白皮書

　　升級我們的游戲

　　改善巨幕的圖像質量

　　——產(chǎn)業(yè)咨詢師 Gord Harris

　　封面圖片-美國Jennifer Chalsty 天文館自由科學中心

　　升級我們的游戲

　　如今，大型影院市場的燈泡型投影機面臨著來

　　自 RGB 激光系統(tǒng)固態(tài)照明的全新挑戰(zhàn)，后者

　　可顯著提高巨型熒幕(GS)圖像質量，同時大

　　幅降低運營的成本。此外，多投影機系統(tǒng)結合

　　針對變形和融合進行自動校準的全新系統(tǒng)。圖

　　像質量遠高于單一4K投影機的解決方案。

　　最近，越來越多的優(yōu)質商業(yè)影院采用了巨型熒幕的 投影技術，巨型熒幕產(chǎn)品與優(yōu)質商業(yè)影院之間的差 異逐漸消失。

　　本白皮書旨在幫助您準確了解圖像質量可取得 哪些改進;為什么它可以創(chuàng)造出具有差別的沉浸 式視覺體及其如何做到，讓巨型熒幕在家用及高 檔商業(yè)影院的沖擊下提高競爭力。本白皮書討論

　　有待改進的關鍵領域，以讓巨型熒幕影院穩(wěn)健地 邁入 DIGSS 2.0(數(shù)字化沉浸式巨型熒幕)中“理 想的未來”，現(xiàn)在就可以馬上行動。本白皮書還概 述了一些關于激光的常見誤解和謬見、HDR( 高 動態(tài)范圍 )和 HFR( 高幀率 )圖像的最新發(fā)展， 并提出了一些在未來仍可能有所改進的領域。

　　分辨率和 MTF(調制傳遞函數(shù))

　　也許巨幕影院最顯著的優(yōu)勢是在廣角鏡頭下仍然保有極高的分 辨率和圖像細節(jié)。在 IMAX 發(fā)展早期，新發(fā)明的 15 孔 70 毫米膠 片的分辨率至少是商業(yè)影院常見 4 孔 35 毫米膠片的 9 倍。

　　通過制作高、寬各多出三倍的屏幕，巨幕影院從大多數(shù)競爭對手 中脫穎而出。但是，如今情況又有何不同?我們所說的分辨率究 竟是什么意思?

　　本文將討論圖像分辨率的兩大類別——空間分辨率和時間分辨率

　　(幀速率)。

　　COSI 天文館

　　空間分辨率以及影響最終系統(tǒng)分辨率的其它因素

　　DIGSS 2.0 規(guī)范只描述屏幕上可尋址的垂直和水平分辨率，而且 直到最近，這些分辨率大多被商用芯片組限制在 4096(h)x 2160

　　(v)左右的像素，并廣泛用于“ 寬屏” 商業(yè)影院以及 4K 分辨率。 但僅僅使用“ 4K 分辨率” 這樣的語句來定義它的性能似乎過于 簡化，因為這種說法忽略了一些影響最終系統(tǒng)分辨率的其他因 素，所以也忽略了不同觀眾對圖像質量的感知。

　　它缺少許多巨幕愛好者考慮的一個關鍵因素——圖像的實際屏 幕高度，不僅僅是寬度。最初的IMAX影院使用 SMPTE(電影電視 工程師學)419M-2005 標準中的 15 孔 70mm 膠片，屏幕寬高比 為 1.43:1，這就意味著寬度比高度高出約 43%。但沒有這樣的投 影機芯片組。并非所有巨型熒幕行業(yè)的人都同意保持這種原本 的“ 四三” 比例，雖然科視已經(jīng)證明用多臺投影機的混合系統(tǒng)可 以精確實現(xiàn)這一點，但其他人則認為，僅使用與普通電影院相同 的比例“ 夠好了” 。如果您只放映好萊塢影片或者數(shù)字電影，也 許確實如此。

　　而由于垂直觀賞的視角要大得多，這樣的說法放到球幕影院中 就無法讓人信服了。事實上，球幕影院會將圓形魚眼鏡頭的主圖 像投射到一個完整的半球上，甚至是“ 四三” 比例的 Omnimax® 或 IMAX® 球幕影院通常也能水 180° 顯示，垂直顯示則大約為

　　126°，從而讓上下的觀眾獲得良好視角。DIGSS 2.0 規(guī)范沒有考 慮到鏡頭性能下降的影響——投影機上使用的光學設備會對焦 距、清晰度、視敏度、對比度以及所謂的“ 調制傳遞函數(shù)”(MTF) 產(chǎn)生巨大的影響，這個我們稍后解釋。屏幕表面的光潔度和聲音 的孔眼也會散射光線，使觀眾看到的系統(tǒng)分辨率有所降低。而且 最終的分辨率或清晰度也取決于觀眾座位的位置。更不用說數(shù) 字電影或表演由攝像機拍攝的制作，并經(jīng)過了后期處理的過程， 其中謹慎程度如何?達到了怎樣的標準?所有這些，還有更多的 因素都會影響最終的系統(tǒng)分辨率性能，而不是“ 4K 分辨率” 一個 詞就能涵蓋的。

　　國家海軍航空博物館

　　升級我們的游戲——改善巨幕的圖像質量 | 3

　　分辨率要多高才夠?

