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            解析舞臺用LED屏的像素距該如何選擇

            2020年10月14日 15:23  來源:中國數字視聽網  字體【   

            【數字視聽網訊】當舞臺上的LED顯示屏作為演出背景時,希望它以絢麗柔和的畫面與臺上演員的表演共融為一體,為觀眾帶來美好的視覺感受;當舞臺上的LED顯示屏作為顯示節目的唱詞或其他文字信息時,希望它顯示的文字清晰易辨。這些效果的完美實現是各演出團體集中關心的一個重要問題。

            LED顯示屏的顯示面是由許多作為像素的發光二極管組成的,單位面積的像素數量取決于兩相鄰像素的距離,業內通常稱為“PX”,P后面的數值X是指相鄰兩個像素中心之間的距離,也稱為點間距、點中心距或像素間距、像素距等,單位為mm。例如,像素距5 mm的顯示屏被稱為該屏的點間距為P5。X數值較大的顯示屏會使觀察者感到圖像粗糙、有“顆粒感”,如果減少X的值就會改善圖像質量。因此,屏面相鄰像素的距離“PX”是考察LED屏質量優劣的一個重要技術參數。

            如果像素間距X的數值減少一倍,同等面積的像素數量將增加4倍,背板元器件的密度也要提升4倍。這樣,相應生產成本就會增加,產品的銷售價格也幾何倍數增長。因此,如何選擇合適的像素間距,在不影響或少影響視覺質量的前提下降低成本降低售價,是用戶和生產企業都在密切關注的重要問題。

            事實上,觀察者看到的圖像粗糙、有“顆粒感”,是由顯示屏像素間距和觀察者與顯示屏之間的距離兩個因素造成的。減小像素間距或者增大觀察者與顯示屏之間的距離都可以消除圖像的“顆粒感”,改善視覺質量。由于劇場的觀眾與舞臺間的距離是相對固定的,完全可以從觀眾的視距和顯示屏的像素距之間尋找一個既不影響視覺質量又不盲目增加成本的平衡點。如何實現平衡,就需要先從人眼的視覺特點來進行了解。

            遺憾的是,至今還沒有舞臺演藝用LED顯示屏的技術標準。以哪些技術參數來選擇顯示屏才能得到理想滿意的舞臺效果,是許多劇場和演出團體非常關心的問題。筆者有幸承擔了2018年文旅部的研究項目《劇場舞臺用LED顯示屏規范》(項目編號WH/Y02-2018),對劇場舞臺用LED顯示屏應具有的技術參數做了較深入的研究。在此,從人眼的視角、視力對LED顯示屏技術參數的影響情況作一闡述,供劇場和演出單位參考。

            1 人眼的視角和視力

            視角表示從物體的兩端點各引直線到眼節點的夾角。視角的大小直接關系到視網膜像的大小。最小視角是指人眼能分辨物體兩點間的最小距離對應的視角。最小視角的倒數是視力,能分辨的視角越小,其視力越好[1]。

            檢查視力常用的視標有“E”字母或“C”環等。正常人的視力是1.0,最小分辨視角為

            1,研究認為人眼的潛在分辨能力可達2.0或以上(相當于分辨視角達到0.5′或更小)。

            例如,觀眾對面屏幕上有兩個點,它們在視網膜上像的光能分布呈點擴散函數。當兩點

            很靠近時,兩個分布函數重疊形成一個大點,而不能被分辨。當它們逐漸分開,重疊減小,便形成波峰和波谷,當波谷強度占波峰的比例小于一定值時(小于74%),才能被辨認為兩個點(圖1)。在剛剛能辨別時,兩個點所對應于眼節點的夾角即為最小視角[1]。

            科技與生活視野

            圖1 兩點間距與光能分布關系

            由此可知,對于擁有正常視力的觀眾(視力為1.0),顯示屏上兩相鄰像素與觀眾眼節點之間的夾角小于1′時,這兩個相鄰像素在觀眾的視覺上的呈像會被重疊,這種情況下,觀眾看到顯示屏圖像時就不會出現“顆粒感”。

            2 視角、視力與顯示屏像素距的選擇

            圖2中S1、S2為相鄰的兩個像素點,像素點間的距離為A,與觀察者眼節點之間距離為D,兩個像素點與眼節點所聯直線的夾角為α 。


            圖2 視角與像素距離的關系

            由于角α非常小,所以像素點S1、S2之間的距離A可以看作兩點間的弧長,則:

            α(rad)=A/D (1)

            式(1)中,α 單位為弧度(rad),1弧度=57.3°,或者等于3 438分,正常人的最小分辨視角為1′(rad),式(1)中的α =1′(rad)轉換為角度得到:

            1/3438=A/D (2)

            即:A=D/3 438 (3)

            式(3)中,A為正常視力者(視力為1.0)在距離D時所能分辨兩個像素點的臨界值。

            對于視力為2.0的超常視力者(視角為0.5′)得:

            A=0.5×D/3 438 (4)

