電影虛擬攝制應用中LED 顯示屏光學技術參數(shù)分析與檢測評估研究

李 娜 王景宇

中國電影科學技術研究所 （中央宣傳部電影技術質(zhì)量檢測所），北京 100086

1 前言

《“十四五”中國電影發(fā)展規(guī)劃》明確提出要加快電影科技創(chuàng)新，“充分應用傳統(tǒng)攝制、虛擬攝制、云端制作、智能制作以及計算機動畫等多元化電影攝制技術手段”，推動電影攝制提質(zhì)升級。LED 顯示屏電影虛擬化拍攝和制作是利用高顯示性能的LED 顯示屏和LED 視頻處理器組成的LED 顯示系統(tǒng)作為顯示背景墻。通過實時渲染系統(tǒng)實現(xiàn)多屏同步，利用攝影機跟蹤系統(tǒng)獲取攝影機位置、角度等外部參數(shù)及光圈焦距等內(nèi)部參數(shù)，并通過同步系統(tǒng)確保LED 顯示系統(tǒng)、攝影機跟蹤系統(tǒng)和實時渲染系統(tǒng)保持同步，將高畫面質(zhì)量的三維場景準確顯示在LED 顯示屏上。再由攝影機直接拍攝演員、實景道具與LED 顯示屏顯示的虛擬畫面，從而在拍攝現(xiàn)場實現(xiàn)“所見即所得”的新型虛擬攝制技術。這種“后期前置”的創(chuàng)作方式給現(xiàn)場拍攝提供真實的環(huán)境光照和自由的創(chuàng)作環(huán)境，為電影攝制提供了更加便捷的創(chuàng)作條件和更加自由的想象空間。

LED 顯示屏（以下簡稱LED 顯示屏）是電影虛擬拍攝制作顯示環(huán)節(jié)中最后一個元素，但其光學技術參數(shù)是影響最終拍攝效果的核心因素，也是LED 電影虛擬攝制系統(tǒng)選擇的重要評價項目。本文對LED顯示屏相關光學技術參數(shù)進行分析，對LED 顯示屏光學技術指標進行檢測評估、分析檢測數(shù)據(jù)，并提出LED 顯示屏目前存在的主要問題及選擇建議。

2 LED 顯示屏相關光學技術參數(shù)及檢測數(shù)據(jù)評估分析

影響LED 電影虛擬攝制畫面質(zhì)量的LED 顯示屏主要技術指標有像素間距、反射率、亮度/色度可視角度、亮度/色度均勻度、最大亮度、激活黑亮度、顯色指數(shù)、色域覆蓋率、傳遞函數(shù)、位深、刷新率等。本文對LED 顯示屏的主要技術指標進行檢測，根據(jù)實際檢測條件，各檢測項目的LED 顯示屏樣本數(shù)量略有不同。

2.1 像素間距

像素間距是LED 顯示屏兩個相鄰像素中心點的距離。同樣分辨率的LED 顯示屏，像素間距越小，LED顯示屏的尺寸就越小。此外，攝影機與LED顯示屏的拍攝距離決定了所需要的的LED 顯示屏像素間距，即攝影機與LED 顯示屏的拍攝距離越遠，LED 顯示屏所需的像素間距就越大；反之越近，LED 顯示屏所需的像素間距就越小。但LED 顯示屏像素間距越小，生產(chǎn)制造難度就越大，價格也會更昂貴。在不作為拍攝對象的情況下，可以適當放寬LED顯示屏像素間距。因此應根據(jù)拍攝環(huán)境綜合考慮像素間距。

2.2 反射率

反射率是LED 顯示屏的顯示面板和LED 燈珠對外界干擾光的反射程度，與LED 顯示屏的表面處理及封裝工藝有關。作為LED 顯示屏的關鍵性能參數(shù)，反射率是影響觀看和拍攝效果的重要指標。應用場景中設備設施、道具、演員的反射光以及照明燈、指示燈的方向性光疊加照射在LED 顯示屏上，如果其反射率過高，會在顯示屏上形成光斑，進而導致對比度和層次感降低，畫面顯示的暗部細節(jié)不明顯，甚至發(fā)生將光反射到觀看區(qū)或拍攝區(qū)的嚴重后果。因此應對LED 顯示屏的顯示面板和LED 燈珠的表面進行工藝處理，其表面采用啞光低反光材料或吸光材料，降低LED 顯示屏的反射率，增強圖像層次感和暗部細節(jié)。筆者發(fā)現(xiàn)，攝影燈的白光色溫基本在6500K，且入射角為2°就可激活人眼的色彩感應，因此在檢測時可選擇2°D65作為檢測光源。