　　最終影響高分辨率質量的不僅僅是投影機上的像素數(shù)量，還 有觀眾眼睛的角度。與人們普遍的認識恰恰相反，20/20 的視 力并不是最完美的視力，只是平均水平。有人會擁有更好的視 力，達到 20/15 甚至 20/13，或通過矯正通常也可以達到這樣 的水準。分辨率沒有標準定義，但在光學上，它是輕易分辨兩 個點間隔很近的衡量方法，例如恒星的間距。通常，視力平均 為 20/20 的人能分辨出相隔約 1 弧分的恒星(六十分之一度=1 弧分=1’)。見圖 1。視力較差的人可能只看到單束光而不是兩 束光。

　　巨幕影院最初的設計是這樣的：坐在中間座位的觀眾可以看 到從屏幕左側到右側大約 90 度的角度，這稱為水平視野角

　　(HFOV)。每度有 60 弧分，這樣中央的觀眾一眼就能看到 60

　　x 90=5400 弧分。由于我們的 20/20 視覺靈敏度僅限于一弧分，

　　這就意味著如果屏幕上有 5400 像素，我們就幾乎無法從中央

　　的座位上分辨出黑白相間的像素。當然，如果你坐得離屏幕更

　　近一點，你就需要更高的像素;如果是在球幕影院，所需像素更

　　高。最好的電影膠片上每毫米可以捕捉多達 100 線對，而 15孔

　　70 毫米膠片幾乎可以捕獲 1 萬線對。

　　實際上，僅使用一臺投影機進行數(shù)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

　　捕獲 15 孔 70 毫米膠片的全比分辨率，不過在其他方面都效果 不錯，而且更為經(jīng)濟實惠。因此，如DIGSS 2.0 規(guī)范所述，巨幕 行業(yè)主要轉向可尋址的 4K 分辨率。水平熒幕數(shù)字投影而言已 經(jīng)“ 足夠好” 。但是，如果您坐在一個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，您大約需要比 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

　　封面圖片-自由科學中心 Jennifer Chalsty 天文館

　　圖 1： 平均眼睛分辨率和視桿視錐在視網(wǎng)膜上的分布

　　分辨率要多高才夠?(續(xù))

　　這就是為什么使用多個投影機的“ 8K 球幕系統(tǒng)” 會比使用魚眼

　　鏡頭的單個 4K 投影機更為清晰的原因。這也是為什么我們真的

　　不應該讓球幕和平面屏幕使用相同的分辨率，因為其視野要窄

　　得多。DIGSS 2.0 標準規(guī)定球幕的最小像素為 4096 H，這么低的

　　像素觀可能觀影效果不佳。

　　如果只提升球幕所用單個投影機的像素，會產(chǎn)生非常大的像素， 即使是座位最好的觀眾也會看到令人煩心的巨大像素點，而坐 在兩邊的效果則更為糟糕。這也明顯低于 15 孔 70 毫米膠片的 分辨率。如今，許多標準電影院在更小的熒幕上使用相同的分辨 率，許多家庭已擁有“ 4K” 電視。巨型球幕和影院需要創(chuàng)造一種 令人難以置信的體驗，讓人們走出家門，獲得電影院和家中無法 實現(xiàn)的體驗。

　　科視為 D3D Cinema 的客戶研發(fā)了一種更好的球幕解決方案。

　　該系統(tǒng)在縱向模式下使用三臺混合 4K 投影機，可實現(xiàn)總共約 22

　　個可訪問的百萬像素，相比之下，任意單個 4K 投影機解決方案

　　只有 8.8 個百萬像素。

　　這個 1X3 呈像系統(tǒng)擁有 5.7k 可訪問的水平分辨率和全高寬比， 四三比例球幕為 4K 分辨率。在一個只有 2160 垂直像素的球幕 上，它看起來比 4K寬屏更清晰。

　　而像 Evans&Sutherland 這樣的公司，則在一個完整的球幕上安 裝 5 至 10 架投影機，可訪問分辨率甚至比 1X3 系統(tǒng)還要高。我 們已了解水平巨幕的分辨率需求比球幕低得多：一個約為 2200 萬像素的 1×3 縱向水平解決方案明顯優(yōu)于以前 880 萬像素的單 投影機 4K 解決方案——在效果上至少提升了三倍。

　　新加坡歐姆尼劇院

　　升級我們的游戲——改善巨幕的圖像質量 | 5

　　調制傳遞函數(shù)(MTF)是什么?它與圖像質量有什么關系?

