超高清電視清晰度和細(xì)節(jié)表現(xiàn)力測(cè)量方法探討

溫 娜，阮衛(wèi)泓，吳蔚華，李 強(qiáng)，謝于迪

（國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015）

超高清晰度電視（Ultra High Definition Television，UHDTV）是比高清晰度電視（High Definiton Television，HDTV）級(jí)別更高的數(shù)字電視圖像顯示格式。2012年8月，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）宣布推出UHDTV國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ITURBT.2020[1]。標(biāo)準(zhǔn)中推薦了3 840×2 160（簡(jiǎn)稱(chēng)4K）和7 680×4 320（簡(jiǎn)稱(chēng)8K）兩種級(jí)別的畫(huà)面有效像素陣列，4K和8K格式畫(huà)面有效像素?cái)?shù)分別為HDTV的4倍和16倍，其寬視野、大動(dòng)態(tài)范圍、廣色域、高精細(xì)圖像等優(yōu)點(diǎn)，為觀眾提供更加真實(shí)的視聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)[2]?？梢?jiàn)，超高清電視技術(shù)是電視技術(shù)的一大飛躍。如何科學(xué)評(píng)價(jià)超高清晰度電視的重要特征——超高清晰度是數(shù)字電視顯示性能檢測(cè)領(lǐng)域需要研究的問(wèn)題。

本文首先總結(jié)了電視清晰度理論值，然后從人眼的視覺(jué)特性出發(fā)，分析了超高清電視與HDTV的差異，提出了“細(xì)節(jié)表現(xiàn)力”的概念，用來(lái)評(píng)價(jià)被測(cè)設(shè)備顯示圖像細(xì)節(jié)的表現(xiàn)能力。然后對(duì)超高清電視的清晰度和細(xì)節(jié)表現(xiàn)力的測(cè)量進(jìn)行了討論研究。

1 電視清晰度理論值

對(duì)于數(shù)字顯示器顯示細(xì)節(jié)的能力，國(guó)際上通行的考核指標(biāo)是固有分辨力，即屏幕的水平和垂直像素?cái)?shù)，并不從人眼實(shí)際感受的角度出發(fā)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在中國(guó)，則采用清晰度這個(gè)參數(shù)，結(jié)合規(guī)定的重顯率進(jìn)行考核。清晰度是人眼能察覺(jué)到的電視圖像細(xì)節(jié)的清晰程度，用電視線(xiàn)表示。按圖像和視覺(jué)特點(diǎn)，清晰度一般從水平和垂直兩個(gè)方向描述。電視線(xiàn)與垂直方向1個(gè)有效掃描行高度相對(duì)應(yīng)。

垂直清晰度理論上限值為1幀圖像有效掃描行數(shù)，對(duì)于4K UHDTV就是2 160行，即2 160電視線(xiàn)，8K UH?DTV為4 320行，即4 320電視線(xiàn)；水平清晰度取決于行內(nèi)有效樣點(diǎn)數(shù)，但不等于亮度信號(hào)1行內(nèi)有效像素?cái)?shù)，因?yàn)樗角逦纫灿秒娨暰€(xiàn)表示，要折算到掃描行，因此，人眼在水平方向分辨圖像能力與垂直方向相當(dāng)，4K和8K電視水平清晰度理論值分別為2 160和4 320電視線(xiàn)。

2 人眼細(xì)節(jié)分辨極限

式中：λ是光波波長(zhǎng)；D是入射光瞳的直徑。若人眼瞳孔直徑為3 mm，光波平均波長(zhǎng)為550 nm。d是人眼與屏幕的距離。那么人眼對(duì)圖像的最小分辨線(xiàn)距離為

既然中國(guó)采用主觀評(píng)測(cè)的方法考察電視清晰度，那么首先要了解人眼細(xì)節(jié)分辨的特性。人眼存在極限分辨角θ[3]

