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升级我们的游戏改善巨幕的图像质量

来源:数字音视工程网        编辑:碧海流沙    2019-08-22 11:45:57     加入收藏

白皮书升级我们的游戏改善巨幕的图像质量——产业咨询师GordHarris封面图片-美国JenniferChalsty天文馆自由科学中心升级我们的游戏如今,大型影院市场的灯泡...

  白皮书

  升级我们的游戏

  改善巨幕的图像质量

  ——产业咨询师 Gord Harris

  封面图片-美国Jennifer Chalsty 天文馆自由科学中心

  升级我们的游戏

  如今,大型影院市场的灯泡型投影机面临着来

  自 RGB 激光系统固态照明的全新挑战,后者

  可显著提高巨型荧幕(GS)图像质量,同时大

  幅降低运营的成本。此外,多投影机系统结合

  针对变形和融合进行自动校准的全新系统。图

  像质量远高于单一4K投影机的解决方案。

  最近,越来越多的优质商业影院采用了巨型荧幕的 投影技术,巨型荧幕产品与优质商业影院之间的差 异逐渐消失。

  本白皮书旨在帮助您准确了解图像质量可取得 哪些改进;为什么它可以创造出具有差别的沉浸 式视觉体及其如何做到,让巨型荧幕在家用及高 档商业影院的冲击下提高竞争力。本白皮书讨论

  有待改进的关键领域,以让巨型荧幕影院稳健地 迈入 DIGSS 2.0(数字化沉浸式巨型荧幕)中“理 想的未来”,现在就可以马上行动。本白皮书还概 述了一些关于激光的常见误解和谬见、HDR( 高 动态范围 )和 HFR( 高帧率 )图像的最新发展, 并提出了一些在未来仍可能有所改进的领域。

  分辨率和 MTF(调制传递函数)

  也许巨幕影院最显著的优势是在广角镜头下仍然保有极高的分 辨率和图像细节。在 IMAX 发展早期,新发明的 15 孔 70 毫米胶 片的分辨率至少是商业影院常见 4 孔 35 毫米胶片的 9 倍。

  通过制作高、宽各多出三倍的屏幕,巨幕影院从大多数竞争对手 中脱颖而出。但是,如今情况又有何不同?我们所说的分辨率究 竟是什么意思?

  本文将讨论图像分辨率的两大类别——空间分辨率和时间分辨率

  (帧速率)。

  COSI 天文馆

  空间分辨率以及影响最终系统分辨率的其它因素

  DIGSS 2.0 规范只描述屏幕上可寻址的垂直和水平分辨率,而且 直到最近,这些分辨率大多被商用芯片组限制在 4096(h)x 2160

  (v)左右的像素,并广泛用于“ 宽屏” 商业影院以及 4K 分辨率。 但仅仅使用“ 4K 分辨率” 这样的语句来定义它的性能似乎过于 简化,因为这种说法忽略了一些影响最终系统分辨率的其他因 素,所以也忽略了不同观众对图像质量的感知。

  它缺少许多巨幕爱好者考虑的一个关键因素——图像的实际屏 幕高度,不仅仅是宽度。最初的IMAX影院使用 SMPTE(电影电视 工程师学)419M-2005 标准中的 15 孔 70mm 胶片,屏幕宽高比 为 1.43:1,这就意味着宽度比高度高出约 43%。但没有这样的投 影机芯片组。并非所有巨型荧幕行业的人都同意保持这种原本 的“ 四三” 比例,虽然科视已经证明用多台投影机的混合系统可 以精确实现这一点,但其他人则认为,仅使用与普通电影院相同 的比例“ 够好了” 。如果您只放映好莱坞影片或者数字电影,也 许确实如此。

  而由于垂直观赏的视角要大得多,这样的说法放到球幕影院中 就无法让人信服了。事实上,球幕影院会将圆形鱼眼镜头的主图 像投射到一个完整的半球上,甚至是“ 四三” 比例的 Omnimax® 或 IMAX® 球幕影院通常也能水 180° 显示,垂直显示则大约为