　　在現(xiàn)實世界中，無論我們怎樣傾斜我們的頭部，視敏度都差不

　　多。換句話說，我們對垂直或水平線以及在任何角度下都有著

　　同樣清晰的視覺(例如垂直分辨率=水平分辨率的情況下)。要

　　重現(xiàn)我們自然看到的圖像，應使用正方形像素，而不是矩形像

　　素;將膠片捕獲像素的形狀與投影像素匹配起來自然也很重要，

　　否則就會導致圖像失真。一些膠片系統(tǒng)會使用變形鏡頭，從而

　　投影過程中拉伸圖像。如果使用正方形像素的DMD，那這些像

　　素就會被拉長，而不再是屏幕上的正方形。因此無法實現(xiàn)統(tǒng)一

　　分辨率，而由于人眼每弧分看到的光學線數(shù)對有限，在像素拉

　　長方向上的分辨率看起來就會變低。這表明球幕使用標準非變

　　形鏡頭和正方形像素的系統(tǒng)在MTF 方面要優(yōu)于使用變形或魚眼

　　鏡頭系統(tǒng)。

　　在物理或光學領域，MTF 遠優(yōu)于 DIGSS 2.0 中對于分辨率概念 的簡單描述(可訪問的元板像素)。我們應該關心最終系統(tǒng)的 MTF，而不僅僅是投影機芯片組有多少“ K” 。要具體了解 MTF 的定義，請查看圖2.

　　此外，如果混合系統(tǒng)中的多個投影機使用標準鏡頭，則每個鏡

　　頭的 MTF 更高，熱負荷更低，景深效果更好，總體圖像質量

　　比任何使用單個魚眼鏡頭的球幕都要高。Evans & Sutherland

　　于 2016 年在安大略科學中心使用了科視的投影機和鏡頭，為

　　GSCA 用十架投影機進行了 8K 球幕演示，并與 15 孔 65 毫米膠

　　片和魚眼鏡頭的單臺投影機進行并排測試相比，效果非常明顯。

　　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)

　　圖 2： MTF 的含義——一種比以” K” 論分辨率更好的測量方法

　　芝加哥-科學與工業(yè)博物館

　　升級我們的游戲——改善巨幕的圖像質量 | 7

　　色彩容量

　　科視的科學家 Mike Perkins 創(chuàng)造了一個全新 3D 視覺空間，他 稱之為“ 色彩容量” ，用以更好地解釋HDR(高動態(tài)范圍)和 WCG(寬色域)如何協(xié)同作用，從而提供更好的圖像。在數(shù)字圖 像中，可以將所有像素視為代表直接光源、漫射光源或鏡面光源

　　(參考圖 3)。直光來自實際光源，如背景中的夕陽。漫射光類 似馬路上的路石，環(huán)境光向多個方向反射，外觀更為柔和。鏡 面反射則好像鉻制擋泥板或車身，它們像鏡子一樣定向反射光 線，給人一種堅硬的金屬質感。大多數(shù)真實場景都兼具漫反射 和鏡面反射的特征。而當鏡面反射面直接向觀眾反射光線時， 我們就會得到“ 鏡面高光” 。一個很好的例子是優(yōu)秀的肖像畫中 人眼會露出白光，不然就會顯得呆板而沒有生氣。

　　直光

　　漫反射

　　鏡面高光

　　圖 3： 像素類型

　　圖 4： 圖像缺少鏡面高光

　　圖 5： 模擬鏡面光的色調

　　圖 6： HDR 圖像擁有復雜的光線組合

　　.