若測(cè)試人員站在距離屏幕d=25 cm明視距離處，則Δl=0.056 mm，即剛好能看到數(shù)字圖像的像素間距為0.056 mm，如果小于此值則無(wú)法分辨。當(dāng)前業(yè)內(nèi)很多廠(chǎng)家采用PPI來(lái)描述屏幕顯示的物理分辨力，表示屏幕每英寸具有的像素?cái)?shù)量，根據(jù)上述計(jì)算可以折算出人眼在明視距離25 cm處能觀測(cè)到的PPI極限為=453 PPI，即當(dāng)屏幕的PPI超過(guò)453，則人眼無(wú)法分辨出更細(xì)節(jié)信息。因此，對(duì)于超高清電視顯示，如果出現(xiàn)上述PPI超過(guò)人眼極限情況，則測(cè)量人員無(wú)法直接讀出清晰度值。

3 中國(guó)現(xiàn)行高清電視清晰度測(cè)量方法

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，顯示圖像的清晰度測(cè)量要結(jié)合人眼視覺(jué)系統(tǒng)特性，采用主觀法評(píng)價(jià)顯示設(shè)備清晰顯示圖像的效果，通常采用楔形線(xiàn)圖案。在SJ/T 11348—2006《數(shù)字電視平板顯示器測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了顯示圖像的清晰度測(cè)量方法。高清晰度復(fù)合測(cè)試圖中設(shè)計(jì)有清晰度楔形線(xiàn)（見(jiàn)圖1），采用主觀法觀察電視水平和垂直方向可分辨的明暗交替楔形線(xiàn)條總數(shù)[4]。將顯示器調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)，將復(fù)合測(cè)試信號(hào)輸入顯示器，觀測(cè)顯示圖像的楔形線(xiàn)簇，記錄顯示器正確顯示楔形線(xiàn)對(duì)應(yīng)的刻度值（電視線(xiàn)）。楔形線(xiàn)簇有10黑9白線(xiàn)，如果出現(xiàn)無(wú)法完全顯示、楔形線(xiàn)線(xiàn)條對(duì)比度下降、明暗條紋的反差變小、條紋的邊界變模糊、楔形線(xiàn)數(shù)發(fā)生變化（如由9條變?yōu)?條等現(xiàn)象），則認(rèn)為對(duì)應(yīng)空間頻率降低，清晰度下降。由于楔形線(xiàn)的空間頻率在長(zhǎng)度方向呈線(xiàn)性變化，因此由單一測(cè)試圖就可以直接讀出清晰度數(shù)值。

對(duì)于超高清4K的清晰度測(cè)量，在參考原有清晰度測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，制作3 840×2 160格式的復(fù)合測(cè)試圖（目前中心已開(kāi)展相關(guān)工作），直接對(duì)超高清電視進(jìn)行清晰度測(cè)量。

4 細(xì)節(jié)表現(xiàn)力

清晰度考查的是人眼觀看電視圖像細(xì)節(jié)的效果，而比較相同尺寸的超高清電視和高清電視，超高清電視的PPI比高清電視的增加一倍，像素尺寸明顯減小。按照人眼細(xì)節(jié)分辨極限理論，在屏幕高度1.5倍的距離處，人眼可以清晰地分辨每個(gè)像素，但在實(shí)際應(yīng)用中，人眼可能無(wú)法清晰分辨單個(gè)像素，特別是小尺寸超高清電視。為了客觀評(píng)價(jià)超高清電視的圖像細(xì)節(jié)顯示能力，與傳統(tǒng)的“清晰度”概念明確區(qū)分，本文提出一個(gè)新的概念“細(xì)節(jié)表現(xiàn)力”。細(xì)節(jié)表現(xiàn)力表征的是顯示設(shè)備顯示圖像細(xì)節(jié)的能力，和人眼視覺(jué)特性無(wú)關(guān)，這個(gè)參數(shù)能夠客觀評(píng)價(jià)產(chǎn)品的顯示水平。

