超高清電視清晰度和細節表現力測量方法探討

溫 娜，阮衛泓，吳蔚華，李 強，謝于迪

（國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，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）級別更高的數字電視圖像顯示格式。2012年8月，國際電信聯盟（ITU）宣布推出UHDTV國際標準ITURBT.2020[1]。標準中推薦了3 840×2 160（簡稱4K）和7 680×4 320（簡稱8K）兩種級別的畫面有效像素陣列，4K和8K格式畫面有效像素數分別為HDTV的4倍和16倍，其寬視野、大動態范圍、廣色域、高精細圖像等優點，為觀眾提供更加真實的視聽覺體驗[2]。可見，超高清電視技術是電視技術的一大飛躍。如何科學評價超高清晰度電視的重要特征——超高清晰度是數字電視顯示性能檢測領域需要研究的問題。

本文首先總結了電視清晰度理論值，然后從人眼的視覺特性出發，分析了超高清電視與HDTV的差異，提出了“細節表現力”的概念，用來評價被測設備顯示圖像細節的表現能力。然后對超高清電視的清晰度和細節表現力的測量進行了討論研究。

1 電視清晰度理論值

對于數字顯示器顯示細節的能力，國際上通行的考核指標是固有分辨力，即屏幕的水平和垂直像素數，并不從人眼實際感受的角度出發進行評價。在中國，則采用清晰度這個參數，結合規定的重顯率進行考核。清晰度是人眼能察覺到的電視圖像細節的清晰程度，用電視線表示。按圖像和視覺特點，清晰度一般從水平和垂直兩個方向描述。電視線與垂直方向1個有效掃描行高度相對應。

垂直清晰度理論上限值為1幀圖像有效掃描行數，對于4K UHDTV就是2 160行，即2 160電視線，8K UH?DTV為4 320行，即4 320電視線；水平清晰度取決于行內有效樣點數，但不等于亮度信號1行內有效像素數，因為水平清晰度也用電視線表示，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，4K和8K電視水平清晰度理論值分別為2 160和4 320電視線。

2 人眼細節分辨極限

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

既然中國采用主觀評測的方法考察電視清晰度，那么首先要了解人眼細節分辨的特性。人眼存在極限分辨角θ[3]

若測試人員站在距離屏幕d=25 cm明視距離處，則Δl=0.056 mm，即剛好能看到數字圖像的像素間距為0.056 mm，如果小于此值則無法分辨。當前業內很多廠家采用PPI來描述屏幕顯示的物理分辨力，表示屏幕每英寸具有的像素數量，根據上述計算可以折算出人眼在明視距離25 cm處能觀測到的PPI極限為=453 PPI，即當屏幕的PPI超過453，則人眼無法分辨出更細節信息。因此，對于超高清電視顯示，如果出現上述PPI超過人眼極限情況，則測量人員無法直接讀出清晰度值。

3 中國現行高清電視清晰度測量方法

標準中規定，顯示圖像的清晰度測量要結合人眼視覺系統特性，采用主觀法評價顯示設備清晰顯示圖像的效果，通常采用楔形線圖案。在SJ/T 11348—2006《數字電視平板顯示器測量方法》標準中規定了顯示圖像的清晰度測量方法。高清晰度復合測試圖中設計有清晰度楔形線（見圖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條總數[4]。將顯示器調整到標準工作狀態，將復合測試信號輸入顯示器，觀測顯示圖像的楔形線簇，記錄顯示器正確顯示楔形線對應的刻度值（電視線）。楔形線簇有10黑9白線，如果出現無法完全顯示、楔形線線條對比度下降、明暗條紋的反差變小、條紋的邊界變模糊、楔形線數發生變化（如由9條變為8條等現象），則認為對應空間頻率降低，清晰度下降。由于楔形線的空間頻率在長度方向呈線性變化，因此由單一測試圖就可以直接讀出清晰度數值。