  126°,从而让上下的观众获得良好视角。DIGSS 2.0 规范没有考 虑到镜头性能下降的影响——投影机上使用的光学设备会对焦 距、清晰度、视敏度、对比度以及所谓的“ 调制传递函数”(MTF) 产生巨大的影响,这个我们稍后解释。屏幕表面的光洁度和声音 的孔眼也会散射光线,使观众看到的系统分辨率有所降低。而且 最终的分辨率或清晰度也取决于观众座位的位置。更不用说数 字电影或表演由摄像机拍摄的制作,并经过了后期处理的过程, 其中谨慎程度如何?达到了怎样的标准?所有这些,还有更多的 因素都会影响最终的系统分辨率性能,而不是“ 4K 分辨率” 一个 词就能涵盖的。

  国家海军航空博物馆

  升级我们的游戏——改善巨幕的图像质量 | 3

  分辨率要多高才够?

  最终影响高分辨率质量的不仅仅是投影机上的像素数量,还 有观众眼睛的角度。与人们普遍的认识恰恰相反,20/20 的视 力并不是最完美的视力,只是平均水平。有人会拥有更好的视 力,达到 20/15 甚至 20/13,或通过矫正通常也可以达到这样 的水准。分辨率没有标准定义,但在光学上,它是轻易分辨两 个点间隔很近的衡量方法,例如恒星的间距。通常,视力平均 为 20/20 的人能分辨出相隔约 1 弧分的恒星(六十分之一度=1 弧分=1’)。见图 1。视力较差的人可能只看到单束光而不是两 束光。

  巨幕影院最初的设计是这样的:坐在中间座位的观众可以看 到从屏幕左侧到右侧大约 90 度的角度,这称为水平视野角

  (HFOV)。每度有 60 弧分,这样中央的观众一眼就能看到 60

  x 90=5400 弧分。由于我们的 20/20 视觉灵敏度仅限于一弧分,

  这就意味着如果屏幕上有 5400 像素,我们就几乎无法从中央

  的座位上分辨出黑白相间的像素。当然,如果你坐得离屏幕更

  近一点,你就需要更高的像素;如果是在球幕影院,所需像素更

  高。最好的电影胶片上每毫米可以捕捉多达 100 线对,而 15孔

  70 毫米胶片几乎可以捕获 1 万线对。

  实际上,仅使用一台投影机进行数字化“ 4K” 投影并不能真正

  14

  12

  10

  8

  6

  4

  2

  0

  150k

  100k

  50k

  Average Eye Resolution

  Eye resolution is not constant - it varies over the retina widely: 6 million cones, 100 million rods

  2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

  Viewing angle from center ( ±deg.)

  Cones

  Rods Rods

  Blind

  Spot

  捕获 15 孔 70 毫米胶片的全比分辨率,不过在其他方面都效果 不错,而且更为经济实惠。因此,如DIGSS 2.0 规范所述,巨幕 行业主要转向可寻址的 4K 分辨率。水平荧幕数字投影而言已 经“ 足够好” 。但是,如果您坐在一个180度水平角的球幕影院 中,而您想要眼睛可以捕捉到的清晰度,您大约需要比 5.4K 高 出一倍的分辨率。

  per mm2

  60° 40° 20° 0° 20° 40° 60°

  Nose

  80˚

  60˚

  80˚

  60˚

  40˚

  fovea

  blind spot

  40˚

  20˚ 20˚

  opt. nerve

  封面图片-自由科学中心 Jennifer Chalsty 天文馆

  图 1: 平均眼睛分辨率和视杆视锥在视网膜上的分布

  分辨率要多高才够?(续)

  这就是为什么使用多个投影机的“ 8K 球幕系统” 会比使用鱼眼

  镜头的单个 4K 投影机更为清晰的原因。这也是为什么我们真的

  不应该让球幕和平面屏幕使用相同的分辨率,因为其视野要窄

  得多。DIGSS 2.0 标准规定球幕的最小像素为 4096 H,这么低的

  像素观可能观影效果不佳。

  如果只提升球幕所用单个投影机的像素,会产生非常大的像素, 即使是座位最好的观众也会看到令人烦心的巨大像素点,而坐 在两边的效果则更为糟糕。这也明显低于 15 孔 70 毫米胶片的 分辨率。如今,许多标准电影院在更小的荧幕上使用相同的分辨 率,许多家庭已拥有“ 4K” 电视。巨型球幕和影院需要创造一种 令人难以置信的体验,让人们走出家门,获得电影院和家中无法 实现的体验。

