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解析舞台用LED屏的像素距该如何选择

2020年10月14日 15:23  来源:中国数字视听网  字体【   

【数字视听网讯】当舞台上的LED显示屏作为演出背景时,希望它以绚丽柔和的画面与台上演员的表演共融为一体,为观众带来美好的视觉感受;当舞台上的LED显示屏作为显示节目的唱词或其他文字信息时,希望它显示的文字清晰易辨。这些效果的完美实现是各演出团体集中关心的一个重要问题。

LED显示屏的显示面是由许多作为像素的发光二极管组成的,单位面积的像素数量取决于两相邻像素的距离,业内通常称为“PX”,P后面的数值X是指相邻两个像素中心之间的距离,也称为点间距、点中心距或像素间距、像素距等,单位为mm。例如,像素距5 mm的显示屏被称为该屏的点间距为P5。X数值较大的显示屏会使观察者感到图像粗糙、有“颗粒感”,如果减少X的值就会改善图像质量。因此,屏面相邻像素的距离“PX”是考察LED屏质量优劣的一个重要技术参数。

如果像素间距X的数值减少一倍,同等面积的像素数量将增加4倍,背板元器件的密度也要提升4倍。这样,相应生产成本就会增加,产品的销售价格也几何倍数增长。因此,如何选择合适的像素间距,在不影响或少影响视觉质量的前提下降低成本降低售价,是用户和生产企业都在密切关注的重要问题。

事实上,观察者看到的图像粗糙、有“颗粒感”,是由显示屏像素间距和观察者与显示屏之间的距离两个因素造成的。减小像素间距或者增大观察者与显示屏之间的距离都可以消除图像的“颗粒感”,改善视觉质量。由于剧场的观众与舞台间的距离是相对固定的,完全可以从观众的视距和显示屏的像素距之间寻找一个既不影响视觉质量又不盲目增加成本的平衡点。如何实现平衡,就需要先从人眼的视觉特点来进行了解。

遗憾的是,至今还没有舞台演艺用LED显示屏的技术标准。以哪些技术参数来选择显示屏才能得到理想满意的舞台效果,是许多剧场和演出团体非常关心的问题。笔者有幸承担了2018年文旅部的研究项目《剧场舞台用LED显示屏规范》(项目编号WH/Y02-2018),对剧场舞台用LED显示屏应具有的技术参数做了较深入的研究。在此,从人眼的视角、视力对LED显示屏技术参数的影响情况作一阐述,供剧场和演出单位参考。

1 人眼的视角和视力

视角表示从物体的两端点各引直线到眼节点的夹角。视角的大小直接关系到视网膜像的大小。最小视角是指人眼能分辨物体两点间的最小距离对应的视角。最小视角的倒数是视力,能分辨的视角越小,其视力越好[1]。

检查视力常用的视标有“E”字母或“C”环等。正常人的视力是1.0,最小分辨视角为

1,研究认为人眼的潜在分辨能力可达2.0或以上(相当于分辨视角达到0.5′或更小)。

例如,观众对面屏幕上有两个点,它们在视网膜上像的光能分布呈点扩散函数。当两点

很靠近时,两个分布函数重叠形成一个大点,而不能被分辨。当它们逐渐分开,重叠减小,便形成波峰和波谷,当波谷强度占波峰的比例小于一定值时(小于74%),才能被辨认为两个点(图1)。在刚刚能辨别时,两个点所对应于眼节点的夹角即为最小视角[1]。

科技与生活视野

图1 两点间距与光能分布关系

由此可知,对于拥有正常视力的观众(视力为1.0),显示屏上两相邻像素与观众眼节点之间的夹角小于1′时,这两个相邻像素在观众的视觉上的呈像会被重叠,这种情况下,观众看到显示屏图像时就不会出现“颗粒感”。

2 视角、视力与显示屏像素距的选择

图2中S1、S2为相邻的两个像素点,像素点间的距离为A,与观察者眼节点之间距离为D,两个像素点与眼节点所联直线的夹角为α 。


图2 视角与像素距离的关系

由于角α非常小,所以像素点S1、S2之间的距离A可以看作两点间的弧长,则:

α(rad)=A/D (1)

式(1)中,α 单位为弧度(rad),1弧度=57.3°,或者等于3 438分,正常人的最小分辨视角为1′(rad),式(1)中的α =1′(rad)转换为角度得到:

1/3438=A/D (2)

即:A=D/3 438 (3)

式(3)中,A为正常视力者(视力为1.0)在距离D时所能分辨两个像素点的临界值。

对于视力为2.0的超常视力者(视角为0.5′)得:

A=0.5×D/3 438 (4)