對于超高清4K的清晰度測量，在參考原有清晰度測量方法的基礎上，制作3 840×2 160格式的復合測試圖（目前中心已開展相關工作），直接對超高清電視進行清晰度測量。

4 細節表現力

清晰度考查的是人眼觀看電視圖像細節的效果，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。按照人眼細節分辨極限理論，在屏幕高度1.5倍的距離處，人眼可以清晰地分辨每個像素，但在實際應用中，人眼可能無法清晰分辨單個像素，特別是小尺寸超高清電視。為了客觀評價超高清電視的圖像細節顯示能力，與傳統的“清晰度”概念明確區分，本文提出一個新的概念“細節表現力”。細節表現力表征的是顯示設備顯示圖像細節的能力，和人眼視覺特性無關，這個參數能夠客觀評價產品的顯示水平。

5 超高清電視清晰度和細節表現力的測量方法

5.1 標準測量距離

用視銳度來描述視覺系統的空間分辨能力，也可以認為它是人眼感受精確細節的能力。眼睛的衍射、偏差和感受神經密度都可以影響視銳度[5]。實驗證明大多數人的最小視角為1分視角，故正常眼的分辨力標準定義為1分視角，分視角單位：1 min of arc。簡單言之就是只有在兩條黑線之間存在一個能辨別的間隔的時候，人眼才能區分這兩條黑線。通常采用正弦光柵方法測量視銳度。視角換算示意圖見圖2。

對于顯示系統來說，1分視角剛好能辨別兩條黑線的差別，此時所處的位置即最佳觀看距離。對于4K電視，其垂直方向的角度滿足下列公式

當d=1.5H（H為屏幕有效高度）時，垂直方向2 160電視線中每條線對應的視角為

即1.5H為能夠清晰看到電視線的最大距離。此時，剛好1分視角對應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，當肌肉在最緊張時（通過調節），眼睛所能看清的最近的點稱為近點，其相應距離稱為近點距，不同年齡人群的近點距數值不同，隨著年齡增長近點距變大，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到無限遠，理論上站在測量人員近點距至1.5H的距離范圍內觀看都能看到垂直清晰度2 160線。若觀看距離大于1.5H，則以正常視力觀眾無法區分掃描線結構。若觀看距離過近，則會電視畫面不夠細膩。因此，設定標準測量距離為1.5倍屏幕高度。

5.2 超高清電視清晰度測量方法

將高清晰度復合測量圖升級為超高清格式即可進行超高清電視清晰度測量，測量方法與高清晰度電視清晰度測量方法一致。然而，在實際測量過程中有時會出現測量人員無論多近測量距離都無法讀出清晰度數據，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。為解決這一問題，本文試圖搜集整理相關清晰度的測試方法，避免由于人眼參與測量而帶來的問題。

1）軟件判讀方法

前面提到的采用主觀測量，楔形線簇作為測量圖的方法國際上有類似標準采用，比如ISO組織在制定數碼相機分辨力測量標準時也采用了楔形線圖案。如在ISO12233：2000 Photography-Electronic still-picture cam?eras-resolution measurements標準中，提出采用讀取楔形線線數的方法確定相機的分辨率（見圖3測量圖）。而在2003年相機影像器材工業協會標準頒布的《數碼相機分辨率的測量方法》[7]中規定了采用ISO12233標準的測量卡（見圖4），采用軟件計算的方法計算該分辨率，避免了測量人員的主觀性影響，再現性好。中國國家標準GB/T 19953—2005《數碼照相機分辨率的測量》[8]中也非等效采用了ISO12233：2000標準，標準中提出了幾種判讀方式：打印機輸出、監視器顯示、軟件判讀。該方法對超高清晰度電視清晰度測量具有啟發意義。但在測量時，對打印機、監視器等的性能要求會很高。

