电影虚拟摄制应用中LED 显示屏光学技术参数分析与检测评估研究

李 娜 王景宇

中国电影科学技术研究所 （中央宣传部电影技术质量检测所），北京 100086

1 前言

《“十四五”中国电影发展规划》明确提出要加快电影科技创新，“充分应用传统摄制、虚拟摄制、云端制作、智能制作以及计算机动画等多元化电影摄制技术手段”，推动电影摄制提质升级。LED 显示屏电影虚拟化拍摄和制作是利用高显示性能的LED 显示屏和LED 视频处理器组成的LED 显示系统作为显示背景墙。通过实时渲染系统实现多屏同步，利用摄影机跟踪系统获取摄影机位置、角度等外部参数及光圈焦距等内部参数，并通过同步系统确保LED 显示系统、摄影机跟踪系统和实时渲染系统保持同步，将高画面质量的三维场景准确显示在LED 显示屏上。再由摄影机直接拍摄演员、实景道具与LED 显示屏显示的虚拟画面，从而在拍摄现场实现“所见即所得”的新型虚拟摄制技术。这种“后期前置”的创作方式给现场拍摄提供真实的环境光照和自由的创作环境，为电影摄制提供了更加便捷的创作条件和更加自由的想象空间。

LED 显示屏（以下简称LED 显示屏）是电影虚拟拍摄制作显示环节中最后一个元素，但其光学技术参数是影响最终拍摄效果的核心因素，也是LED 电影虚拟摄制系统选择的重要评价项目。本文对LED显示屏相关光学技术参数进行分析，对LED 显示屏光学技术指标进行检测评估、分析检测数据，并提出LED 显示屏目前存在的主要问题及选择建议。

2 LED 显示屏相关光学技术参数及检测数据评估分析

影响LED 电影虚拟摄制画面质量的LED 显示屏主要技术指标有像素间距、反射率、亮度/色度可视角度、亮度/色度均匀度、最大亮度、激活黑亮度、显色指数、色域覆盖率、传递函数、位深、刷新率等。本文对LED 显示屏的主要技术指标进行检测，根据实际检测条件，各检测项目的LED 显示屏样本数量略有不同。

2.1 像素间距

像素间距是LED 显示屏两个相邻像素中心点的距离。同样分辨率的LED 显示屏，像素间距越小，LED显示屏的尺寸就越小。此外，摄影机与LED显示屏的拍摄距离决定了所需要的的LED 显示屏像素间距，即摄影机与LED 显示屏的拍摄距离越远，LED 显示屏所需的像素间距就越大；反之越近，LED 显示屏所需的像素间距就越小。但LED 显示屏像素间距越小，生产制造难度就越大，价格也会更昂贵。在不作为拍摄对象的情况下，可以适当放宽LED显示屏像素间距。因此应根据拍摄环境综合考虑像素间距。

2.2 反射率

反射率是LED 显示屏的显示面板和LED 灯珠对外界干扰光的反射程度，与LED 显示屏的表面处理及封装工艺有关。作为LED 显示屏的关键性能参数，反射率是影响观看和拍摄效果的重要指标。应用场景中设备设施、道具、演员的反射光以及照明灯、指示灯的方向性光叠加照射在LED 显示屏上，如果其反射率过高，会在显示屏上形成光斑，进而导致对比度和层次感降低，画面显示的暗部细节不明显，甚至发生将光反射到观看区或拍摄区的严重后果。因此应对LED 显示屏的显示面板和LED 灯珠的表面进行工艺处理，其表面采用哑光低反光材料或吸光材料，降低LED 显示屏的反射率，增强图像层次感和暗部细节。笔者发现，摄影灯的白光色温基本在6500K，且入射角为2°就可激活人眼的色彩感应，因此在检测时可选择2°D65作为检测光源。

2.3 亮度/色度可视角度

LED 显示屏的亮度/色度可视角度，是指水平方向观察中心点的亮度下降到LED 显示屏法线方向亮度的一半时，水平方向观察点与法线夹角的两倍。该指标由LED 显示屏像素点的排列方式决定。本次检测的6 块LED 显示屏的亮度可视角度为80°时，白场亮度衰减最大值为43.28%，最小值为32.03%，白场色差Δu′v′最大值为0.0126，最小值为0.0060；可视角度为70°时，白场亮度衰减最大值为35.83%，最小值为28.03%，白场色差Δu′v′最大值为0.0108，最小值为0.0036。但像素如果按照红绿蓝方式垂直排列（从上至下），垂直方向检测角度为35°（仰视）时，色差Δu′v′会达到0.0094。为了防止拍摄画面出现偏色，应避免摄影机带有仰俯角拍摄LED 显示屏。LED 显示屏的亮度/色度可视角度影响画面的颜色一致性和颜色准确度，会导致画面模糊，色调对比度下降或产生摩尔纹。为了满足摄影机倾斜角度的拍摄需求，LED 显示屏的亮度/色度可视角度应尽量大，最好大于140°，以免限制拍摄角度。