  科视为 D3D Cinema 的客户研发了一种更好的球幕解决方案。

  该系统在纵向模式下使用三台混合 4K 投影机,可实现总共约 22

  个可访问的百万像素,相比之下,任意单个 4K 投影机解决方案

  只有 8.8 个百万像素。

  这个 1X3 呈像系统拥有 5.7k 可访问的水平分辨率和全高宽比, 四三比例球幕为 4K 分辨率。在一个只有 2160 垂直像素的球幕 上,它看起来比 4K宽屏更清晰。

  而像 Evans&Sutherland 这样的公司,则在一个完整的球幕上安 装 5 至 10 架投影机,可访问分辨率甚至比 1X3 系统还要高。我 们已了解水平巨幕的分辨率需求比球幕低得多:一个约为 2200 万像素的 1×3 纵向水平解决方案明显优于以前 880 万像素的单 投影机 4K 解决方案——在效果上至少提升了三倍。

  新加坡欧姆尼剧院

  升级我们的游戏——改善巨幕的图像质量 | 5

  调制传递函数(MTF)是什么?它与图像质量有什么关系?

  在现实世界中,无论我们怎样倾斜我们的头部,视敏度都差不

  多。换句话说,我们对垂直或水平线以及在任何角度下都有着

  同样清晰的视觉(例如垂直分辨率=水平分辨率的情况下)。要

  重现我们自然看到的图像,应使用正方形像素,而不是矩形像

  素;将胶片捕获像素的形状与投影像素匹配起来自然也很重要,

  否则就会导致图像失真。一些胶片系统会使用变形镜头,从而

  投影过程中拉伸图像。如果使用正方形像素的DMD,那这些像

  素就会被拉长,而不再是屏幕上的正方形。因此无法实现统一

  分辨率,而由于人眼每弧分看到的光学线数对有限,在像素拉

  长方向上的分辨率看起来就会变低。这表明球幕使用标准非变

  形镜头和正方形像素的系统在MTF 方面要优于使用变形或鱼眼

  镜头系统。

  在物理或光学领域,MTF 远优于 DIGSS 2.0 中对于分辨率概念 的简单描述(可访问的元板像素)。我们应该关心最终系统的 MTF,而不仅仅是投影机芯片组有多少“ K” 。要具体了解 MTF 的定义,请查看图2.

  此外,如果混合系统中的多个投影机使用标准镜头,则每个镜

  头的 MTF 更高,热负荷更低,景深效果更好,总体图像质量

  比任何使用单个鱼眼镜头的球幕都要高。Evans & Sutherland

  于 2016 年在安大略科学中心使用了科视的投影机和镜头,为

  GSCA 用十架投影机进行了 8K 球幕演示,并与 15 孔 65 毫米胶

  片和鱼眼镜头的单台投影机进行并排测试相比,效果非常明显。

  Modulation Transfer Function

  Courtesy of Alen Koebel

  Position 1

  0.8

  0.6

  Position

  0.4

  0.2

  0

  f50

  0 50 100 150 200

  Spatial frequency

  Spatial Frequency (cycles/mm)

  图 2: MTF 的含义——一种比以” K” 论分辨率更好的测量方法

  芝加哥-科学与工业博物馆

  升级我们的游戏——改善巨幕的图像质量 | 7

  色彩容量

  科视的科学家 Mike Perkins 创造了一个全新 3D 视觉空间,他 称之为“ 色彩容量” ,用以更好地解释HDR(高动态范围)和 WCG(宽色域)如何协同作用,从而提供更好的图像。在数字图 像中,可以将所有像素视为代表直接光源、漫射光源或镜面光源

  (参考图 3)。直光来自实际光源,如背景中的夕阳。漫射光类 似马路上的路石,环境光向多个方向反射,外观更为柔和。镜 面反射则好像铬制挡泥板或车身,它们像镜子一样定向反射光 线,给人一种坚硬的金属质感。大多数真实场景都兼具漫反射 和镜面反射的特征。而当镜面反射面直接向观众反射光线时, 我们就会得到“ 镜面高光” 。一个很好的例子是优秀的肖像画中 人眼会露出白光,不然就会显得呆板而没有生气。

  直光

  漫反射

  镜面高光

  图 3: 像素类型

  图 4: 图像缺少镜面高光

  图 5: 模拟镜面光的色调

  图 6: HDR 图像拥有复杂的光线组合

  .

