電影虛擬攝制應用中LED 顯示屏光學技術參數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量檢測所），北京 100086

1 前言

《“十四五”中國電影發展規劃》明確提出要加快電影科技創新，“充分應用傳統攝制、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 顯示系統作為顯示背景墻。通過實時渲染系統實現多屏同步，利用攝影機跟蹤系統獲取攝影機位置、角度等外部參數及光圈焦距等內部參數，并通過同步系統確保LED 顯示系統、攝影機跟蹤系統和實時渲染系統保持同步，將高畫面質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，從而在拍攝現場實現“所見即所得”的新型虛擬攝制技術。這種“后期前置”的創作方式給現場拍攝提供真實的環境光照和自由的創作環境，為電影攝制提供了更加便捷的創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節中最后一個元素，但其光學技術參數是影響最終拍攝效果的核心因素，也是LED 電影虛擬攝制系統選擇的重要評價項目。本文對LED顯示屏相關光學技術參數進行分析，對LED 顯示屏光學技術指標進行檢測評估、分析檢測數據，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及檢測數據評估分析

影響LED 電影虛擬攝制畫面質量的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、色域覆蓋率、傳遞函數、位深、刷新率等。本文對LED 顯示屏的主要技術指標進行檢測，根據實際檢測條件，各檢測項目的LED 顯示屏樣本數量略有不同。

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。因此應根據拍攝環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，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不明顯，甚至發生將光反射到觀看區或拍攝區的嚴重后果。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。筆者發現，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決定。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，色調對比度下降或產生摩爾紋。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。為了滿足高質量拍攝效果，LED 顯示屏的箱體（模組）應盡量選擇同批次產品，嚴格管理同批次產品的生產質量，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 下發光所產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，還原虛擬資產的真實場景，LED 顯示屏應在更小的黑場測量信號值就實現全部像素都點亮，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

LED 顯示屏的顯色指數（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（Ra）是R1-R8 的8 種顏色顯色指數的平均值，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（Ra）均低于50，顯色性能較差。

特殊顯色指數（Ri）是R9-R15 的標準顏色樣品的顯色指數，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 數值均為負數，不能正常還原水果、鮮花、肉類的本身顏色；R15數值較差，實拍過程中發現黃種人的臉色發紅，證明本次檢測的LED 顯示屏不能作為環境光源。

當LED 顯示屏自身光譜與日光全光譜的連續性和完整度越接近，顯色指數會越高，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。顏色顯現最佳效果一般以物體在色溫6500K 日光下所顯現的顏色為準。LED 顯示屏的RGB 三色燈珠光譜通常較窄且分布不連續，導致其顯色性水平有限，當以LED 顯示屏顯示畫面作為環境光源時，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，需要選用顯色指數較高的LED 顯示屏作為環境光源，同時補充傳統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色域中覆蓋程度較小（表2）。

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色域調整的LED 顯示屏色域覆蓋率顯示圖

2.9 傳遞函數

LED 顯示屏的傳遞函數（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來進行映射，以糾正亮度感知變化與實際亮度值變化不統一的問題。如果不經過傳遞函數校正，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的轉換。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時，除1塊LED 顯示屏的傳遞函數偏離設置的傳遞函數值，其他基本接近設置的傳遞函數值（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 顯示屏傳遞函數實測值

2.1 0 位深

位深是存儲和顯示數字影像每個顏色所用的位數，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的，亮度數值未實現逐階遞增。

LED 顯示屏的位深代表了LED 面板驅動集成電路的處理與調節能力。當LED顯示屏在暗部常因位深不足而出現斷層現象時，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，以實現暗部平滑顯示。為了實現HDR 顯示，同時避免因位深不足而出現斷層現象，實現更佳的攝影機內視效拍攝效果，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。LED 顯示屏的刷新率遠高于數字放映機，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，畫面顯示也越穩定；刷新率越低，畫面就越可能出現閃爍抖動現象。當LED 顯示屏的刷新率和動態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 顯示屏畫面產生偽影，具體表現為掃描線或閃爍現象。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。灰度等級會影響到LED 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LED 顯示屏閃屏現象。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 顯示屏的暗部細節無法完全顯示或過亮，背景顏色也會產生偏差。原因主要有兩點：LED顯示屏反射率過高和環境光（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 顯示屏檢測中發現，LED 視頻處理器的設置值與LED 顯示屏實測數值存在一定的偏差。筆者檢測時發現，當LED 顯示屏在色溫6500K 和同一傳遞函數的前提下，不同亮度設置所獲得的傳遞函數實測值（表5）和色溫實測值（表6）均產生較大變化。引起問題的原因可能是LED 視頻處理器和LED顯示屏性能穩定性差，LED 顯示屏的溫度與環境溫度沒有達到平衡。因此在拍攝過程中，調節LED 顯示屏的亮度，應多注意傳遞函數和色溫的變化，以避免影響虛擬資產的真實還原。

表5 4塊LED 顯示屏傳遞函數實測值

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域進行檢測，獲取檢測區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據上有一定的偏差。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，國內市場產品的技術參數參差不齊，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量，為我國電影行業的良性發展提供技術保證。

作者貢獻聲明：

李娜：關鍵參數研究和測試、論文撰寫與修訂，全文文字貢獻60%；

王景宇：關鍵參數研究和測試、論文撰寫，全文文字貢獻40%。