由人眼的视觉特点得到的式(3)和式(4)可用来作剧场选择LED显示屏像素间距的依据。

例如,某剧场拟选购一面LED显示屏取代传统的天幕,该剧场第一排的观众距离舞台天幕为25 m,D值代入式(3)、式(4),分别得A =7.27 mm,A=3.64 mm。

这个结果提示,如果选用小于P7.27的LED屏,对于剧场第一排拥有1.0正常视力的观众,就不会出现屏幕画面的粗糙颗粒感了;如果选用小于P3.64的LED屏,那么,即使视力高达2.0的观众坐在前排也不会感觉屏幕画面粗糙的发光颗粒了。因此,该剧场可根据自己的具体情况选用P7.27~P3.64的LED屏。选用显示屏的像素距过大会影响图像质量,过小则会增加不必要的投资。

3 视角、视力与字幕屏字型的大小

一些剧场台口的周围常常装有由LED点阵组成的字幕屏。字幕屏通常用来显示演出节目介绍、演员的唱词、演出间隙的广告以及会议的会标等。因此,这一类屏的主要用途是显示屏幕上的文字信息,观看文字可能产生的粗糙感、颗粒感并不重要。

LED显示屏是用点阵的方式来显示汉字的。现行的国家标准中规定了多种点阵的汉字字型,例如:11×12点阵、15×16点阵、24×24点阵、48×48点阵、64×64点阵等。它们利用点阵中像素点不同的黑、白(或暗、亮)组合来显示汉字或字符。这里表示汉字的点阵与LED屏的像素点阵不是一个概念。LED显示屏显示汉字时,屏幕点阵可以与汉字点

阵一一对应,也可以按比例对应,如一个汉字点阵中的一个点对应屏幕的4个像素或9个像素等。

图3是国家标准字库中不同点阵“永”字的截图,从左到右分别是11×12(横向×纵向)点阵、15×16点阵、24×24点阵、32×32点阵、48×48点阵、64×64点阵。


图3 不同点阵字的效果

由图3可以看出,点阵的数目较少时,显示出的字形较粗糙,撇、捺一类的倾斜笔画呈锯齿状,增加点阵的数目显示出的字形趋向美观,既可减少笔画的锯齿感,还可以显示出宋、楷、黑、仿宋等不同的字体,以及显示出起笔、收笔等笔画细节。由此可知,组成汉字的点阵数目越多视觉感官越好。但是,从信息的传输、存储考虑,则点阵数目越少越有利。

台口周围的LED字幕屏任务是为观众提供文字信息的,在满足显示文字信息的基础上,可以选用点阵偏少的字型。图4(a)和图4(b)分别是国标中汉字“董”的11×12点阵和15×16点阵字型的截图。


图4 不同点阵的字形效果

由图4(a)可以看到,“董”少了一些笔画,这是由于组成汉字的点阵数太少,不得已而为之。

现行国家标准GB/T 37022-2018《信息技术 通用编码字符集(基本多文种平面)汉字11×12点阵字型》中,由于受点阵栅格数少的限制,其中有7 287个汉字进行了减省笔画的处理[2],占其所提供全部27 754个汉字的26%以上。这对于公共场所中的信息传播是难以接受的。

现行国家标准GB/T 19966-2019《信息技术 通用编码字符集(基本多文种平面)汉字15×16点阵字型》中,由于受点阵栅格数少的限制,其中有1688个汉字进行了减省笔画的处理[3],占其所提供全部27 754个汉字的6%以上,考虑到这6%中大多是笔画多的生僻字,所以15×16点阵字型基本可以满足信息传播的需求。

综合上述因素,用于剧场的舞台LED字幕显示屏应该至少能够显示15×16点阵汉字字型。因此,只要看清和分辨LED屏相邻两格栅就能够识别显示的汉字(图5)。


图5 点阵字形与LED格栅的对应

图5中,设某剧场最后一排的观众距离舞台LED字幕显示屏35 m,观众为正常的视力(1.0),最小分辨视角为1′由式(3)得:

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

式(5)表示拥有正常视力(1.0)的观众在距离35 m处能分辨出相距0.01 m的点阵,而15×16点阵字形含有16行相距0.01 m的格栅,因此,字形的高度要不少于0.16 m才能被距离35 m处观众识别。同样的原因,对于采用15×16以上点阵(24×24点阵、32×32点阵、48×48点阵……)的显示屏显示字形的高度应该更大些。

4 结语

笔者基于人眼的视觉特点,提出了在保证观众视觉效果的前提下,选用剧场舞台LED显示屏像素距的计算公式,以及选择LED字幕屏显示字型大小的计算公式,从而获得一面理想的LED显示屏,与灯光、音响、舞台机械等演艺装备相互配合,共同营造出一个个绚丽的舞台画面,为观众呈现艺术之美。

(编辑:bingjiling)

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