  520

  0.8

  540

  HDR 对颜色的影响

  如果标准对比度的显示设备呈现的图像镜面高光较少,则观众 会认为图像过于“ 平淡” ,亮度峰值较低。而在HDR显示设备 上,增加亮度并不是用来使图像的大部分区域更亮,而是主要 保留镜面反射,让镜面高光区域闪烁。请查看图 4 和图 5,对比 本地的反差。

  像黑色汽车这样的圆润物体会呈现出更加富有曲线的外观,而 闪闪发光的前照灯和轮毂等细节也在HDR中变得更为逼真,同 时使大部分图像并没有受到影响或变得更亮。如果对风扇叶片 上测量的亮度进行 3D 绘图(图 6),则可看到没有镜面高光的“

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  500

  0.5

  y

  0.4

  0.3

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  490

  480

  470

  460

  560

  580

  600

  620

  700

  HDR 10

  Rec. 709

  平淡” 图像具有几乎扁平的轮廓,但在 100%镜面高光下,风扇 叶片中的细微色调就会体现出来。正是这种再现自然光照下轮 廓的能力,使得 HDR 图像比标准动态范围投影机的效果更为逼 真。HDR 能与更广泛的激光色域相结合,从而实现强大的效果。

  0 0.1 380 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

  x

  图 7: REC709 和 HDR10 的 2D 色域对比。

  原因是色域的面积会因峰值亮度而成倍增加,让我们得到显示

  设备可提供的所有色彩容量。在 100 cd/m2 的校准显示设备上

  有望呈现 REC.709 内容,但家居中的大多数现代高清电视的运

  行速度都有显著提高,达到接近 300 cd/m2,HDR10 显示设备

  可支持 1000 cd/m2 或更高的峰值亮度。在图 7 中,由于 CIE

  1931 的 2D xy 色彩空间中的外三角形没有那么大,所以看起来

  并没有什么惊艳之处。但如果添加三维亮度并旋转图形,则可

  以看到显示的总颜色体积远远大于 REC.709(图 8)。

  所以真正的色彩是一种三维现象,原因是色域的面积会因峰值 亮度而成倍增加,让我们得到显示设备可提供的色彩容量。在 图 9 中,HDR10 的色彩容量是如今我们所用的 DIGSS 2.0 标准 下 REC.709 色彩的七倍。准确模拟现实世界的唯一方法是使用 HDR 显示设备,因为它兼具更高的峰值亮度和更宽的色域。科 视的 RGB 激光放映机拥有 HDR 功能,可在影院中呈现更加准