5 超高清電視清晰度和細(xì)節(jié)表現(xiàn)力的測(cè)量方法

5.1 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量距離

用視銳度來(lái)描述視覺(jué)系統(tǒng)的空間分辨能力，也可以認(rèn)為它是人眼感受精確細(xì)節(jié)的能力。眼睛的衍射、偏差和感受神經(jīng)密度都可以影響視銳度[5]。實(shí)驗(yàn)證明大多數(shù)人的最小視角為1分視角，故正常眼的分辨力標(biāo)準(zhǔn)定義為1分視角，分視角單位：1 min of arc。簡(jiǎn)單言之就是只有在兩條黑線(xiàn)之間存在一個(gè)能辨別的間隔的時(shí)候，人眼才能區(qū)分這兩條黑線(xiàn)。通常采用正弦光柵方法測(cè)量視銳度。視角換算示意圖見(jiàn)圖2。

對(duì)于顯示系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，1分視角剛好能辨別兩條黑線(xiàn)的差別，此時(shí)所處的位置即最佳觀看距離。對(duì)于4K電視，其垂直方向的角度滿(mǎn)足下列公式

當(dāng)d=1.5H（H為屏幕有效高度）時(shí)，垂直方向2 160電視線(xiàn)中每條線(xiàn)對(duì)應(yīng)的視角為

即1.5H為能夠清晰看到電視線(xiàn)的最大距離。此時(shí)，剛好1分視角對(duì)應(yīng)1掃描行。由于人眼能夠看清物體所處的距離具有一定范圍，當(dāng)肌肉在最緊張時(shí)（通過(guò)調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最近的點(diǎn)稱(chēng)為近點(diǎn)，其相應(yīng)距離稱(chēng)為近點(diǎn)距，不同年齡人群的近點(diǎn)距數(shù)值不同，隨著年齡增長(zhǎng)近點(diǎn)距變大，范圍在8.8～100 cm不等[6]。因此，人眼的可視范圍是眼前8.8 cm到無(wú)限遠(yuǎn)，理論上站在測(cè)量人員近點(diǎn)距至1.5H的距離范圍內(nèi)觀看都能看到垂直清晰度2 160線(xiàn)。若觀看距離大于1.5H，則以正常視力觀眾無(wú)法區(qū)分掃描線(xiàn)結(jié)構(gòu)。若觀看距離過(guò)近，則會(huì)電視畫(huà)面不夠細(xì)膩。因此，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量距離為1.5倍屏幕高度。

5.2 超高清電視清晰度測(cè)量方法

將高清晰度復(fù)合測(cè)量圖升級(jí)為超高清格式即可進(jìn)行超高清電視清晰度測(cè)量，測(cè)量方法與高清晰度電視清晰度測(cè)量方法一致。然而，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)測(cè)量人員無(wú)論多近測(cè)量距離都無(wú)法讀出清晰度數(shù)據(jù)，分析原因，可能由于電視屏幕PPI大于人眼極限分辨能力造成。為解決這一問(wèn)題，本文試圖搜集整理相關(guān)清晰度的測(cè)試方法，避免由于人眼參與測(cè)量而帶來(lái)的問(wèn)題。

1）軟件判讀方法

前面提到的采用主觀測(cè)量，楔形線(xiàn)簇作為測(cè)量圖的方法國(guó)際上有類(lèi)似標(biāo)準(zhǔn)采用，比如ISO組織在制定數(shù)碼相機(jī)分辨力測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)也采用了楔形線(xiàn)圖案。如在ISO12233：2000 Photography-Electronic still-picture cam?eras-resolution measurements標(biāo)準(zhǔn)中，提出采用讀取楔形線(xiàn)線(xiàn)數(shù)的方法確定相機(jī)的分辨率（見(jiàn)圖3測(cè)量圖）。而在2003年相機(jī)影像器材工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)頒布的《數(shù)碼相機(jī)分辨率的測(cè)量方法》[7]中規(guī)定了采用ISO12233標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量卡（見(jiàn)圖4），采用軟件計(jì)算的方法計(jì)算該分辨率，避免了測(cè)量人員的主觀性影響，再現(xiàn)性好。中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19953—2005《數(shù)碼照相機(jī)分辨率的測(cè)量》[8]中也非等效采用了ISO12233：2000標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中提出了幾種判讀方式：打印機(jī)輸出、監(jiān)視器顯示、軟件判讀。該方法對(duì)超高清晰度電視清晰度測(cè)量具有啟發(fā)意義。但在測(cè)量時(shí)，對(duì)打印機(jī)、監(jiān)視器等的性能要求會(huì)很高。