2）輔助工具測量法

當電視像素間距過小，測量人員主觀觀看無法區分時，可以采用輔助工作來完成測量。

（1）采用放大鏡觀看直接讀取數值。

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

②采用高分辨力的相機對電視顯示進行拍照，相機的分辨力要滿足至少是顯示設備分辨力的2倍；

③照片方法回放，采用主觀方法讀取電視線數。

但是采用這種方法時要注意避免由相機本身帶來的偽像影響讀數。如幾何失真應小于5%，相機進行了gam?ma矯正等。

5.3 細節表現力測量方法

下面探討細節表現力的測量方法。為避免人眼參與測量帶來的影響，考察被測設備本身細節表現力，可采用儀器測量方法避免測量的主觀性。在IDMS 1.03標準的7.8節中提出了基于對比調制門限的測量方法[9]。測量圖為全屏的黑白交替顯示圖，黑線和白線的寬度為n個像素寬度。下面采用該標準提出的測量方法來測量細節表現力。

定義對比調制Cm為

式中：Lw是白線的亮度；Lb是黑線的亮度。令對比調制的最小值，即對比調制門限為CT，那么分辨率為

此處，nr是與對比調制Cm有關的參量，定義它是當對比調制Cm等于CT時，像素條紋線的寬度，當nr=1時，細節表現力等于物理像素行數，對于4K電視，就是2 160。

用Cm（n）表示采用n×n個像素寬度的條紋測量圖對應的對比調制。

如果Cm（1）＞CT，那么nr=1，細節表現力等于尋址的像素數；

如果Cm（1）≤CT，那么對于Cm（n）＜CT＜Cm（n+1），用內插的方法計算nr式中：n表示條紋像素寬度，例如n=2時表示線寬為2個像素寬度。

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

帶入式（6）得到

由式（5）可知，當n變大，顯示的黑白線對比度加大，Cm變大，并逐漸無限趨近于1；

隨著n變大，Cm變大，帶入式（7）可得到nr無限趨近于一個固定的常數。實際測量分別將n=1，2，…，測試圖輸入被測樣機，可以設置一定門限值，確定測量中n的最大值。

5.4 討論

1）用高清晰度復合測量圖測量得到的是清晰度參數，表征的是人眼觀察顯示器屏幕上圖像清晰、細膩的程度，考察了人眼觀看顯示細節的效果。

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

3）細節表現力測量方法提到的儀器測量法屬于客觀測量方法，該方法避免了主觀測量方法中人眼極限視覺分辨力的局限。目前采取對比調制門限為25%時，交替的黑白線可區分時的測量結果，該門限值下與采用中國超高清電視清晰度測量方法實際主觀觀看讀取的電視線是否一致需要進一步實驗驗證。另外，該測量要求測量儀器能夠測量到像素亮度，對亮度計的測量精度要求較高。

6 小結

超高清晰度電視的清晰度和細節表現力測量是超高清電視質量評價的重要內容。采用客觀測量方法能夠避免人為因素給測量結果帶來的不利影響。本文就幾種測量方法進行了分析總結，希望能起到拋磚引玉的作用。

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[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準文集.北京：國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，2012:162-168.

[3]何凱，晏磊，趙紅穎.基于人眼視覺分辨力的數字影像質量評價方法研究[J]．北京郵電大學學報，2005，28（10）：127-131.

[4]國家廣播電視產品質量監督檢驗中心.數字電視原理與檢測技術[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[5]濾波圖原理與設計[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距[EB/OL]．[2014-02-02].http：//wenku.baidu.com/link?url=GEdOCrRk1KcIOvLdiVES8GhfbVOjnnIJkYbpLQ yiSpm9BtxKjfLyV4-NXXPi8DREIfS5HAb4f6XBSEUGg3D6LprFiI-zr b2C9kYyHifuOmW.

[7]相機影像器材工業協會.數碼相機分辨率的測量方法[S].2003.

[8]GB/T 19953—2005，數碼照相機分辨率的測量[S].2005.

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