基于透视学原理的非等像素间距室外LED屏

薛元亭

(深圳雷曼光电科技股份有限公司，广东 深圳 518000)

引言

随着LED屏的大规模应用和产业供应链的高度成熟。LED屏成本的下降空间和速度已大幅减少。如何在保持LED屏品质基本不变的情况下降低成本，成了各家公司探索的方向。尽管LED灯的价格相比几年前已下降很多，但在LED屏整体成本中，LED灯的成本占比仍排在前列。因此，若能减少LED灯的成本，对LED屏整体成本的下降会有很大帮助。在不替换LED灯型号和不影响显示效果的情况下减少LED灯数量，成为降低成本的备选方案之一。

减少LED灯的数量有多种方式。例如虚拟像素技术，通过相邻像素复用，用较少的LED灯数量，来达到较高的像素分辨率；给LED灯增加透镜，增大单个像素的发光面积占比，用较大的像素间距，来实现较小像素间距的视觉效果；还有常见的室外条幕屏，通过增大像素的水平间距，在提升通透率的同时也降低了成本。

通常，同样尺寸的瓷砖、天花板等，在较大视角观看时，和视线方向垂直的线条，越远的地方看起来间距越小。人在仰视观看水平垂直等像素间距LED屏时也是如此，水平视觉像素间距大于垂直视觉像素间距。例如一个P10的LED屏，仰视观看时，像素的垂直间距可能近似于P8的LED屏。本文尝试结合LED屏的室外高空应用环境[1]，保持水平像素间距不变，增大垂直像素间距，使水平视觉像素间距≈垂直视觉像素间距，以达到减少LED灯数量，降低成本的目的。我们做了P10.6(Horizontal)-P13.3(Vertical)像素间距的箱体和P10.6(H)-P10.6(V)的箱体进行对比，使用同型号的1R1G1B直插346 LED灯，来验证猜想效果。

1 仰视观看LED屏时，像素间距的透视现象分析(1)注：在水平大视角观看LED屏时候，LED屏的水平视觉像素间距也有变小的现象。但此观看角度非室外LED屏的主要应用场景，在此不讨论。

透视是一种视觉现象。人在观察一个物体时，由于观察者的位置不同，注视的方向不同，距离被观察物体的远近不同，所看到的画面也是不同的[2]。将三维空间中的物体投射到二维的平面上形成图像的现象就是透视[3]。

构成透视现象有三个必要条件：视点、物体、画面[4]。三者之间的位置，远近变化，都会影响到最后投射到画面上透视图形的变化，研究它变化规律的方法就是透视学。

根据透视规律和原理绘制的图形就是透视图。图1是两张具有透视效果的图片[5]。

图1 具有透视效果的图片

如图2所示，就是一个简单的中心投影透视示意图[5]。

1)视点，即人的眼睛；

2)物体，即被观察对象，如墙面上高处的正方形A1和低处的正方形A2；

3)画面，在物体和人眼之间的虚拟透明平面。正方形A1在画面上的投影为A1′，正方形A2在画面上的投影为A2′。A1′和A2′即人眼看到的图像。

图2 中心投影透视示意图

可以看出，A1在画面上的投影A1′，因为仰视的原因，正方形高度方向被压缩，变成了近似长方形。A2因为仰视角度较小，A2′长宽比例变形较小。

若把A1正方形的四个角等效为4个像素点，可以看到A1′像素的垂直间距明显变小。水平视觉像素间距大于垂直视觉像素间距。

若把A1变成一个竖高形的长方形，那么画面上得到的A1′会近似于正方形。

为验证此现象，我们做了一个P10.6(H)-P13.3(V)像素间距，宽1 280 mm×高960 mm的箱体，把箱体吊装在离地面6 m的高度，如图3左边箱体。同时用一个P10.6(H)-P10.6(V)像素间距的箱体进行对比，如图3右边箱体。

图3 P10.6(H)-P13.3(V)和 P10.6(H)-P10.6(V)照片对比

在仰视观看时，虽然左边箱体减少了LED灯个数，但仍在视觉上达到水平像素间距≈垂直像素间距的效果，见图3右上角放大图左边所示。右边P10.6(H)-P10.6(V)像素间距的LED屏，视觉像素间距近似于P10.6(H)-P8(V)。图3实物观测结果跟图2模拟结果相符。