  1

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  L 0.5

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  Y

  0.4

  0.2

  00 0.2

  0.4 0.6 0.8

  X

  确而真实的色彩。

  图 8: 添加亮度之后,CIE1931 色域表明 HDR10 的色彩 容量要大得多。

  1.2

  1

  0.8

  I 0.6

  0.4

  0.2

  0

  -0.5 0 0.5 0.5 0

  T P

  -0.5

  图 9: 在 IPT 色彩空间中,HDR10 的色彩是 REC709 的七

  倍。

  帧速率/时间分辨率

  之前的板块主要聚焦静止(非动态)的图像。但在巨幕电影或数

  字电影中呈现动态图像时会发生什么?动态细节是另一个问题,

  之前电影投影机每秒 24 帧的帧速率出现了许多问题。科视投影

  机兼容每秒 24 帧的投影机,但如有足够的投资,还可以为您提

  供更高的帧速率选项。当大屏幕上的图像相对静止时,我们可

  能会有难以置信的静态空间分辨率,而如您所知,精致细节会

  在动态效果下迅速消失。然而,正是这些动人镜头中的精致细

  节使得高分辨率的巨幕电影如此引人入胜。我们将有效视觉分

  辨率与“ 时间分辨率” 或“ 动态分辨率” 区分开来,而后者主要

  受每秒帧数(FPS)中帧速率影响。

  4500

  4000

  3500

  3000

  2500

  2000

  Frame Rate in FPS

  24 fps

  48 fps

  60 fps

  96 fps

  120 fps

  时间分辨率会影响许多感知要素,包括我们称之为“ 频闪” 的 效果,当我们做诸如快速移动拍摄或快速飞越美景时,这种效 果会导致急促、跳跃和卡顿的情况。这种频闪是巨幕电影的最 大限制之一,而电影制作者也会竭尽全力将其降到 24 帧。你 可以明显地注意到这种现象,特别是飞行拍摄的明亮图像的边 缘,例如黑水上会有白色的波纹,还有其他高对比度的物体, 它们互相向屏幕或球幕的边缘发散。在这样的天空中,观众唯

  1500

  1000

  500

  0

  0 2 4

  6 8 10

  12 14

  16 18 20

  一能看清的就是画面中央飞来的东西——其余部分都有严重的 卡顿。

  动态的时间分辨率会影响另一个因素——运动物体呈现的清晰 度或视敏度。我们通常称之为“ 拖尾” 或“ 动态模糊” ,它们能 够使物体的边缘变得模糊。几乎所有全球幕影院都使用 60 帧的 星光秀,以确保物体的清晰度,即便是平板屏幕也可以在每秒 3 度的运动速度下以 60 帧保持 2K 的分辨率。(图10)显然,120 帧

  (紫色)是其中最为清晰的,正如科视、Doug Trumbull、Pierre Routhier 和 Gord Harris 在多次 GSCA 会议上所展示的那样。 实际上,在这些帧速率中,1120 帧的 HFR 得到观众对图像质 量的最高评价,结果如图 11 所示。安大略省多伦多约克大学的 Laurie Wilcox 博士进行的一项感知研究也发现,无论内容如何 观众都明显倾向于更高的帧速率,而对于高动态的图像,60 帧 或更高的帧速率尤佳。这些发现与模拟和游戏的结果一致,后 者几乎总是以每秒 60 帧或更高的速度运动。科视技术将许多飞 行模拟器调整为 120 帧,以便全球安全飞行公司(FlightSafety International)之类的企业拥有更好的动态分辨率。

  Pan rate (degrees/second)

  图 10: 即使是较小的移动速率,有效分辨率也会大幅下 降。

  20

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  8

  6

  4

  2

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  1 2 3

  4 5 6

  7 8 9 10

  Image Quality (1 to 10)

  图 11: GSCA 观众对 120 帧图像品质的评价投票。

  最新科视 4K RG B激光放映机系列能够实现 4K 分辨率的多种帧

  速率,包括每秒 24、48、60 和 120 帧。针对部分特殊应用,投

  影机甚至能在 2K 分辨率下达到240 和 480 帧。这也是飞速运行

  的像素时钟不可或缺的。Christie Trulife™ 电子平台有一个有效

  的像素时钟,可以通过标准融合和变形达到每秒输出 12 亿像素

  (gpx/s),实现多个投影机显示。这是 HFR 的独特优势。在大多

  数图像质量中,240 帧高频比 24 帧高出一个量级,但对于巨型

  荧幕来说,这是一项非常高昂的开支。

  尽管看起来很好,巨幕行业的共识似乎倾向于 60 帧或某种可变 帧速率,而不是转变到 120 帧或超过 HFR。要将当前帧速率提 高五倍,显然会对拍摄、处理和提供数据和服务器的成本造成影 响。没有多少摄像系统可同时拍摄高分辨率、高清晰度和高空间 分辨率的图像,而且后期部门一般没有为存储和处理五倍的帧 率做好准备。影片制作者很喜欢使用“ 慢动作” ,尤其对于野生 动物巨幕拍摄而言,几乎是不可能都以 120 帧的速度拍摄来拍 摄一切的。数据管理商也面临着 60 帧 4K 文档过大的挑战。服 务器必须在同时运行,才能以 4K 分辨率实现 120帧。以 4K 分辨 率 60 帧的速度两次偶/奇数帧的输送在如今已经很常见,它也