2）輔助工具測(cè)量法

當(dāng)電視像素間距過(guò)小，測(cè)量人員主觀觀看無(wú)法區(qū)分時(shí)，可以采用輔助工作來(lái)完成測(cè)量。

（1）采用放大鏡觀看直接讀取數(shù)值。

（2）采用相機(jī)拍照的方法輔助測(cè)量。步驟如下：①將清晰度測(cè)量卡輸入到電視至顯示；

②采用高分辨力的相機(jī)對(duì)電視顯示進(jìn)行拍照，相機(jī)的分辨力要滿(mǎn)足至少是顯示設(shè)備分辨力的2倍；

③照片方法回放，采用主觀方法讀取電視線(xiàn)數(shù)。

但是采用這種方法時(shí)要注意避免由相機(jī)本身帶來(lái)的偽像影響讀數(shù)。如幾何失真應(yīng)小于5%，相機(jī)進(jìn)行了gam?ma矯正等。

5.3 細(xì)節(jié)表現(xiàn)力測(cè)量方法

下面探討細(xì)節(jié)表現(xiàn)力的測(cè)量方法。為避免人眼參與測(cè)量帶來(lái)的影響，考察被測(cè)設(shè)備本身細(xì)節(jié)表現(xiàn)力，可采用儀器測(cè)量方法避免測(cè)量的主觀性。在IDMS 1.03標(biāo)準(zhǔn)的7.8節(jié)中提出了基于對(duì)比調(diào)制門(mén)限的測(cè)量方法[9]。測(cè)量圖為全屏的黑白交替顯示圖，黑線(xiàn)和白線(xiàn)的寬度為n個(gè)像素寬度。下面采用該標(biāo)準(zhǔn)提出的測(cè)量方法來(lái)測(cè)量細(xì)節(jié)表現(xiàn)力。

定義對(duì)比調(diào)制Cm為

式中：Lw是白線(xiàn)的亮度；Lb是黑線(xiàn)的亮度。令對(duì)比調(diào)制的最小值，即對(duì)比調(diào)制門(mén)限為CT，那么分辨率為

此處，nr是與對(duì)比調(diào)制Cm有關(guān)的參量，定義它是當(dāng)對(duì)比調(diào)制Cm等于CT時(shí)，像素條紋線(xiàn)的寬度，當(dāng)nr=1時(shí)，細(xì)節(jié)表現(xiàn)力等于物理像素行數(shù)，對(duì)于4K電視，就是2 160。

用Cm（n）表示采用n×n個(gè)像素寬度的條紋測(cè)量圖對(duì)應(yīng)的對(duì)比調(diào)制。

如果Cm（1）＞CT，那么nr=1，細(xì)節(jié)表現(xiàn)力等于尋址的像素?cái)?shù)；

如果Cm（1）≤CT，那么對(duì)于Cm（n）＜CT＜Cm（n+1），用內(nèi)插的方法計(jì)算nr式中：n表示條紋像素寬度，例如n=2時(shí)表示線(xiàn)寬為2個(gè)像素寬度。

例如當(dāng)n=1時(shí)，CT=25%，Cm（1）=17%，當(dāng)n=2時(shí)，Cm（2）=68% ，帶入式（7）得到

帶入式（6）得到

由式（5）可知，當(dāng)n變大，顯示的黑白線(xiàn)對(duì)比度加大，Cm變大，并逐漸無(wú)限趨近于1；

隨著n變大，Cm變大，帶入式（7）可得到nr無(wú)限趨近于一個(gè)固定的常數(shù)。實(shí)際測(cè)量分別將n=1，2，…，測(cè)試圖輸入被測(cè)樣機(jī)，可以設(shè)置一定門(mén)限值，確定測(cè)量中n的最大值。