2 人眼角分和像素间距的关系

当人逐渐远离LED屏，仰视角变小。观测结果如图2的A2′效果，A2′的变形较小，像素间距宽高比例接近真实。若在远处观看P10.6(H)-P13.3(V)的显示屏，理论上可以看出垂直像素间距大于水平像素间距，显示效果不佳。但是，由于人眼的生理特性局限，在远处无法分辨出两个像素的间隙。

通常公认的人眼最小角分约为1角分(1角分= 0.0166度)[6]。

垂直像素间距13.3 mm，单个像素点的直径约为7 mm(346灯，1R1G1B三角形排列),两个像素垂直间隙约为6.3 mm。

通过计算，人站在约22 m处，就看不出LED屏的像素颗粒感了，如图4所示。

图4 人眼角分和观看距离示意图

笔者实测，站在25 m远处观看，P10.6(H)-P13.3(V)像素间距和P10.6(H)-P10.6(V)像素间距的LED屏，都没像素颗粒感，有同样好的视觉效果(各人眼睛有差异)，如图5所示。

图5 远处观看效果对比

3 非等像素间距LED屏的应用条件及其他优势

由图3和图4可知，非等像素间距的LED屏，需要安装在较高的位置，在近处仰视观看，由于透视原理，可得到等像素间距LED屏的显示效果。安装在较低的位置不合适。

另外还需要注意以下2点：

1)因为改变了LED像素的垂直间距，竖高型LED屏的观看效果会比较好。水平尺寸较宽的LED屏不太适合。水平视角大时候，因LED像素垂直间隙较大，可能看到横的暗线。

2)播放视频素材的分辨率，需要按等像素间距屏的分辨率制作。然后再压缩到和LED屏物理分辨率相等的分辨率播放，才能看到原始比例的图像。

例如P10.6(H)-P13.3(V)，宽1 280 mm×高960 mm的箱体。播放视频素材分辨率要为宽120pix×高90pix，播放视频的文件框分辨率为宽120pix×高72pix。这样会得到和播放视频素材分辨率宽120pix×高90pix，在P10.6(H)-P10.6(V)像素间距，宽1 280 mm×高960 mm箱体上相同的显示效果，如图3、图5所示。

其他优势如下：

1)因为垂直像素间距的加大，某些像素间距、固定面罩的螺丝就可以避开面罩帽檐，在阳光下有更好的显示均匀性。如图6所示，左边显示屏箱体一致性很好。右边箱体可以看到明显的面罩帽檐缺口反光。

图6 仰视显示均匀性对比

2)因为LED像素数量的减少，面罩的黑区占比变大，黑屏亮度更低。由对比度的计算方法可知，对比度更高[7]。如图7所示，黑屏状态下，垂直视角观看，左边箱体更黑。在室外测量可知，左边非等像素间距LED屏比右边等像素间距LED屏，对比度提升15%(图6仰视观看时右边更黑。这是因为面罩帽檐对灯遮挡造成的，但显示已严重偏色，如图8所示，所以仰视时，右边对比高无意义)。

图7 对比度比较

3)由于LED灯的垂直像素间距加大，在仰视观看过程中，面罩帽檐对LED灯的遮挡影响变小，可获得更大的垂直观看视角。如图8所示，在大角度仰视观看时，左边箱体显示颜色准确。右边的箱体由于面罩帽檐对LED灯的遮挡，偏色严重。现场测量可知，左边非等像素间距LED屏的垂直视角比右边增大约15°。

图8 仰视角观看，偏色对比

4 总结

P10.6(H)-P13.3(V)像素间距的LED屏，每平方米比P10.6(H)-P10.6(V)像素间距的LED屏节约了20%的LED灯，降低了成本。基于透视学原理，在近处仰视观看时，P10.6(H)-P13.3(V)像素间距的LED屏可在视觉上获得P10.6(H)-P10.6(V)像素间距的显示效果。在远处不具备仰视观看条件时，由于人眼的角分生理特性局限，也看不出像素颗粒感。

由于像素间距的增加，可以改善面罩的反光一致性，提高15%的对比度，垂直视角增大约15°。对整体视觉质量有较大的提升[8]。

同时，非等像素间距LED屏对现场安装的高度和播放素材有一定要求，也面临着客户心理接受度的问题。结果如何需待市场进一步检验。