　　520

　　0.8

　　540

　　HDR 對顏色的影響

　　如果標準對比度的顯示設備呈現(xiàn)的圖像鏡面高光較少，則觀眾 會認為圖像過于“ 平淡” ，亮度峰值較低。而在HDR顯示設備 上，增加亮度并不是用來使圖像的大部分區(qū)域更亮，而是主要 保留鏡面反射，讓鏡面高光區(qū)域閃爍。請查看圖 4 和圖 5，對比 本地的反差。

　　像黑色汽車這樣的圓潤物體會呈現(xiàn)出更加富有曲線的外觀，而 閃閃發(fā)光的前照燈和輪轂等細節(jié)也在HDR中變得更為逼真，同 時使大部分圖像并沒有受到影響或變得更亮。如果對風扇葉片 上測量的亮度進行 3D 繪圖(圖 6)，則可看到?jīng)]有鏡面高光的“

　　0.7

　　0.6

　　500

　　0.5

　　y

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　　0.3

　　0.2

　　0.1

　　490

　　480

　　470

　　460

　　560

　　580

　　600

　　620

　　700

　　HDR 10

　　Rec. 709

　　平淡” 圖像具有幾乎扁平的輪廓，但在 100%鏡面高光下，風扇 葉片中的細微色調就會體現(xiàn)出來。正是這種再現(xiàn)自然光照下輪 廓的能力，使得 HDR 圖像比標準動態(tài)范圍投影機的效果更為逼 真。HDR 能與更廣泛的激光色域相結合，從而實現(xiàn)強大的效果。

　　0 0.1 380 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

　　x

　　圖 7： REC709 和 HDR10 的 2D 色域對比。

　　原因是色域的面積會因峰值亮度而成倍增加，讓我們得到顯示

　　設備可提供的所有色彩容量。在 100 cd/m2 的校準顯示設備上

　　有望呈現(xiàn) REC.709 內(nèi)容，但家居中的大多數(shù)現(xiàn)代高清電視的運

　　行速度都有顯著提高，達到接近 300 cd/m2，HDR10 顯示設備

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

　　1931 的 2D xy 色彩空間中的外三角形沒有那么大，所以看起來

　　并沒有什么驚艷之處。但如果添加三維亮度并旋轉圖形，則可

　　以看到顯示的總顏色體積遠遠大于 REC.709(圖 8)。

　　所以真正的色彩是一種三維現(xiàn)象，原因是色域的面積會因峰值 亮度而成倍增加，讓我們得到顯示設備可提供的色彩容量。在 圖 9 中，HDR10 的色彩容量是如今我們所用的 DIGSS 2.0 標準 下 REC.709 色彩的七倍。準確模擬現(xiàn)實世界的唯一方法是使用 HDR 顯示設備，因為它兼具更高的峰值亮度和更寬的色域。科 視的 RGB 激光放映機擁有 HDR 功能，可在影院中呈現(xiàn)更加準

　　1

　　0.9

　　0.8

　　0.7

　　0.6

　　L 0.5

　　0.4

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　　0.1

　　0

　　0.8

　　0.6

　　Y

　　0.4

　　0.2

　　00 0.2

　　0.4 0.6 0.8

　　X

　　確而真實的色彩。

　　圖 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

　　圖 9： 在 IPT 色彩空間中，HDR10 的色彩是 REC709 的七

　　倍。

　　幀速率/時間分辨率

　　之前的板塊主要聚焦靜止(非動態(tài))的圖像。但在巨幕電影或數(shù)

　　字電影中呈現(xiàn)動態(tài)圖像時會發(fā)生什么?動態(tài)細節(jié)是另一個問題，

　　之前電影投影機每秒 24 幀的幀速率出現(xiàn)了許多問題?？埔曂队?/p>

　　機兼容每秒 24 幀的投影機，但如有足夠的投資，還可以為您提

　　供更高的幀速率選項。當大屏幕上的圖像相對靜止時，我們可

　　能會有難以置信的靜態(tài)空間分辨率，而如您所知，精致細節(jié)會

　　在動態(tài)效果下迅速消失。然而，正是這些動人鏡頭中的精致細

　　節(jié)使得高分辨率的巨幕電影如此引人入勝。我們將有效視覺分

　　辨率與“ 時間分辨率” 或“ 動態(tài)分辨率” 區(qū)分開來，而后者主要

　　受每秒幀數(shù)(FPS)中幀速率影響。

　　4500

　　4000

　　3500

　　3000

　　2500

　　2000

　　Frame Rate in FPS

　　24 fps

　　48 fps

　　60 fps

　　96 fps

　　120 fps

　　時間分辨率會影響許多感知要素，包括我們稱之為“ 頻閃” 的 效果，當我們做諸如快速移動拍攝或快速飛越美景時，這種效 果會導致急促、跳躍和卡頓的情況。這種頻閃是巨幕電影的最 大限制之一，而電影制作者也會竭盡全力將其降到 24 幀。你 可以明顯地注意到這種現(xiàn)象，特別是飛行拍攝的明亮圖像的邊 緣，例如黑水上會有白色的波紋，還有其他高對比度的物體， 它們互相向屏幕或球幕的邊緣發(fā)散。在這樣的天空中，觀眾唯