2.4 亮度/色度均匀度

LED 显示屏的亮度/色度均匀度是指两个相邻箱体（模组）的亮度、色度偏差。均匀度数值越小，代表LED 显示屏箱体（模组）之间亮度和色度的一致性越好。LED 显示屏的亮度/色度均匀度直接影响画面的亮度和颜色一致性，偏差过大会导致同一画面不同位置的亮度和颜色不相同，严重时会造成LED 显示屏背景穿帮，影响拍摄效果。为了满足高质量拍摄效果，LED 显示屏的箱体（模组）应尽量选择同批次产品，严格管理同批次产品的生产质量，安装过程中提高组装平整度，安装后校准箱体（模组）之间的亮度和色度，尽量使其保持一致。本次检测的8 块LED显示屏白场亮度均匀度最差值为-10.27%，红场亮度均匀度最差值为-9.24%，绿场亮度均匀度最差值为7.50%，蓝场亮度均匀度最差值为-6.82%；白场色度均匀度Δu′v′最差值为0.0084，红场色度均匀度Δu′v′最差值为0.0118，绿场色度均匀度Δu′v′最差值为0.0019，蓝场色度均匀度Δu′v′最差值为0.0048。

2.5 最大亮度

LED 显示屏的最大亮度是指LED 显示屏在色温6500K 下最大发光亮度，即在100%白场测量信号下LED 显示屏的亮度值。为了有足够的功率来平衡场景，支持实时渲染引擎输出HDR 信号，还原虚拟资产的真实场景，LED 显示屏的亮度应与场景中使用光的亮度相匹配。由于LED 显示屏的多路复用（控制更多像素点）特性，当屏幕过亮，会使一些本该关断或低亮的像素点亮甚至过亮，在暗部图像产生伪影。本次检测的8 块LED 显示屏中3 块LED 显示屏达到1500cd/m2以上，4 块在1000cd/m2～1500cd/m2之间，1块低于1000cd/m2。

2.6 激活黑亮度

LED 显示屏在色温6500K 下发光所产生的最小亮度为其激活黑亮度，即从0逐步提升黑场测量信号值，直到LED 显示屏全部像素被点亮时的亮度值。为支持实时渲染引擎输出HDR 信号，还原虚拟资产的真实场景，LED 显示屏应在更小的黑场测量信号值就实现全部像素都点亮，且激活黑亮度应尽量小，以提升画面的对比度。因此LED 显示屏进行选型时，在选择高对比度的同时，也需考虑LED 显示屏在第几个灰阶能将全部像素点亮，防止出现低亮度显示时LED 显示屏关断或缺色的情况。本次检测的7 块LED显示屏激活黑亮度实测值见表1。

表1 7块LED 显示屏激活黑亮度实测值

2.7 显色指数

LED 显示屏的显色指数（Colour Rendering Index,CRI）是指LED显示屏与自然光相比，对被照射物体本身颜色的显示与还原能力，是由CIE定义的衡量光源显色性的指标，由R1-R15的15种颜色进行评价（图1）。

图1 R1-R15的15种颜色

一般显色指数（Ra）是R1-R8 的8 种颜色显色指数的平均值，R1-R8 的8 种颜色只包含了中等饱和度的颜色，明度较低。本次检测的7 块LED 显示屏的一般显色指数（Ra）均低于50，显色性能较差。

特殊显色指数（Ri）是R9-R15 的标准颜色样品的显色指数，R9-R15 的7 种颜色包含了高饱和度的颜色，明度较高。具体而言，R9 越高，对水果、鲜花、肉类照射出来的效果就越逼真，对人体肤色红润度的还原度就越好；R15 越高，对黄种人肤色还原性就越好。本次检测的7 块LED 显示屏的R9 数值均为负数，不能正常还原水果、鲜花、肉类的本身颜色；R15数值较差，实拍过程中发现黄种人的脸色发红，证明本次检测的LED 显示屏不能作为环境光源。