2.3 亮度/色度可視角度

LED 顯示屏的亮度/色度可視角度，是指水平方向觀察中心點的亮度下降到LED 顯示屏法線方向亮度的一半時，水平方向觀察點與法線夾角的兩倍。該指標由LED 顯示屏像素點的排列方式?jīng)Q定。本次檢測的6 塊LED 顯示屏的亮度可視角度為80°時，白場亮度衰減最大值為43.28%，最小值為32.03%，白場色差Δu′v′最大值為0.0126，最小值為0.0060；可視角度為70°時，白場亮度衰減最大值為35.83%，最小值為28.03%，白場色差Δu′v′最大值為0.0108，最小值為0.0036。但像素如果按照紅綠藍方式垂直排列（從上至下），垂直方向檢測角度為35°（仰視）時，色差Δu′v′會達到0.0094。為了防止拍攝畫面出現(xiàn)偏色，應避免攝影機帶有仰俯角拍攝LED 顯示屏。LED 顯示屏的亮度/色度可視角度影響畫面的顏色一致性和顏色準確度，會導致畫面模糊，色調(diào)對比度下降或產(chǎn)生摩爾紋。為了滿足攝影機傾斜角度的拍攝需求，LED 顯示屏的亮度/色度可視角度應盡量大，最好大于140°，以免限制拍攝角度。

2.4 亮度/色度均勻度

LED 顯示屏的亮度/色度均勻度是指兩個相鄰箱體（模組）的亮度、色度偏差。均勻度數(shù)值越小，代表LED 顯示屏箱體（模組）之間亮度和色度的一致性越好。LED 顯示屏的亮度/色度均勻度直接影響畫面的亮度和顏色一致性，偏差過大會導致同一畫面不同位置的亮度和顏色不相同，嚴重時會造成LED 顯示屏背景穿幫，影響拍攝效果。為了滿足高質(zhì)量拍攝效果，LED 顯示屏的箱體（模組）應盡量選擇同批次產(chǎn)品，嚴格管理同批次產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，安裝過程中提高組裝平整度，安裝后校準箱體（模組）之間的亮度和色度，盡量使其保持一致。本次檢測的8 塊LED顯示屏白場亮度均勻度最差值為-10.27%，紅場亮度均勻度最差值為-9.24%，綠場亮度均勻度最差值為7.50%，藍場亮度均勻度最差值為-6.82%；白場色度均勻度Δu′v′最差值為0.0084，紅場色度均勻度Δu′v′最差值為0.0118，綠場色度均勻度Δu′v′最差值為0.0019，藍場色度均勻度Δu′v′最差值為0.0048。

2.5 最大亮度

LED 顯示屏的最大亮度是指LED 顯示屏在色溫6500K 下最大發(fā)光亮度，即在100%白場測量信號下LED 顯示屏的亮度值。為了有足夠的功率來平衡場景，支持實時渲染引擎輸出HDR 信號，還原虛擬資產(chǎn)的真實場景，LED 顯示屏的亮度應與場景中使用光的亮度相匹配。由于LED 顯示屏的多路復用（控制更多像素點）特性，當屏幕過亮，會使一些本該關斷或低亮的像素點亮甚至過亮，在暗部圖像產(chǎn)生偽影。本次檢測的8 塊LED 顯示屏中3 塊LED 顯示屏達到1500cd/m2以上，4 塊在1000cd/m2～1500cd/m2之間，1塊低于1000cd/m2。

2.6 激活黑亮度

LED 顯示屏在色溫6500K 下發(fā)光所產(chǎn)生的最小亮度為其激活黑亮度，即從0逐步提升黑場測量信號值，直到LED 顯示屏全部像素被點亮時的亮度值。為支持實時渲染引擎輸出HDR 信號，還原虛擬資產(chǎn)的真實場景，LED 顯示屏應在更小的黑場測量信號值就實現(xiàn)全部像素都點亮，且激活黑亮度應盡量小，以提升畫面的對比度。因此LED 顯示屏進行選型時，在選擇高對比度的同時，也需考慮LED 顯示屏在第幾個灰階能將全部像素點亮，防止出現(xiàn)低亮度顯示時LED 顯示屏關斷或缺色的情況。本次檢測的7 塊LED顯示屏激活黑亮度實測值見表1。