　　1500

　　1000

　　500

　　0

　　0 2 4

　　6 8 10

　　12 14

　　16 18 20

　　一能看清的就是畫面中央飛來的東西——其余部分都有嚴重的 卡頓。

　　動態(tài)的時間分辨率會影響另一個因素——運動物體呈現(xiàn)的清晰 度或視敏度。我們通常稱之為“ 拖尾” 或“ 動態(tài)模糊” ，它們能 夠使物體的邊緣變得模糊。幾乎所有全球幕影院都使用 60 幀的 星光秀，以確保物體的清晰度，即便是平板屏幕也可以在每秒 3 度的運動速度下以 60 幀保持 2K 的分辨率。(圖10)顯然，120 幀

　　(紫色)是其中最為清晰的，正如科視、Doug Trumbull、Pierre Routhier 和 Gord Harris 在多次 GSCA 會議上所展示的那樣。 實際上，在這些幀速率中，1120 幀的 HFR 得到觀眾對圖像質 量的最高評價，結果如圖 11 所示。安大略省多倫多約克大學的 Laurie Wilcox 博士進行的一項感知研究也發(fā)現(xiàn)，無論內(nèi)容如何 觀眾都明顯傾向于更高的幀速率，而對于高動態(tài)的圖像，60 幀 或更高的幀速率尤佳。這些發(fā)現(xiàn)與模擬和游戲的結果一致，后 者幾乎總是以每秒 60 幀或更高的速度運動?？埔暭夹g將許多飛 行模擬器調整為 120 幀，以便全球安全飛行公司(FlightSafety International)之類的企業(yè)擁有更好的動態(tài)分辨率。

　　Pan rate (degrees/second)

　　圖 10： 即使是較小的移動速率，有效分辨率也會大幅下 降。

　　20

　　18

　　16

　　14

　　12

　　10

　　8

　　6

　　4

　　2

　　0

　　1 2 3

　　4 5 6

　　7 8 9 10

　　Image Quality (1 to 10)

　　圖 11： GSCA 觀眾對 120 幀圖像品質的評價投票。

　　最新科視 4K RG B激光放映機系列能夠實現(xiàn) 4K 分辨率的多種幀

　　速率，包括每秒 24、48、60 和 120 幀。針對部分特殊應用，投

　　影機甚至能在 2K 分辨率下達到240 和 480 幀。這也是飛速運行

　　的像素時鐘不可或缺的。Christie Trulife™ 電子平臺有一個有效

　　的像素時鐘，可以通過標準融合和變形達到每秒輸出 12 億像素

　　(gpx/s)，實現(xiàn)多個投影機顯示。這是 HFR 的獨特優(yōu)勢。在大多

　　數(shù)圖像質量中，240 幀高頻比 24 幀高出一個量級，但對于巨型

　　熒幕來說，這是一項非常高昂的開支。

　　盡管看起來很好，巨幕行業(yè)的共識似乎傾向于 60 幀或某種可變 幀速率，而不是轉變到 120 幀或超過 HFR。要將當前幀速率提 高五倍，顯然會對拍攝、處理和提供數(shù)據(jù)和服務器的成本造成影 響。沒有多少攝像系統(tǒng)可同時拍攝高分辨率、高清晰度和高空間 分辨率的圖像，而且后期部門一般沒有為存儲和處理五倍的幀 率做好準備。影片制作者很喜歡使用“ 慢動作” ，尤其對于野生 動物巨幕拍攝而言，幾乎是不可能都以 120 幀的速度拍攝來拍 攝一切的。數(shù)據(jù)管理商也面臨著 60 幀 4K 文檔過大的挑戰(zhàn)。服 務器必須在同時運行，才能以 4K 分辨率實現(xiàn) 120幀。以 4K 分辨 率 60 幀的速度兩次偶/奇數(shù)幀的輸送在如今已經(jīng)很常見，它也

　　是 4K 分辨率 120 幀所需的主心骨。但總體來說，很多人認為 60 幀的成本適宜，并用于全球幕、游戲和模擬器領域，將幀數(shù)從 24 提高為 60 是一個“ 足夠好” 的改進，同時也證明確實有效。