            由人眼的視覺特點得到的式(3)和式(4)可用來作劇場選擇LED顯示屏像素間距的依據。

            例如,某劇場擬選購一面LED顯示屏取代傳統的天幕,該劇場第一排的觀眾距離舞臺天幕為25 m,D值代入式(3)、式(4),分別得A =7.27 mm,A=3.64 mm。

            這個結果提示,如果選用小于P7.27的LED屏,對于劇場第一排擁有1.0正常視力的觀眾,就不會出現屏幕畫面的粗糙顆粒感了;如果選用小于P3.64的LED屏,那么,即使視力高達2.0的觀眾坐在前排也不會感覺屏幕畫面粗糙的發光顆粒了。因此,該劇場可根據自己的具體情況選用P7.27~P3.64的LED屏。選用顯示屏的像素距過大會影響圖像質量,過小則會增加不必要的投資。

            3 視角、視力與字幕屏字型的大小

            一些劇場臺口的周圍常常裝有由LED點陣組成的字幕屏。字幕屏通常用來顯示演出節目介紹、演員的唱詞、演出間隙的廣告以及會議的會標等。因此,這一類屏的主要用途是顯示屏幕上的文字信息,觀看文字可能產生的粗糙感、顆粒感并不重要。

            LED顯示屏是用點陣的方式來顯示漢字的。現行的國家標準中規定了多種點陣的漢字字型,例如:11×12點陣、15×16點陣、24×24點陣、48×48點陣、64×64點陣等。它們利用點陣中像素點不同的黑、白(或暗、亮)組合來顯示漢字或字符。這里表示漢字的點陣與LED屏的像素點陣不是一個概念。LED顯示屏顯示漢字時,屏幕點陣可以與漢字點

            陣一一對應,也可以按比例對應,如一個漢字點陣中的一個點對應屏幕的4個像素或9個像素等。

            圖3是國家標準字庫中不同點陣“永”字的截圖,從左到右分別是11×12(橫向×縱向)點陣、15×16點陣、24×24點陣、32×32點陣、48×48點陣、64×64點陣。


            圖3 不同點陣字的效果

            由圖3可以看出,點陣的數目較少時,顯示出的字形較粗糙,撇、捺一類的傾斜筆畫呈鋸齒狀,增加點陣的數目顯示出的字形趨向美觀,既可減少筆畫的鋸齒感,還可以顯示出宋、楷、黑、仿宋等不同的字體,以及顯示出起筆、收筆等筆畫細節。由此可知,組成漢字的點陣數目越多視覺感官越好。但是,從信息的傳輸、存儲考慮,則點陣數目越少越有利。

            臺口周圍的LED字幕屏任務是為觀眾提供文字信息的,在滿足顯示文字信息的基礎上,可以選用點陣偏少的字型。圖4(a)和圖4(b)分別是國標中漢字“董”的11×12點陣和15×16點陣字型的截圖。


            圖4 不同點陣的字形效果

            由圖4(a)可以看到,“董”少了一些筆畫,這是由于組成漢字的點陣數太少,不得已而為之。

            現行國家標準GB/T 37022-2018《信息技術 通用編碼字符集(基本多文種平面)漢字11×12點陣字型》中,由于受點陣柵格數少的限制,其中有7 287個漢字進行了減省筆畫的處理[2],占其所提供全部27 754個漢字的26%以上。這對于公共場所中的信息傳播是難以接受的。

            現行國家標準GB/T 19966-2019《信息技術 通用編碼字符集(基本多文種平面)漢字15×16點陣字型》中,由于受點陣柵格數少的限制,其中有1688個漢字進行了減省筆畫的處理[3],占其所提供全部27 754個漢字的6%以上,考慮到這6%中大多是筆畫多的生僻字,所以15×16點陣字型基本可以滿足信息傳播的需求。

            綜合上述因素,用于劇場的舞臺LED字幕顯示屏應該至少能夠顯示15×16點陣漢字字型。因此,只要看清和分辨LED屏相鄰兩格柵就能夠識別顯示的漢字(圖5)。


            圖5 點陣字形與LED格柵的對應

            圖5中,設某劇場最后一排的觀眾距離舞臺LED字幕顯示屏35 m,觀眾為正常的視力(1.0),最小分辨視角為1′由式(3)得:

            A=35/3 438=0.01(m) (5)

            式(5)表示擁有正常視力(1.0)的觀眾在距離35 m處能分辨出相距0.01 m的點陣,而15×16點陣字形含有16行相距0.01 m的格柵,因此,字形的高度要不少于0.16 m才能被距離35 m處觀眾識別。同樣的原因,對于采用15×16以上點陣(24×24點陣、32×32點陣、48×48點陣……)的顯示屏顯示字形的高度應該更大些。

            4 結語

            筆者基于人眼的視覺特點,提出了在保證觀眾視覺效果的前提下,選用劇場舞臺LED顯示屏像素距的計算公式,以及選擇LED字幕屏顯示字型大小的計算公式,從而獲得一面理想的LED顯示屏,與燈光、音響、舞臺機械等演藝裝備相互配合,共同營造出一個個絢麗的舞臺畫面,為觀眾呈現藝術之美。

            (編輯:bingjiling)

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