表1 7塊LED 顯示屏激活黑亮度實測值

2.7 顯色指數(shù)

LED 顯示屏的顯色指數(shù)（Colour Rendering Index,CRI）是指LED顯示屏與自然光相比，對被照射物體本身顏色的顯示與還原能力，是由CIE定義的衡量光源顯色性的指標，由R1-R15的15種顏色進行評價（圖1）。

圖1 R1-R15的15種顏色

一般顯色指數(shù)（Ra）是R1-R8 的8 種顏色顯色指數(shù)的平均值，R1-R8 的8 種顏色只包含了中等飽和度的顏色，明度較低。本次檢測的7 塊LED 顯示屏的一般顯色指數(shù)（Ra）均低于50，顯色性能較差。

特殊顯色指數(shù)（Ri）是R9-R15 的標準顏色樣品的顯色指數(shù)，R9-R15 的7 種顏色包含了高飽和度的顏色，明度較高。具體而言，R9 越高，對水果、鮮花、肉類照射出來的效果就越逼真，對人體膚色紅潤度的還原度就越好；R15 越高，對黃種人膚色還原性就越好。本次檢測的7 塊LED 顯示屏的R9 數(shù)值均為負數(shù)，不能正常還原水果、鮮花、肉類的本身顏色；R15數(shù)值較差，實拍過程中發(fā)現(xiàn)黃種人的臉色發(fā)紅，證明本次檢測的LED 顯示屏不能作為環(huán)境光源。

當LED 顯示屏自身光譜與日光全光譜的連續(xù)性和完整度越接近，顯色指數(shù)會越高，對物體的色彩還原能力就越強，能讓視野更清晰，影像更立體。顏色顯現(xiàn)最佳效果一般以物體在色溫6500K 日光下所顯現(xiàn)的顏色為準。LED 顯示屏的RGB 三色燈珠光譜通常較窄且分布不連續(xù)，導致其顯色性水平有限，當以LED 顯示屏顯示畫面作為環(huán)境光源時，容易造成攝影機拍攝實景畫面中人物膚色及景物顏色出現(xiàn)偏差。因此在拍攝過程中，為了真實還原被照亮的實景物體顏色，需要選用顯色指數(shù)較高的LED 顯示屏作為環(huán)境光源，同時補充傳統(tǒng)照明燈具和科學的色彩管理流程以改善該問題。

2.8 色域覆蓋率

LED 顯示屏的色域覆蓋率是LED 顯示屏在色溫6500K 下在CIE1931 中再現(xiàn)顏色的能力。其大小由LED 視頻處理器的設置和性能、LED 顯示屏RGB 三色燈珠的光譜特性及發(fā)光亮度等因素決定。本次檢測的9 塊LED 顯示屏的色域在DCI-P3 色域中覆蓋程度大，在BT.2020色域中覆蓋程度較?。ū?）。

表2 9塊LED 顯示屏色域覆蓋率實測值

作為窄帶光源，LED 顯示屏色純度更高，理論上色域會更大，如圖2 所示。LED 顯示屏色域覆蓋率低的原因可能是燈珠基色波長選擇不合理（圖3），也可能是色域按照DCI-P3 調(diào)整，限制了LED 顯示屏本身的色域（圖4)。

圖2 LED 顯示屏色域覆蓋率顯示圖

圖3 像素基色波長選擇不合理的LED 顯示屏色域覆蓋率顯示圖

圖4 按照DCI-P3色域調(diào)整的LED 顯示屏色域覆蓋率顯示圖

2.9 傳遞函數(shù)

LED 顯示屏的傳遞函數(shù)（γ）是表達LED 顯示屏在色溫6500K 下輸入編碼值與光輸出之間的非線性關系。人類的視覺對亮度的感知能力并不是線性的，LED 顯示屏需要設置一個合理的傳遞函數(shù)來進行映射，以糾正亮度感知變化與實際亮度值變化不統(tǒng)一的問題。如果不經(jīng)過傳遞函數(shù)校正，則中灰以下的部分只占灰階的20%，導致人眼感受的暗部采樣嚴重不足，高光采樣冗余。設置合理的傳遞函數(shù)值，將人眼感受到的亮度值變化與自然界真正的亮度值變化進行適當?shù)霓D換。本次檢測的8 塊LED 顯示屏在最大亮度和色溫6500K下，LED 視頻處理器設置不同的傳遞函數(shù)時，除1塊LED 顯示屏的傳遞函數(shù)偏離設置的傳遞函數(shù)值，其他基本接近設置的傳遞函數(shù)值（表3）。因此，該指標會受到LED 視頻處理器性能的影響，偏離數(shù)值越大，說明LED 顯示屏信號播放時的光輸出不能真實反映該信號亮度。