　　而對于純屬虛構的想象作品，比如故事性電影，24 幀似乎夠用 了，也許我們的大腦會自動填補其中的細節(jié)。具有這樣想法的觀 眾忍受頻閃、閃動和動態(tài)模糊，并將其視為電影在畫面上不可避 免的制約。但對于希望用“ 身臨其境” 的感覺來吸引人們的巨幕 紀錄片，使用 60 幀或更高的 HFR 投影機會有諸多益處。雖然投 影機可以處理這個問題，但卻不清楚可變幀速率的捕捉、發(fā)布和 分銷的后勤工作——視覺效果已經(jīng)是一個問題，因此降低幀速 率的標準化會使巨幕行業(yè)進一步分裂。Showscan 工作室的先鋒 Doug Trumbull 用他的 MAGI 流程展示出模擬器和 3D HFR 可以

　　從 60 幀顯示設備中獲益，通過接近 120 幀的 3D 圖像達到純凈

　　的感知效果。但很少有人見過這樣的系統(tǒng)，它們似乎僅用于某些

　　特殊場合。

　　Digs2.0 建議將巨幕影院的全新標準幀速率設為 60 幀或更高，這 似乎是介于 24 幀和 120 幀之間的合理折衷。

　　更多關于HFR的信息，請查看《LF 觀察第 19 卷(LF Examiner Vol. 19,)》,《巨幕影院服務器第 7 節(jié)( No. 7 “Servers for GS Cinema”)》《HFR 演示調查第 19 卷第 5 節(jié)(HFR Demo Survey Results)》,《巨幕影院HFR案例(“The Case for HFR in Giant Screen Theaters”)》第 19 卷，第 6 節(jié)”。

　　科視Christie MirageSST

　　4K、30000 流明、光纖耦合 RGB 激

　　光投影系統(tǒng)

　　科視Christie D4K40-RGB

　　4K、40000 流明、一體式

　　投影機

　　對比度和動態(tài)范圍

　　圖像對比度可使電影“ 流暢” 和“ 清晰”(圖 12 和13)。您通?？?以依靠電影制作者來處理圖像的對比度，但如何呈現(xiàn)或展示這 些圖像則取決于投影機和鏡頭的性能，以及其它系統(tǒng)的因素。 也許是因為我們是從綠色的植被世界進化而來，我們的眼睛對

　　530 到 580 納米波長之間的黃綠光最為敏感。因此對 430 納米 附近的藍光或 680 納米附近的紅光最敏感。我們眼睛適應白光 稱之為白晝視覺，我們的靈敏度會在555 納米左右達到峰值。 我們談論圖像對比度時，我們通常指的是圖像中最暗(黑)和最 亮(白)部分的不同亮度。

　　理解和測量對比度 那么我們能感知多少對比度呢?結果令人難以置信。我們的眼

　　睛可以依次感知大約九個量級的亮度，從大約1/1000 勒克斯的

　　星光到 100000 勒克斯的太陽光，但不能同時看到。因為現(xiàn)實

　　世界中的亮度范圍如此之大，我們的眼腦系統(tǒng)會用對數(shù)形式呈

　　現(xiàn) S 形反應曲線，從而將現(xiàn)實世界的亮度壓縮到 50:1 到 100:1

　　左右的感官體驗。標準投影機的對比度通常限制在 1500 到

　　6000:1 之間。DIGSS 2.0 規(guī)定巨幕的最低標準為 1500:1。如今，

　　許多數(shù)字圖像的所有色彩仍然只有 8 位，僅能呈現(xiàn)28 或 256 級

　　的對比度。那么我們?nèi)绾胃鶕?jù)需要獲得高達數(shù)千比一的圖像對

　　比度呢?

　　我們眼睛會耍一個小花招，用一個稱為伽馬曲線的非線性曲線 來擴大投射的光的范圍。“ 亮度(brightness)” 一詞常與“ 發(fā)光 度(luminance)” 混淆。發(fā)光度是物品表面光的測量，而亮度則 是物品表面的主觀外觀。粗略地說，圖像對比度是指屏幕上白 與黑之間測量到的同單位的亮度之比，例如 fL(英尺朗伯——一 個英尺朗伯是黃昏天空的發(fā)光度，是人類彩色視覺的最小值)。 如果白色區(qū)域的測量值為 100fl，黑色區(qū)域的測量值為 0.1 fl，我 們將其稱為對比度 100/0.1=1000:1。

　　圖 12： 低對比度(左)和高對比度(右)圖像

　　圖 13： 對比度效果對分辨率感知的影響 越高越好，通常最多可感知到的對比度為 1000:1

　　在理解和測量對比度(續(xù))