当LED 显示屏自身光谱与日光全光谱的连续性和完整度越接近，显色指数会越高，对物体的色彩还原能力就越强，能让视野更清晰，影像更立体。颜色显现最佳效果一般以物体在色温6500K 日光下所显现的颜色为准。LED 显示屏的RGB 三色灯珠光谱通常较窄且分布不连续，导致其显色性水平有限，当以LED 显示屏显示画面作为环境光源时，容易造成摄影机拍摄实景画面中人物肤色及景物颜色出现偏差。因此在拍摄过程中，为了真实还原被照亮的实景物体颜色，需要选用显色指数较高的LED 显示屏作为环境光源，同时补充传统照明灯具和科学的色彩管理流程以改善该问题。

2.8 色域覆盖率

LED 显示屏的色域覆盖率是LED 显示屏在色温6500K 下在CIE1931 中再现颜色的能力。其大小由LED 视频处理器的设置和性能、LED 显示屏RGB 三色灯珠的光谱特性及发光亮度等因素决定。本次检测的9 块LED 显示屏的色域在DCI-P3 色域中覆盖程度大，在BT.2020色域中覆盖程度较小（表2）。

表2 9块LED 显示屏色域覆盖率实测值

作为窄带光源，LED 显示屏色纯度更高，理论上色域会更大，如图2 所示。LED 显示屏色域覆盖率低的原因可能是灯珠基色波长选择不合理（图3），也可能是色域按照DCI-P3 调整，限制了LED 显示屏本身的色域（图4)。

图2 LED 显示屏色域覆盖率显示图

图3 像素基色波长选择不合理的LED 显示屏色域覆盖率显示图

图4 按照DCI-P3色域调整的LED 显示屏色域覆盖率显示图

2.9 传递函数

LED 显示屏的传递函数（γ）是表达LED 显示屏在色温6500K 下输入编码值与光输出之间的非线性关系。人类的视觉对亮度的感知能力并不是线性的，LED 显示屏需要设置一个合理的传递函数来进行映射，以纠正亮度感知变化与实际亮度值变化不统一的问题。如果不经过传递函数校正，则中灰以下的部分只占灰阶的20%，导致人眼感受的暗部采样严重不足，高光采样冗余。设置合理的传递函数值，将人眼感受到的亮度值变化与自然界真正的亮度值变化进行适当的转换。本次检测的8 块LED 显示屏在最大亮度和色温6500K下，LED 视频处理器设置不同的传递函数时，除1块LED 显示屏的传递函数偏离设置的传递函数值，其他基本接近设置的传递函数值（表3）。因此，该指标会受到LED 视频处理器性能的影响，偏离数值越大，说明LED 显示屏信号播放时的光输出不能真实反映该信号亮度。

表3 8块LED 显示屏传递函数实测值

2.1 0 位深

位深是存储和显示数字影像每个颜色所用的位数，是影响LED 显示屏显示画面颜色层次细腻程度的指标。本次检测的8 块LED 显示屏的位深大多为12bit，有2块位深为8bit。在检测过程中，当对8bit位深的LED 显示屏输入高位深的测量信号，LED 显示屏和LED 视频处理器报错，无法正常显示；部分12bit位深的LED 显示屏，虽然在输入高位深的测量信号时，能够正常显示，但高位深是通过屏体本身位深叠加抖动实现的，亮度数值未实现逐阶递增。

LED 显示屏的位深代表了LED 面板驱动集成电路的处理与调节能力。当LED显示屏在暗部常因位深不足而出现断层现象时，LED视频处理器可以采取时间抖动（Temporal Dithering）和空间抖动（Spatial Dithering）方式，间接提升LED显示屏低灰部分的显示位深，以实现暗部平滑显示。为了实现HDR 显示，同时避免因位深不足而出现断层现象，实现更佳的摄影机内视效拍摄效果，推荐选用高位深的LED显示屏。

2.1 1 刷新率

刷新率是画面每秒钟被LED 显示屏重复显示的次数。LED 显示屏的刷新率远高于数字放映机，高性能LED 显示屏刷新率可达3840Hz 或7680Hz。刷新率越高，画面闪烁感就越低，画面显示也越稳定；刷新率越低，画面就越可能出现闪烁抖动现象。当LED 显示屏的刷新率和动态扫描频率与摄影机帧速率及快门速度存在不匹配时，容易造成摄影机拍摄的LED 显示屏画面产生伪影，具体表现为扫描线或闪烁现象。LED 视频处理器可以通过设置来改变LED 显示屏的刷新率，但对于没有帧频自适应功能的LED 视频处理器，在默认帧速率的情况下，即刷新率上升，亮度会下降。刷新率和灰度等级成反比，刷新率越高，灰度等级越低，接收卡本身的带载能力会越低。灰度等级会影响到LED 显示屏亮度，灰度等级降低，LED 显示屏亮度也随之降低。如果超出某个临界范围，接收卡本身带载能力过低，可能会出现LED 显示屏闪屏现象。如果选用不具备帧频自适应功能的LED 视频处理器，则需要根据LED 显示屏的实际情况，对LED 视频处理器进行相应设置。