  是 4K 分辨率 120 帧所需的主心骨。但总体来说,很多人认为 60 帧的成本适宜,并用于全球幕、游戏和模拟器领域,将帧数从 24 提高为 60 是一个“ 足够好” 的改进,同时也证明确实有效。

  而对于纯属虚构的想象作品,比如故事性电影,24 帧似乎够用 了,也许我们的大脑会自动填补其中的细节。具有这样想法的观 众忍受频闪、闪动和动态模糊,并将其视为电影在画面上不可避 免的制约。但对于希望用“ 身临其境” 的感觉来吸引人们的巨幕 纪录片,使用 60 帧或更高的 HFR 投影机会有诸多益处。虽然投 影机可以处理这个问题,但却不清楚可变帧速率的捕捉、发布和 分销的后勤工作——视觉效果已经是一个问题,因此降低帧速 率的标准化会使巨幕行业进一步分裂。Showscan 工作室的先锋 Doug Trumbull 用他的 MAGI 流程展示出模拟器和 3D HFR 可以

  从 60 帧显示设备中获益,通过接近 120 帧的 3D 图像达到纯净

  的感知效果。但很少有人见过这样的系统,它们似乎仅用于某些

  特殊场合。

  Digs2.0 建议将巨幕影院的全新标准帧速率设为 60 帧或更高,这 似乎是介于 24 帧和 120 帧之间的合理折衷。

  更多关于HFR的信息,请查看《LF 观察第 19 卷(LF Examiner Vol. 19,)》,《巨幕影院服务器第 7 节( No. 7 “Servers for GS Cinema”)》《HFR 演示调查第 19 卷第 5 节(HFR Demo Survey Results)》,《巨幕影院HFR案例(“The Case for HFR in Giant Screen Theaters”)》第 19 卷,第 6 节”。

  科视Christie MirageSST

  4K、30000 流明、光纤耦合 RGB 激

  光投影系统

  科视Christie D4K40-RGB

  4K、40000 流明、一体式

  投影机

  对比度和动态范围

  图像对比度可使电影“ 流畅” 和“ 清晰”(图 12 和13)。您通常可 以依靠电影制作者来处理图像的对比度,但如何呈现或展示这 些图像则取决于投影机和镜头的性能,以及其它系统的因素。 也许是因为我们是从绿色的植被世界进化而来,我们的眼睛对

  530 到 580 纳米波长之间的黄绿光最为敏感。因此对 430 纳米 附近的蓝光或 680 纳米附近的红光最敏感。我们眼睛适应白光 称之为白昼视觉,我们的灵敏度会在555 纳米左右达到峰值。 我们谈论图像对比度时,我们通常指的是图像中最暗(黑)和最 亮(白)部分的不同亮度。

  理解和测量对比度 那么我们能感知多少对比度呢?结果令人难以置信。我们的眼

  睛可以依次感知大约九个量级的亮度,从大约1/1000 勒克斯的

  星光到 100000 勒克斯的太阳光,但不能同时看到。因为现实

  世界中的亮度范围如此之大,我们的眼脑系统会用对数形式呈

  现 S 形反应曲线,从而将现实世界的亮度压缩到 50:1 到 100:1

  左右的感官体验。标准投影机的对比度通常限制在 1500 到

  6000:1 之间。DIGSS 2.0 规定巨幕的最低标准为 1500:1。如今,

  许多数字图像的所有色彩仍然只有 8 位,仅能呈现28 或 256 级

  的对比度。那么我们如何根据需要获得高达数千比一的图像对

  比度呢?

  我们眼睛会耍一个小花招,用一个称为伽马曲线的非线性曲线 来扩大投射的光的范围。“ 亮度(brightness)” 一词常与“ 发光 度(luminance)” 混淆。发光度是物品表面光的测量,而亮度则 是物品表面的主观外观。粗略地说,图像对比度是指屏幕上白 与黑之间测量到的同单位的亮度之比,例如 fL(英尺朗伯——一 个英尺朗伯是黄昏天空的发光度,是人类彩色视觉的最小值)。 如果白色区域的测量值为 100fl,黑色区域的测量值为 0.1 fl,我 们将其称为对比度 100/0.1=1000:1。