　　場景中測量對比度的一種常見方法是呈現(xiàn)某種棋盤式黑白矩

　　形，其大小便于光度計的測量。專業(yè)術語將其稱為“ 幀內(nèi)對比

　　度” ，因為它是在同一個屏幕的同一幀內(nèi)同時顯示，而不是按

　　順序依次顯示。這個比例不會隨亮度而變化太多，畢竟它只是

　　一個簡單的線性比例。入射光測量儀能很好地測量序列對比度，

　　即在投影機上顯示全白色，類似于膠片中的“ 開門” 測量，隨后

　　顯示全黑色，一次顯示一個。整個投影出的圖像要么是全黑，

　　要么是全白，以此來測量序列對比度。DIGSS 2.0 中的序列對比

　　度或“ 幀內(nèi)對比度” 往往都很高，在標準投影機上通常為數(shù)千比

　　一。

　　亮度測光表通常用于測量屏幕上任意一點的亮度和對比度，而 在巨幕影院或球幕這樣有六層樓高度且難以觸及的地方，則通 常使用入射光測量儀。根據(jù) DIGSS 2.0 指南，要獲得優(yōu)質圖像， 您至少需要 150:1 幀內(nèi)對比度。而在巨大的平面屏幕影院中， 所有正常的出口標志和樓梯燈都會亮著，這會沖淡屏幕上的黑 色。所以顯然您的影院越暗越好。保持序列和幀內(nèi)的高對比度 都至關重要。根據(jù) DIGSS 2.0，連續(xù)圖像對比度的最低標準是

　　1500:1，但如果您真的想在全黑影院里呈現(xiàn)高品質影片，匹配 電影拍攝使用的最佳膠片，那么您應該希望在屏幕的對比度達 到 4000:1 或更高。

　　了解 HDR

　　全新科視 HDR(高動態(tài)范圍)投影機實際上可以投射超過 100 萬 比 1 對比度范圍(六個量級)的光線。雖然沒有現(xiàn)實世界的十億 分比一那么高，但也很接近了。

　　科視最新 RGB 激光投影機擁有動態(tài)范圍極高的 HDR 單元，它 們通過使用德州儀器的多個 DMD 調制器，投射出超過 100 萬 比 1 對比度范圍(六個量級)的光線。雖然沒有現(xiàn)實世界的十億 分比一那么高，但也很接近了。

　　當在天文館通過這樣圖像觀看夜空群星時，就能體驗到壯觀的

　　效果，那就像您所見過的最美麗夜空，明亮而清晰的群星讓您

　　眼花繚亂?？埔曂瞥龅倪@些全新投影設備在對比度方面優(yōu)于所

　　有電影放映機。

　　與膠片或老一代的放映機不同，黑色即為完全黑色，所以您不 會看到畫面的邊緣，也看不到多投影機在球幕上的混合區(qū)域。

　　您可能好奇這些最新超高對比度 HDR 投影機是否真的對球幕 卓有成效?DIGSS 對球幕的幀內(nèi)對比度要求只有 10:1?要理解 這一點，您就得知道當球幕的一半或更多部分被50/50 ANSI 的 黑白測試圖照亮時，就會出現(xiàn)這種情況。在半球幕中，限制對 比度的最大因素之一是來自屏幕其它部分光線的交叉反射。例 如，從測試圖或明亮物體(如太陽、月亮或航天飛機)上照射到 球幕側面的全白光將直接在球幕上反彈或反射，從而照亮圖像 中的黑色或較暗區(qū)域。因而黑色會變得更像灰色，從而降低對 比度。不僅是直射光，從屏幕上散射而出的漫射光會散向任何 方向，并降低屏幕上其它較暗的區(qū)域。球幕的涂料越亮，反射 率越高，光線反彈的次數(shù)就越多，而每次反彈都會通過交叉反 射沖淡黑色。

　　在巨型球幕發(fā)展早期，客戶不太了解這種影響，認為白色球幕 更亮更好。有的甚至使用反射率為 90%或以上的平面涂料。所 以系統(tǒng)的對比度非常低，低到 2:1 或 3:1。這是一個常見的錯 誤，即認為圖像的亮度比對比度重要。而我們現(xiàn)在知道，改善 系統(tǒng)對比度的更好解決方案是使用低反射率的涂料。例如，如 果同軸的峰值反射率僅為 30%，而不是 90%，這樣 70%的入射 光就會被吸收，而不是被反射，則圖像的白色部分會變暗，并 且交叉的反射光在幾次反射后會快速衰減，而由于反射光較少， 每個黑色的區(qū)域就都會保持更暗的狀態(tài)。由此帶來更好的 ANSI 對比度。我們的眼睛能夠很快地適應場景中不同的亮度，但是 它們不能適應或糾正較低或者丟失的對比度。