表3 8塊LED 顯示屏傳遞函數(shù)實測值

2.1 0 位深

位深是存儲和顯示數(shù)字影像每個顏色所用的位數(shù)，是影響LED 顯示屏顯示畫面顏色層次細膩程度的指標。本次檢測的8 塊LED 顯示屏的位深大多為12bit，有2塊位深為8bit。在檢測過程中，當對8bit位深的LED 顯示屏輸入高位深的測量信號，LED 顯示屏和LED 視頻處理器報錯，無法正常顯示；部分12bit位深的LED 顯示屏，雖然在輸入高位深的測量信號時，能夠正常顯示，但高位深是通過屏體本身位深疊加抖動實現(xiàn)的，亮度數(shù)值未實現(xiàn)逐階遞增。

LED 顯示屏的位深代表了LED 面板驅(qū)動集成電路的處理與調(diào)節(jié)能力。當LED顯示屏在暗部常因位深不足而出現(xiàn)斷層現(xiàn)象時，LED視頻處理器可以采取時間抖動（Temporal Dithering）和空間抖動（Spatial Dithering）方式，間接提升LED顯示屏低灰部分的顯示位深，以實現(xiàn)暗部平滑顯示。為了實現(xiàn)HDR 顯示，同時避免因位深不足而出現(xiàn)斷層現(xiàn)象，實現(xiàn)更佳的攝影機內(nèi)視效拍攝效果，推薦選用高位深的LED顯示屏。

2.1 1 刷新率

刷新率是畫面每秒鐘被LED 顯示屏重復顯示的次數(shù)。LED 顯示屏的刷新率遠高于數(shù)字放映機，高性能LED 顯示屏刷新率可達3840Hz 或7680Hz。刷新率越高，畫面閃爍感就越低，畫面顯示也越穩(wěn)定；刷新率越低，畫面就越可能出現(xiàn)閃爍抖動現(xiàn)象。當LED 顯示屏的刷新率和動態(tài)掃描頻率與攝影機幀速率及快門速度存在不匹配時，容易造成攝影機拍攝的LED 顯示屏畫面產(chǎn)生偽影，具體表現(xiàn)為掃描線或閃爍現(xiàn)象。LED 視頻處理器可以通過設置來改變LED 顯示屏的刷新率，但對于沒有幀頻自適應功能的LED 視頻處理器，在默認幀速率的情況下，即刷新率上升，亮度會下降。刷新率和灰度等級成反比，刷新率越高，灰度等級越低，接收卡本身的帶載能力會越低?；叶鹊燃墪绊懙絃ED 顯示屏亮度，灰度等級降低，LED 顯示屏亮度也隨之降低。如果超出某個臨界范圍，接收卡本身帶載能力過低，可能會出現(xiàn)LED 顯示屏閃屏現(xiàn)象。如果選用不具備幀頻自適應功能的LED 視頻處理器，則需要根據(jù)LED 顯示屏的實際情況，對LED 視頻處理器進行相應設置。

3 技術建議

由于LED 顯示屏數(shù)量眾多，技術水平參差不齊，提升LED 顯示屏的光學性能還需要一段時間的實踐和摸索。通過對LED 顯示屏的檢測和評估，提出以下技術建議。

