而久之，现在ISO的这个20%的偏离容许度被一些媒体就概括成了“投影虚标20%”，可能这话于那些对自家产品有信心、认真做产品的厂商并不公平，但也确实反映出了一些流明注水的现状。
2.5.4 ISO流明数值与ANSI流明数值相等的情况
需要注意，并非所有的厂商都如科视和巴克这样标注成有差异的数值。比如明基的美国官网和中国官网，“亮度”参数只是分别写成ANSI流明和ISO流明而已（图2、图3），两者的流明数值本身没有丝毫的改动，完全一致；再比如宏碁美国官网，标注的都是ANSI流明数值，但后面括号备注了“Compliantwith ISO 21118 standard”（图4），即符合ISO标准的ANSI，将两者合二为一。
图2 明基TH685国内官网参数
图3 明基TH685美国官网参数
图4 宏碁官网将ANSI与ISO标准合二为一
所以，消费者无需太过纠结换算比例，默认两者标准下的“亮度”相等且通用即可。实在不满意两者数值相等的，大不了可以自己手动去除那15%或20%的流明数值。
2.6 中国标准
国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会于2011年10月31日发布了GB/T 28037-2011，《信息技术 投影机通用规范》。这是国内政府机构和国外的几大投影厂商联合起草了三年之久的规范，内容参考了上述的ISO/IEC 21118:2005标准，所以“亮度”测量方式和ISO/IEC一模一样，依然是对ANSI的继承。
除了国家标准外，比如还有电子行业（行业标准）的SJ/T11346-2015《电子投影机测量方法》，中国电子视像行业协会（团体标准）的T/CVIA-90-2021《LED智能投影仪技术规范》，这些标准规范的“亮度”测试，要么引用国标GB/T 28037-2011，要么就是照着ANSI或ISO/IEC标准修改、补充而来，这里就不具体展开了。
2.7 活的灵魂
虽然ANSI IT7.215/227已经废止了这么多年，但它测试“亮度”的灵魂还活在其他标准里
三、照度和朗伯定律
3.1 照度定义
单看照度字面illuminance，比亮度luminance多了个il-前缀，有种“进入”的意思，它是单位面积上入射光的光通量。一体式照度计的测量位置是在仪器的正面而非背后，使用时照度计必须尽可能贴紧待测幕布，不能留出空间，否则测的不是幕布前的照度，而是无用的幕布前的空气照度。
正因为ANSI基于朗伯光度学制定的测量照度法简易实用，使得IEC和ISO等一大批标准都沿用了ANSI方法。毕竟观影时没人会肉眼直视投影仪的灯泡，用户看的无非是幕布而已，而ANSI把幕布分成9分，测量9点中心照度再平均化，最后乘以面积得出“亮度”，只需要一份百元人民币不到的照度计，只要会算幕布的面积会算乘除法，任何人都可以在家自行测试，绕开了昂贵的光度计，普及了投影仪的“亮度”测量方法。
3.2 照度与亮度、“亮度”与亮度的关系，朗伯定律
在理解了上述 “亮度”和照度的关系之后，现在可以再进一步，来做照度与亮度的转换。从定义上来看，虽然两者都与光通量相关，但照度是单位面积下的，而亮度则是单位立体角、单位投影表面积下的，不能直接划等号而需要公式进行转换。
投影仪工作时，光从投影仪出射，垂直入射至幕布，再经幕布反射至人眼，由人眼的角膜晶体等折射成像于视网膜上。其中反射这一过程，可将其视为均匀的理想反射（朗伯体），运用光度学各参量定义和朗伯余弦定律，来推出转换关系式。
图5 朗伯体半球反射（译自ccs网站，侵删）
取法线夹角方向的微小角度，可在半球表面可截出一个环，计算微小面元和其对应的立体角（图5），然后根据光通量的定义对立体角积分并乘以光强，计算得出射光的光通量为π乘以光强；且根据定义使用光强和面积投影计算亮度时，光强代入朗伯余弦定律（图5）使得角度影响得以抵消，这里出射光通量和入射光通量以反射率ρ倍关系来表示（朗伯体），以及按照度定义将光通量转为照度与面积的乘积，最终便会得到下列非常简洁的关系公式：
亮度 = 照度 × ρ幕布反射率(screen gain，也有人译为“幕布增益”） ÷ π
把照度以入射光通量（即投影光通量）表示，便还原得到亮度和光通量“亮度”的转换：
亮度 = (光通量 ÷ 投影面积) × 幕布反射率 ÷ π，
或，
光通量 = 亮度 × π × 投影面积 ÷ 幕布反射率
顺便，如果是用前面提过的朗伯亮度单位，这里就能把π也给消掉，简化计算。
其实上述这些朗伯体转换公式早已证明并写入了教科书，直接套用即可。网上流传着一种带有0.635系数的换算方法，但我没有看到这个系数的具体说明，不清楚这个0.635的系数是从空间反射系数还是什么其他地方而来，总之推荐使用上述标准公式进行计算。
亮度在日常生活中随处可见，手机、显示器、电视等，关注过数码产品的人对它们的cd/m^2（或nit）这个数值并不陌生，在购买投影前，可以借用熟知的亮度数值来大致感受下投影的“亮度”。比如目前千元级档次的入门款电视，峰值亮度基本都是在200cd/m^2（nit）左右。所以在常见的0.9反射率（增益）的16:9比例的100英寸幕布上，如要达到入门款电视同等的200cd/m^2的亮度，代入上述公式，可计算需求光通量“亮度”流明为：
200cd/m^2 × π × 2.7567m^2（100寸16:9幕布面积）÷ 0.9 = 1923lm
在0.9反射率的16:9 120寸幕布上如要达到200 cd/m^2（nit）的亮度，需要光通量“亮度”流明为：
200cd/m^2 × π × 3.9697m^2（120寸16:9幕布面积）÷ 0.9 = 2770lm
必须注意，这里计算得出的流明数值仅供参考。该公式是在理想反射朗伯体下得以成立，消除了所有角度的影响，且最关键的是完全没考虑照明等环境光的影响。一般情况下，实际对投影仪“亮度”的要求肯定比上式算出的还要高不少，所以具体得视使用环境而定。
另外，著名显示器厂商EIZO在自家平台上，提供了一份投影仪在各尺寸下16:10幕布上达到350 cd/m^2的流明数值参考（图6，最右列），计算方法、幕布反射率同上。
图6 EIZO 流明参考表（取自EIZO官网，侵删）
（未完待续）
