測量中影響銀幕亮度系數主要因素的分析和研究

(中央宣傳部電影技術質量檢測所，北京 100086)

1 引言

近年來，隨著數字電影技術的快速發展，電影放映端的新產品不斷涌現，中國正在邁入從電影大國到電影強國的發展黃金時代。近年來，隨著數字電影技術的快速發展，電影放映端的新產品不斷涌現，中國正在邁入從電影大國到電影強國的發展黃金時代。2020年，全國銀幕總數達到75581塊，位居世界第一，數字影院在中國大地上遍地開花。觀眾在觀看電影的同時，更加注重觀影效果和體驗。對于影院觀眾而言，銀幕亮度是影響觀眾觀影體驗的關鍵指標。銀幕亮度是指數字放映機投射到銀幕上的光線經反射而形成的反射光的明亮程度，過亮會感覺刺眼，過暗會使眼睛感覺疲勞，且銀幕亮度會對銀幕對比度產生一定的影響，還會影響觀眾對影片細節和色彩的辨識度；對于電影技術從業者而言，合格的銀幕亮度是需要影廳中數字放映機、銀幕、光學玻璃等設備的合理配置。衡量銀幕特性的兩個基本參數為銀幕亮度系數和有效散射角，且銀幕亮度系數是影響影院合理配置的關鍵參數。銀幕亮度系數是指在同一照明條件和規定的觀察條件下，當入射光沿銀幕法線方向時，在觀察銀幕一側與銀幕法線方向成5°夾角方向的銀幕亮度與同等條件下理想漫反射幕的亮度的比值。以S型銀幕(3D 電影銀幕)為例(下同)，在相同環境下，銀幕亮度系數越大，其銀幕亮度會越高。在日常電影銀幕的測量中，銀幕亮度系數除了與自身特性有關之外，還會受其他因素的影響，我們從反射放映銀幕的分類、測量條件、測量步驟和幾個相關實驗來分析和研究。

2 反射銀幕分類

反射銀幕按照其物理特性分為三大類：(1)D型銀幕又稱漫反射銀幕，D 型銀幕對入射光在2π立體角空間內產生漫反射，其亮度系數極坐標特性曲線接近理想漫反射半圓；(2)B型銀幕又稱入射角上增益反射銀幕，B型銀幕對入射光的反射在2π立體角空間內的光線入射角上具有集聚增益反射特性；(3)S型銀幕又稱反射角上增益反射銀幕，S 型銀幕對入射光的反射在2π立體角空間內的光線反射角上具有集聚增益反射特性，反射角的大小等于入射角大小。

3 反射銀幕亮度系數的測量條件及測量步驟

銀幕在框架上掛設應按正常放映方位與水平面垂直，表面平整。銀幕尺寸建議不小于297mm×210mm。定位放映裝置，使其物鏡光軸垂直于銀幕表面并通過其中心。放映裝置投影光束的包容角不大于10°，且照亮整個銀幕，放映距離應略大于亮度計的測量距離。測量時室內應遮黑，使環境干擾光在銀幕上的照度不大于1lx。

如圖1所示，將已知亮度系數βb 的漫反射標板置于銀幕中心位置，并平行。開啟放映裝置并聚焦，在通過銀幕中心的水平平面上，將亮度計置于其光軸與銀幕表面中心法線成5°的觀看角上測得標板的表面反射亮度L。移去漫反射標板，在同一條件下用亮度計測得銀幕表面中心的反射亮度L。采用公式β=(L/L)·β計算該銀幕的亮度系數β值。

圖1 反射銀幕亮度β系數測試示意圖(水平平面內)

4 相關實驗及分析

為了研究測量環境中可能影響銀幕亮度系數的因素，我們選取放映裝置光軸與銀幕表面中心法線不同夾角、同一銀幕上取不同的測量點、在同一放映裝置的不同亮度下、同一個亮度計在不同焦距下四個因素來研究，并計算銀幕亮度系數進行分析，最后找出影響亮度系數的因素。為保證數據的可靠性，避免實驗誤差和外界環境等因素對測量結果造成干擾，實驗數據采用多次測量取平均值。測量時使用的是漫反射標板，其亮度系數特性曲線接近于理想漫反射的半圓。

4.1 放映裝置與銀幕表面中心法線不同夾角下的銀幕亮度系數實驗及分析

放映裝置亮度與銀幕測量點固定不變，放映裝置與銀幕距離為2.2米，其他條件都符合測量條件，逐步增大放映裝置光軸與銀幕表面中心法線夾角(即放映裝置物鏡光軸不垂直于銀幕表面)進行銀幕亮度系數的測量，采樣點為8個。通過計算得出夾角在采樣點1時銀幕亮度系數數值最大值為2.635。夾角在采樣點8 時銀幕亮度系數數值最小值為1.725，差值為2.635-1.725=0.91，詳細數據見表1。實驗結果表明放映裝置光軸與銀幕表面中心法線夾角的大小會影響銀幕亮度系數的測量結果。