5.4 討論

1）用高清晰度復(fù)合測(cè)量圖測(cè)量得到的是清晰度參數(shù)，表征的是人眼觀察顯示器屏幕上圖像清晰、細(xì)膩的程度，考察了人眼觀看顯示細(xì)節(jié)的效果。

2）輔助工具測(cè)量法測(cè)量得到的是清晰度參數(shù)，是在人眼無(wú)法直接讀取電視線(xiàn)的情況下借助輔助工具進(jìn)行主觀測(cè)量，該方法彌補(bǔ)了人眼視覺(jué)的局限，只要輔助工具放大倍數(shù)足夠就可以正確給出被測(cè)電視的清晰度水平。

3）細(xì)節(jié)表現(xiàn)力測(cè)量方法提到的儀器測(cè)量法屬于客觀測(cè)量方法，該方法避免了主觀測(cè)量方法中人眼極限視覺(jué)分辨力的局限。目前采取對(duì)比調(diào)制門(mén)限為25%時(shí)，交替的黑白線(xiàn)可區(qū)分時(shí)的測(cè)量結(jié)果，該門(mén)限值下與采用中國(guó)超高清電視清晰度測(cè)量方法實(shí)際主觀觀看讀取的電視線(xiàn)是否一致需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另外，該測(cè)量要求測(cè)量?jī)x器能夠測(cè)量到像素亮度，對(duì)亮度計(jì)的測(cè)量精度要求較高。

6 小結(jié)

超高清晰度電視的清晰度和細(xì)節(jié)表現(xiàn)力測(cè)量是超高清電視質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。采用客觀測(cè)量方法能夠避免人為因素給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的不利影響。本文就幾種測(cè)量方法進(jìn)行了分析總結(jié)，希望能起到拋磚引玉的作用。

：

[1]Recommendation ITU-R BT.2020，Parameter values for ultra-high definition television systems for production and international pro?gramme exchange[EB/OL]．[2014-02-02].http://wenku.baidu.com/link?url=au4vq8cX1WOu90Aiho-68kCGj0iAPTTXfSPV4_W8qJhQDAziWJ1X-Gcfx5vJuhU9pqYfZmS4WoODVKeUbF296YB64v8FNqwQ xPS4zjNc_Ui.

[2]李桂苓，李彥，徐巖.超高清晰度電視[C]//立體電視與超高清晰度電視標(biāo)準(zhǔn)文集.北京：國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，2012:162-168.

[3]何凱，晏磊，趙紅穎.基于人眼視覺(jué)分辨力的數(shù)字影像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究[J]．北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，28（10）：127-131.

[4]國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心.數(shù)字電視原理與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[5]濾波圖原理與設(shè)計(jì)[EB/OL]．[2014-02-02].http：//wenku.baidu.com/link?url=uXqCmM5iFa21x3GtyXDirhHXIWfGNuoBJpabLxjjGAdnQp?wCG6deNkHmSfGlEHF7hhEQ0VHcRvlQKgIZceqIcwcVxJM-CvU6ur?wThctTquu.

[6]不同年齡正常眼的近點(diǎn)距[EB/OL]．[2014-02-02].http：//wenku.baidu.com/link?url=GEdOCrRk1KcIOvLdiVES8GhfbVOjnnIJkYbpLQ yiSpm9BtxKjfLyV4-NXXPi8DREIfS5HAb4f6XBSEUGg3D6LprFiI-zr b2C9kYyHifuOmW.

[7]相機(jī)影像器材工業(yè)協(xié)會(huì).數(shù)碼相機(jī)分辨率的測(cè)量方法[S].2003.

[8]GB/T 19953—2005，數(shù)碼照相機(jī)分辨率的測(cè)量[S].2005.

[9]Information display measurements standard version 1.03[S].2012.