　　球幕 HDR

　　讓我們回到球幕 HDR 的問題上來——既然這樣，為什么還要為

　　球幕使用序列對比度為 100 萬比 1 的投影機呢?答案是它們帶

　　來的圖像仍然比普通投影機的要好很多，因為電影制作者往往

　　很聰明，不會像 50/50 ANSI 對比度圖表那樣用白色來填充半個

　　球幕。實際上，柯達公司已經(jīng)確認室外場景的平均反射率更接

　　近18%。舉一個極端的例子，如果在黑色天空中有白色的恒星

　　或鏡面高光，其中可能只有 1%的屏幕是全白的，其余部分都是

　　暗的，系統(tǒng)對比度可能接近 150:1，或者會在更大的平面屏幕上

　　看到的相同對比度，因為很少有白色區(qū)域會交叉反射來照亮黑

　　色。實際上，科視已在平板屏幕上測量超過 20000:1 的局部對

　　比度：在角落處有白色的小方格，屏幕中央為黑色，即使鏡頭

　　中有散射光，還有一些房間的背光反射。現(xiàn)在一家完全變暗的

　　天文館可以與這個星球最黑暗的天空形成對比，因為 HDR 的

　　RGB 激光投影機可以使白色變得更為明亮，黑色更加黯淡。

　　更好的像素需要更高的動態(tài)范圍、更好的對比度，更深的黑色， 這樣 RGB 激光投影機才能真正地發(fā)光發(fā)亮。此外，我們還可以 輕松地發(fā)現(xiàn)文物，特別是在較暗的區(qū)域，或者也可以用于平滑 過度的區(qū)域，例如藍天。DCI 規(guī)范的每種色彩會使用 12 位色彩 空間，我們之后也會看到它可以讓 Rec 2020 有更好的色彩。目 前，Dolby Vision 影院和其他由科視生產(chǎn)的投影機的各個部件 都使用 12 位色彩。DIGSS 規(guī)定每種色彩最低為 8 至 10 位，或 者更高。Rec 2020 規(guī)定各部件最少為 10 位。

　　要保持 HDR 對比度，那么在高分辨率服務器中實現(xiàn)每種色彩都

　　超過 8 位則是自然光學混合的實際要求?？赡苓€需要改進整個

　　巨幕背后的生產(chǎn)鏈，以充分利用全新 HDR 和 HFR 投影機。否

　　則會出現(xiàn)屏幕輪廓和其他令人不快的違和感，從而降低原本壯

　　觀的圖像質量。

　　曼谷天文館

　　對比度也隨著環(huán)境光的增加而呈出現(xiàn)出指數(shù)級下降。因此根據(jù) 安全規(guī)定，應將影院或球幕內(nèi)所有的環(huán)境光源盡可能降到最低， 這對獲得最佳圖像至關重要。如果一個 8000:1 對比度的投影機 展現(xiàn)的是 DIGSS 標準下 20fL 白色影片，而您想看到這種對比 度的投影機所帶來的好處，那您的目標應該是讓屏幕上的黑色 達到或低于 20/8000=0.0025 fL。環(huán)境光和屏幕增光(尤其是球 幕)對系統(tǒng)的對比度有很大影響?，F(xiàn)代 HDR 鏡頭設計是獲得良 好對比度的關鍵。

　　大湖區(qū)科學中心的克利夫蘭診所球幕影院

　　總結

　　我們通過本白皮書了解到在一個巨型熒幕的影院中，如何通過

　　接近真實世界中的人類感知需求實現(xiàn)“ 身臨其境” 的感覺。充分

　　的亮度，生動的色彩，逼真流暢的動態(tài)，卓越的 MTF 和高動態(tài)

　　范圍都可以通過精心設計的 RGB 激光投影系統(tǒng)實現(xiàn)。當然，在

　　追求更高性能的同時，還必須權衡尺寸、電力和成本?？埔曁?/p>

　　供各種 RGB 解決方案，以適應不同的大屏幕市場和成本預算。

　　科視最近在 RGB 激光、自動校準系統(tǒng)和光學設計方面的銳意發(fā)

　　展，提高亮度、色彩容量、幀速率和動態(tài)范圍，同時大大簡化校

　　準和維護并降低成本，從而顯著地改變了 LF 行業(yè)的情況。超高

　　的分辨率足以媲美超過 15 孔 70 毫米的膠片，現(xiàn)在還可以使用

　　多個混合投影機實現(xiàn)自動變形和融合，呈現(xiàn)出天衣無縫的圖像。

　　科視堅信，我們現(xiàn)在可以通過為巨幕影院和球幕提供我們的

　　RGB 激光解決方案來實現(xiàn) DIGSS 2.0 中大部分“ 夢寐以求” 的

　　配置。

　　聯(lián)系專家

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