表1 放映裝置與銀幕表面中心法線不同夾角下的銀幕亮度系數

4.2 同一銀幕上隨機取測量點的銀幕亮度系數實驗及分析

放映裝置亮度固定不變，放映裝置光軸與銀幕法線夾角為0°，放映裝置與銀幕距離為2.2米，其他條件都符合測量條件，選取銀幕上7個不同的測量點進行實驗數據采集。為了避免誤差，每個測量點測量10次取算數平均值。通過計算得出其銀幕亮度系數最大值為2.733，最小值為2.503，差值為2.733-2.503=0.23，詳細數據見表2。由于銀幕表面的涂層采用噴涂技術，涂層均勻性無法完全一致，幕面不同部位在相同照明條件下的亮度系數會有偏差，所以同一塊銀幕的亮度系數也會有所差別，導致測量結果會有所偏差。

表2 S型銀幕(3D 電影銀幕)上不同測量點的銀幕亮度系數

4.3 在同一放映裝置的不同亮度下銀幕亮度系數實驗及分析

銀幕測量相關的國際及行標中沒有規定放映裝置的亮度數值，因此在銀幕測量中，放映裝置的亮度一般不是固定值。

銀幕測量點固定不變，放映裝置光軸與銀幕法線夾角為0°，放映裝置與銀幕距離為2.2米，其他條件都符合測量條件，調節放映裝置的亮度，采集10組不同亮度下的實驗數據，通過計算得出其銀幕亮度系數最大值為2.594，最小值為2.544，差值為2.594-2.544=0.050，詳細數據見表3。因此同一放映裝置的不同亮度，對銀幕亮度系數的測量結果不會產生較大偏差。

表3 同一放映裝置不同亮度下的銀幕亮度系數

4.4 同一亮度計在不同焦距下的銀幕亮度系數實驗及分析

在日常測量中，亮度計需要進行對焦，使測量點成像最清晰，但是每次測量都需要根據銀幕的不同，手工調節亮度計的對焦，且每個測量人員對清晰度的調節也會略有差異。

放映裝置亮度和銀幕測量點位置固定不變，放映裝置光軸與銀幕法線夾角為0°，放映裝置與銀幕距離為2.2米，其他條件都符合測量條件。調節亮度計的對焦，使測量點處于不同的清晰度，選取亮度計對焦環上7個不同的刻度進行實驗數據采集，為了避免誤差每個測量點測量10次取平均值。通過計算得出其銀幕亮度系數最大值為2.558，最小值為2.545，差值為2.558-2.545=0.013，詳細數據見表4。因此亮度計是否對焦，對銀幕亮度系數的測量結果不會產生較大偏差。

表4 亮度計對焦環上不同刻度的S型銀幕(3D 電影銀幕)亮度系數

5 結論與思考

通過對放映裝置光軸與銀幕表面中心法線不同夾角、同一銀幕上取不同的測量點、同一放映裝置的不同亮度下、同一亮度計在不同焦距下四個影響銀幕亮度系數的因素進行實驗數據分析及對比，我們得出以下結論。

(1)對銀幕亮度系數的檢測結果產生較大偏差的因素

放映裝置光軸與銀幕表面中心法線夾角不同：在日常測量中，為了減小這個因素對測量結果帶來的影響，測量人員會用一塊放在銀幕中心點正前方且平行于銀幕的平面鏡，來矯正各放映裝置光軸的位置。當放映裝置發出的光沿光軸方向照射到平面鏡上，平面鏡會產生鏡面反射，把光全部反射回去。若放映裝置光軸垂直于銀幕表面，則平面鏡反射的光會沿著光軸反射回放映裝置。反之，則平面鏡反射的光不會沿著光軸反射，此時需要調整放映裝置光軸的角度，直到平面鏡反射的光沿著光軸反射回放映裝置為止。

同一銀幕上取不同的測量點：為保證測量結果的一致性，日常測量中，測量人員會選擇銀幕的幾何中心點進行測量。

(2)對銀幕亮度系數的檢測結果不會產生較大偏差的因素

同一放映裝置的不同亮度下：檢測實驗室在銀幕測量時，盡量使測量條件滿足銀幕的使用場所和放映質量標準的要求。例如GB/T 36617-2018《數字影院質量 銀幕亮度、色度和均勻度》中規定，數字影院2D 放映時銀幕中心亮度為48.0cd/m±10.2cd/m，因此測量人員在測量影院使用的反射銀幕時，會將放映裝置的亮度調節在48.0cd/m±10.2cd/m范圍內，以體現該銀幕在正常放映狀態下的真實數值。

同一亮度計在不同焦距下：由于該因素不會對銀幕亮度系數的結果產生較大偏差，測量人員只需要將亮度計手動對焦到清晰即可。

6 結束語

本文對上述四組實驗數據進行對比和分析，掌握了測量中影響銀幕亮度系數準確性的因素，確保在檢測實驗室環境下的測量數值更精準，更好地為設備生產廠家提供數據參考依據，為觀眾提供更加良好的觀影體驗。對提升放映質量做出保障，從而推動中國電影的高質量發展，加快實現我國由電影大國向電影強國邁進。