（1）色域

LED 顯示屏的色域覆蓋率是LED 顯示屏在CIE1931 中再現(xiàn)顏色的能力。本次檢測除了對LED顯示屏色域在DCI-P3色域、BT.2020色域中覆蓋程度進行比較外，還將LED 顯示屏色域與DCI-P3 色域、BT.2020 色域分別在CIE1931 中的覆蓋面積進行比較，引入色域容積的概念。色域覆蓋率可以表示LED顯示屏色域在DCI-P3 色域、BT.2020 色域的覆蓋程度，色域容積可以表示LED 顯示屏色域與DCI-P3 色域、BT.2020色域在CIE1931中色域面積（即包含的色彩數(shù)量多少）的比值。相同色域覆蓋率的兩塊LED顯示屏，色域容積不一定相同，尤其是與DCI-P3色域的比值，色域容積越大，LED 顯示屏在CIE1931 中明顯所占面積較大，覆蓋更多的色彩。BT.2020 色域比LED 顯示屏色域大，色域容積與色域覆蓋率基本一致。例如A、B兩塊LED顯示屏在DCI-P3色域的覆蓋率分別為94.61 和94.31，色域覆蓋率基本一致，但色域容積差距很大，分別為94.61和121.37。其中，B 顯示屏在CIE1931中明顯所占色域面積較大，覆蓋更多的色彩，如圖5 所示。9 塊LED 顯示屏的色域覆蓋率與色域容積實測值見表4。因此電影虛擬攝制用LED顯示屏與影院LED 顯示屏的應用場景不同，節(jié)目源和播放要求也不同，是否在LED 顯示屏評價中增加色域容積技術指標是需要研究的問題。

圖5 A、B 兩塊相同DCI-P3色域覆蓋率的LED 顯示屏色域

表4 9塊LED 顯示屏色域覆蓋率與色域容積實測值

（2）抗光干擾

實際拍攝試驗中，由于現(xiàn)場攝影燈光和反光道具的使用，以及LED 顯示屏的表面涂層反光嚴重，導致很多LED 顯示屏的暗部細節(jié)無法完全顯示或過亮，背景顏色也會產(chǎn)生偏差。原因主要有兩點：LED顯示屏反射率過高和環(huán)境光（應用場景中設備設施和道具、演員的反射光、攝影燈等）直射或反射到LED 顯示屏。因此應在LED 顯示屏選型和實際拍攝過程中，選取低反射率的LED 顯示屏，減少反光道具的使用，避免攝影燈直射LED 顯示屏。

（3）不同亮度設置影響

在LED 顯示屏檢測中發(fā)現(xiàn)，LED 視頻處理器的設置值與LED 顯示屏實測數(shù)值存在一定的偏差。筆者檢測時發(fā)現(xiàn)，當LED 顯示屏在色溫6500K 和同一傳遞函數(shù)的前提下，不同亮度設置所獲得的傳遞函數(shù)實測值（表5）和色溫實測值（表6）均產(chǎn)生較大變化。引起問題的原因可能是LED 視頻處理器和LED顯示屏性能穩(wěn)定性差，LED 顯示屏的溫度與環(huán)境溫度沒有達到平衡。因此在拍攝過程中，調(diào)節(jié)LED 顯示屏的亮度，應多注意傳遞函數(shù)和色溫的變化，以避免影響虛擬資產(chǎn)的真實還原。

表5 4塊LED 顯示屏傳遞函數(shù)實測值

表6 3塊LED 顯示屏色溫實測值

（4）檢測儀器

檢測儀器和檢測方法的不同也會產(chǎn)生關鍵指標的偏差。檢測人員使用的分光式非接觸檢測設備，在距離LED顯示屏一定距離下對一塊區(qū)域進行檢測，獲取檢測區(qū)域的光譜值分析得出結果；部分設備廠家使用的是濾色片式接觸檢測設備，緊貼LED顯示屏對幾個像素進行檢測，直接獲取結果，兩種不同檢測原理的設備會在檢測數(shù)據(jù)上有一定的偏差。建議使用分光式非接觸檢測設備，以確保檢測結果的準確性。

4 結語

目前國內(nèi)尚無針對電影虛擬攝制應用的LED 顯示屏的技術要求和檢測方法，國內(nèi)市場產(chǎn)品的技術參數(shù)參差不齊，降低了虛擬攝制效果。且用于電影虛擬攝制LED 顯示屏與用于影院LED 顯示屏具有差異，各類檢測指標不應完全照搬。因此需加快制定電影虛擬攝制應用的LED 顯示屏技術標準，對選擇高性能的LED 顯示屏、提高電影虛擬攝制質(zhì)量，為我國電影行業(yè)的良性發(fā)展提供技術保證。

作者貢獻聲明：

李娜：關鍵參數(shù)研究和測試、論文撰寫與修訂，全文文字貢獻60%；

王景宇：關鍵參數(shù)研究和測試、論文撰寫，全文文字貢獻40%。