  图 12: 低对比度(左)和高对比度(右)图像

  图 13: 对比度效果对分辨率感知的影响 越高越好,通常最多可感知到的对比度为 1000:1

  在理解和测量对比度(续)

  场景中测量对比度的一种常见方法是呈现某种棋盘式黑白矩

  形,其大小便于光度计的测量。专业术语将其称为“ 帧内对比

  度” ,因为它是在同一个屏幕的同一帧内同时显示,而不是按

  顺序依次显示。这个比例不会随亮度而变化太多,毕竟它只是

  一个简单的线性比例。入射光测量仪能很好地测量序列对比度,

  即在投影机上显示全白色,类似于胶片中的“ 开门” 测量,随后

  显示全黑色,一次显示一个。整个投影出的图像要么是全黑,

  要么是全白,以此来测量序列对比度。DIGSS 2.0 中的序列对比

  度或“ 帧内对比度” 往往都很高,在标准投影机上通常为数千比

  一。

  亮度测光表通常用于测量屏幕上任意一点的亮度和对比度,而 在巨幕影院或球幕这样有六层楼高度且难以触及的地方,则通 常使用入射光测量仪。根据 DIGSS 2.0 指南,要获得优质图像, 您至少需要 150:1 帧内对比度。而在巨大的平面屏幕影院中, 所有正常的出口标志和楼梯灯都会亮着,这会冲淡屏幕上的黑 色。所以显然您的影院越暗越好。保持序列和帧内的高对比度 都至关重要。根据 DIGSS 2.0,连续图像对比度的最低标准是

  1500:1,但如果您真的想在全黑影院里呈现高品质影片,匹配 电影拍摄使用的最佳胶片,那么您应该希望在屏幕的对比度达 到 4000:1 或更高。

  了解 HDR

  全新科视 HDR(高动态范围)投影机实际上可以投射超过 100 万 比 1 对比度范围(六个量级)的光线。虽然没有现实世界的十亿 分比一那么高,但也很接近了。

  科视最新 RGB 激光投影机拥有动态范围极高的 HDR 单元,它 们通过使用德州仪器的多个 DMD 调制器,投射出超过 100 万 比 1 对比度范围(六个量级)的光线。虽然没有现实世界的十亿 分比一那么高,但也很接近了。

  当在天文馆通过这样图像观看夜空群星时,就能体验到壮观的

  效果,那就像您所见过的最美丽夜空,明亮而清晰的群星让您

  眼花缭乱。科视推出的这些全新投影设备在对比度方面优于所

  有电影放映机。

  与胶片或老一代的放映机不同,黑色即为完全黑色,所以您不 会看到画面的边缘,也看不到多投影机在球幕上的混合区域。

  您可能好奇这些最新超高对比度 HDR 投影机是否真的对球幕 卓有成效?DIGSS 对球幕的帧内对比度要求只有 10:1?要理解 这一点,您就得知道当球幕的一半或更多部分被50/50 ANSI 的 黑白测试图照亮时,就会出现这种情况。在半球幕中,限制对 比度的最大因素之一是来自屏幕其它部分光线的交叉反射。例 如,从测试图或明亮物体(如太阳、月亮或航天飞机)上照射到 球幕侧面的全白光将直接在球幕上反弹或反射,从而照亮图像 中的黑色或较暗区域。因而黑色会变得更像灰色,从而降低对 比度。不仅是直射光,从屏幕上散射而出的漫射光会散向任何 方向,并降低屏幕上其它较暗的区域。球幕的涂料越亮,反射 率越高,光线反弹的次数就越多,而每次反弹都会通过交叉反 射冲淡黑色。

  在巨型球幕发展早期,客户不太了解这种影响,认为白色球幕 更亮更好。有的甚至使用反射率为 90%或以上的平面涂料。所 以系统的对比度非常低,低到 2:1 或 3:1。这是一个常见的错 误,即认为图像的亮度比对比度重要。而我们现在知道,改善 系统对比度的更好解决方案是使用低反射率的涂料。例如,如 果同轴的峰值反射率仅为 30%,而不是 90%,这样 70%的入射 光就会被吸收,而不是被反射,则图像的白色部分会变暗,并 且交叉的反射光在几次反射后会快速衰减,而由于反射光较少, 每个黑色的区域就都会保持更暗的状态。由此带来更好的 ANSI 对比度。我们的眼睛能够很快地适应场景中不同的亮度,但是 它们不能适应或纠正较低或者丢失的对比度。