3 技术建议

由于LED 显示屏数量众多，技术水平参差不齐，提升LED 显示屏的光学性能还需要一段时间的实践和摸索。通过对LED 显示屏的检测和评估，提出以下技术建议。

（1）色域

LED 显示屏的色域覆盖率是LED 显示屏在CIE1931 中再现颜色的能力。本次检测除了对LED显示屏色域在DCI-P3色域、BT.2020色域中覆盖程度进行比较外，还将LED 显示屏色域与DCI-P3 色域、BT.2020 色域分别在CIE1931 中的覆盖面积进行比较，引入色域容积的概念。色域覆盖率可以表示LED显示屏色域在DCI-P3 色域、BT.2020 色域的覆盖程度，色域容积可以表示LED 显示屏色域与DCI-P3 色域、BT.2020色域在CIE1931中色域面积（即包含的色彩数量多少）的比值。相同色域覆盖率的两块LED显示屏，色域容积不一定相同，尤其是与DCI-P3色域的比值，色域容积越大，LED 显示屏在CIE1931 中明显所占面积较大，覆盖更多的色彩。BT.2020 色域比LED 显示屏色域大，色域容积与色域覆盖率基本一致。例如A、B两块LED显示屏在DCI-P3色域的覆盖率分别为94.61 和94.31，色域覆盖率基本一致，但色域容积差距很大，分别为94.61和121.37。其中，B 显示屏在CIE1931中明显所占色域面积较大，覆盖更多的色彩，如图5 所示。9 块LED 显示屏的色域覆盖率与色域容积实测值见表4。因此电影虚拟摄制用LED显示屏与影院LED 显示屏的应用场景不同，节目源和播放要求也不同，是否在LED 显示屏评价中增加色域容积技术指标是需要研究的问题。

图5 A、B 两块相同DCI-P3色域覆盖率的LED 显示屏色域

表4 9块LED 显示屏色域覆盖率与色域容积实测值

（2）抗光干扰

实际拍摄试验中，由于现场摄影灯光和反光道具的使用，以及LED 显示屏的表面涂层反光严重，导致很多LED 显示屏的暗部细节无法完全显示或过亮，背景颜色也会产生偏差。原因主要有两点：LED显示屏反射率过高和环境光（应用场景中设备设施和道具、演员的反射光、摄影灯等）直射或反射到LED 显示屏。因此应在LED 显示屏选型和实际拍摄过程中，选取低反射率的LED 显示屏，减少反光道具的使用，避免摄影灯直射LED 显示屏。

（3）不同亮度设置影响

在LED 显示屏检测中发现，LED 视频处理器的设置值与LED 显示屏实测数值存在一定的偏差。笔者检测时发现，当LED 显示屏在色温6500K 和同一传递函数的前提下，不同亮度设置所获得的传递函数实测值（表5）和色温实测值（表6）均产生较大变化。引起问题的原因可能是LED 视频处理器和LED显示屏性能稳定性差，LED 显示屏的温度与环境温度没有达到平衡。因此在拍摄过程中，调节LED 显示屏的亮度，应多注意传递函数和色温的变化，以避免影响虚拟资产的真实还原。

表5 4块LED 显示屏传递函数实测值

表6 3块LED 显示屏色温实测值

（4）检测仪器

检测仪器和检测方法的不同也会产生关键指标的偏差。检测人员使用的分光式非接触检测设备，在距离LED显示屏一定距离下对一块区域进行检测，获取检测区域的光谱值分析得出结果；部分设备厂家使用的是滤色片式接触检测设备，紧贴LED显示屏对几个像素进行检测，直接获取结果，两种不同检测原理的设备会在检测数据上有一定的偏差。建议使用分光式非接触检测设备，以确保检测结果的准确性。

4 结语

目前国内尚无针对电影虚拟摄制应用的LED 显示屏的技术要求和检测方法，国内市场产品的技术参数参差不齐，降低了虚拟摄制效果。且用于电影虚拟摄制LED 显示屏与用于影院LED 显示屏具有差异，各类检测指标不应完全照搬。因此需加快制定电影虚拟摄制应用的LED 显示屏技术标准，对选择高性能的LED 显示屏、提高电影虚拟摄制质量，为我国电影行业的良性发展提供技术保证。

作者贡献声明：

李娜：关键参数研究和测试、论文撰写与修订，全文文字贡献60%；

王景宇：关键参数研究和测试、论文撰写，全文文字贡献40%。