  球幕 HDR

  让我们回到球幕 HDR 的问题上来——既然这样,为什么还要为

  球幕使用序列对比度为 100 万比 1 的投影机呢?答案是它们带

  来的图像仍然比普通投影机的要好很多,因为电影制作者往往

  很聪明,不会像 50/50 ANSI 对比度图表那样用白色来填充半个

  球幕。实际上,柯达公司已经确认室外场景的平均反射率更接

  近18%。举一个极端的例子,如果在黑色天空中有白色的恒星

  或镜面高光,其中可能只有 1%的屏幕是全白的,其余部分都是

  暗的,系统对比度可能接近 150:1,或者会在更大的平面屏幕上

  看到的相同对比度,因为很少有白色区域会交叉反射来照亮黑

  色。实际上,科视已在平板屏幕上测量超过 20000:1 的局部对

  比度:在角落处有白色的小方格,屏幕中央为黑色,即使镜头

  中有散射光,还有一些房间的背光反射。现在一家完全变暗的

  天文馆可以与这个星球最黑暗的天空形成对比,因为 HDR 的

  RGB 激光投影机可以使白色变得更为明亮,黑色更加黯淡。

  更好的像素需要更高的动态范围、更好的对比度,更深的黑色, 这样 RGB 激光投影机才能真正地发光发亮。此外,我们还可以 轻松地发现文物,特别是在较暗的区域,或者也可以用于平滑 过度的区域,例如蓝天。DCI 规范的每种色彩会使用 12 位色彩 空间,我们之后也会看到它可以让 Rec 2020 有更好的色彩。目 前,Dolby Vision 影院和其他由科视生产的投影机的各个部件 都使用 12 位色彩。DIGSS 规定每种色彩最低为 8 至 10 位,或 者更高。Rec 2020 规定各部件最少为 10 位。

  要保持 HDR 对比度,那么在高分辨率服务器中实现每种色彩都

  超过 8 位则是自然光学混合的实际要求。可能还需要改进整个

  巨幕背后的生产链,以充分利用全新 HDR 和 HFR 投影机。否

  则会出现屏幕轮廓和其他令人不快的违和感,从而降低原本壮

  观的图像质量。

  曼谷天文馆

  对比度也随着环境光的增加而呈出现出指数级下降。因此根据 安全规定,应将影院或球幕内所有的环境光源尽可能降到最低, 这对获得最佳图像至关重要。如果一个 8000:1 对比度的投影机 展现的是 DIGSS 标准下 20fL 白色影片,而您想看到这种对比 度的投影机所带来的好处,那您的目标应该是让屏幕上的黑色 达到或低于 20/8000=0.0025 fL。环境光和屏幕增光(尤其是球 幕)对系统的对比度有很大影响。现代 HDR 镜头设计是获得良 好对比度的关键。

  大湖区科学中心的克利夫兰诊所球幕影院

  总结

  我们通过本白皮书了解到在一个巨型荧幕的影院中,如何通过

  接近真实世界中的人类感知需求实现“ 身临其境” 的感觉。充分

  的亮度,生动的色彩,逼真流畅的动态,卓越的 MTF 和高动态

  范围都可以通过精心设计的 RGB 激光投影系统实现。当然,在

  追求更高性能的同时,还必须权衡尺寸、电力和成本。科视提

  供各种 RGB 解决方案,以适应不同的大屏幕市场和成本预算。

  科视最近在 RGB 激光、自动校准系统和光学设计方面的锐意发

  展,提高亮度、色彩容量、帧速率和动态范围,同时大大简化校

  准和维护并降低成本,从而显著地改变了 LF 行业的情况。超高

  的分辨率足以媲美超过 15 孔 70 毫米的胶片,现在还可以使用

  多个混合投影机实现自动变形和融合,呈现出天衣无缝的图像。

  科视坚信,我们现在可以通过为巨幕影院和球幕提供我们的

  RGB 激光解决方案来实现 DIGSS 2.0 中大部分“ 梦寐以求” 的

  配置。

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