從人眼的特性分析和研究數字影院升級到4K分辨率圖像放映系統(tǒng)的必要性

1、從人眼的特性分析和研究數字影院升級到4K分辨率圖像放映系統(tǒng)的必要性2014-01-23 | 訪問次數:17 | 新聞來源： 【摘要】隨著數字電影技術的發(fā)展，2K分辨率圖像的數字放映設備在我國的影院中占據了主流地位，4K分辨率圖像的數字放映設備在一些影院也開始了少量使用。目前一些業(yè)內人士在熱議數字影院是否應該升級到4K分辨率圖像放映系統(tǒng)的話題。由于影響推廣4K分辨率圖像放映系統(tǒng)的因素眾多，包括系統(tǒng)的技術上成熟度、必要性，推廣成本等眾多因素。本文利用已有的人眼特性的研究成果，僅從對2K和4K分辨率圖像觀看質量的分析和研究，在技術上論述數字影院升級到4K分辨率圖像放映系統(tǒng)的必要性。 【關鍵詞】數字電

2、影放映圖像分辨率人眼分辨率2K 4K 6K 一、人眼的分辨極限角 在進行分析和研究數字影院升級到4K分辨率圖像放映系統(tǒng)必要性之前，我們首先了解人眼的分辨極限角的概念。已有的研究成果表明，當空間平面上兩個黑點相互靠攏到一定程度時，離開黑點一定距離的觀察者就無法區(qū)分它們，這意味著人眼分辨景物細節(jié)的能力是有限的，這個極限值就是分辨率。研究成果繼續(xù)表明，人眼的分辨率有如下一些特點：當照度太強、太弱時或當背景亮度太強時，人眼分辨率降低。當視覺目標運動速度加快時，人眼分辨率降低。人眼對彩色細節(jié)的分辨率比對亮度細節(jié)的分辨率要差，如果黑白分辨率為1，則黑紅為0.4，綠藍為0.19。人眼中心的成像分辨率高于邊緣

3、成像分辨率。根據MichaelFDeering在TheLimitsofHumanVision中的描述，人眼的成像分辨率中心和邊緣是不同的，中心位置可能小于1，越往外圍越低，最外圍似乎只有12。為了簡化論述的復雜性，我們在分析和研究數字影院升級到4k分辨率圖像放映系統(tǒng)的必要性之前，作如下兩個假設前提：一是假設銀幕亮度是適中的，二是圖像是靜止的。由于人眼具有“當照度太強、太弱時或當背景亮度太強時，人眼分辨率降低”和“當視覺目標運動速度加快時，人眼分辨率降低。”這個特性，在上述兩個假設的條件下人眼的分辨能力是最高的。在上述兩個假設情況下，特定的分辨率圖像如果能夠滿足觀看質量的要求，那么必定也能滿足在

4、銀幕亮度過高或過低情況下觀看、或觀看運動圖像的質量要求。本文就是在人眼具有觀看圖像最高分辨率能力的情況下進行分析和研究的。人眼的分辨率極限是多少呢？已有研究成果表明，在成像光學系統(tǒng)中，分辨率是衡量分開相鄰兩個物點的像的能力。由于衍射，系統(tǒng)所成的像不再是理想的幾何點像,而是有一定大小的光斑(愛里斑)，當兩個物點過于靠近，其像斑重疊在一起,就可能分辨不出是兩個物點的像，即光學系統(tǒng)中存在著一個分辨極限，這個分辨極限通常采用瑞利提出的判據:當一個愛里斑的中心與另一個愛里斑的第一級暗環(huán)重合時，剛好能分辨出是兩個像。對于人眼的分辨極限應滿足瑞利判據：Q1.22D人眼的瞳孔直徑D為2mm9mm，取中間值D為

5、5mm，可見光中心波長也就是人眼最敏感的波長為5500埃，因此人眼的分辨極限角為1。當物體對人眼的視角小于1時，人對物體的細節(jié)就不能分辨，看起來就是一點?！爱斘矬w對人眼的視角小于1時，人對物體的細節(jié)就不能分辨，看起來就是一點。因此，人眼的分辨極限角為1。”這個結論是本文的最重要論據。 二、同排上中心座位的觀看分辨率高于邊座的觀看分辨率 由于在同一排中，邊座上觀眾眼睛到銀幕中心的距離大于中心座位上觀眾眼睛到銀幕中心的距離，并且由于投影的關系，邊座上的觀眾看到的圖像面積小于中心座位上的觀眾看到的圖像面積。可以推斷出中心座位上的觀眾的分辨能力強于邊座上觀眾的分辨能力。 為了簡化論述，本文只把觀眾區(qū)首

6、排、中排和末排中心座位作為分析和研究的對象，不再考慮邊座情況。 三、圖像中的兩個相鄰像素可被分辨的判據數字電影的圖像分辨率是指在整幅圖像的寬度和高度上構成圖像像素點數的集合。例如，標準的2k分辨率圖像是指在水平方向上具有2048個像素點、縱向上有1080個像素點；標準的4k分辨率圖像在水平方向上具有4096個像素點、縱向上有2160個像素點。像素的幾何形狀為正方形。本文僅對分布在水平方向上的像素進行研究。我們可以推導出：銀幕上2K分辨率圖像上兩個相鄰像素間距：L2K=W/2048；銀幕上4K分辨率圖像上兩個相鄰像素間距：L4K=W/4096；人眼可以分辨的圖像上兩個相鄰像素間距：LV=xWta

7、ng1。 其中x=L / W， x為銀幕寬度的倍數，W為銀幕寬度，L為觀看者到銀幕的距離。 兩個相鄰像素間距等于兩個像素中心點的距離，亦即等于一個像素寬度。 如果L2KLV，亦即L2K/ LV1，或 L4KLV，亦即L4K/ LV1，即意味著人眼可以分辨出銀幕上兩個相鄰像素，整體圖像呈現網格狀、顯得粗糙；反之，如果L2KLV，亦即L2K/ LV1，或 L4KLV，亦即L4K/ LV1，即意味著人眼不可以分辨銀幕上兩個相鄰像素，圖像顯得細膩光滑。 這個結論是本文推導出的，并在后文使用的判據。 四、影響圖像中兩個相鄰像素可被分辨的因素 經上式至推算得： 對于2K圖像，L2K/ LV=（W/2048

8、）/（xWtang1）=1/（2048xtang1）=1.678/x； 對于4K圖像，L4K/ LV=（W/4096）/（xWtang1）=1/（4096xtang1）=0.839/x。 從上述計算結果可以得出一個結論：觀看者對圖像細節(jié)的分辨能力與x（觀看者距銀幕的距離與銀幕寬度的比值）有關。 五、2K和4K分辨率圖像對不同座位上觀看質量的影響 JGJ582008電影院建筑設計規(guī)范將影院分為了特級、甲級、乙級和丙級四個級別。其中，不同等級的影院對最近視距與最遠視距的要求存在差異。詳見表1。表1 （一）2K和4K分辨率圖像對在不同等級影院最近視距觀看質量的影響 當x=0.6時（特級、甲級影院），

9、對于2K圖像，L2K/ LV=1.678/x=2.7971；對于4K圖像，L4K/ LV=0.839/x =1.3981。 當x=0.55時（乙級影院），對于2K圖像，L2K/ LV=1.678/x=3.0511；對于4K圖像，L4K/ LV=0.839/x =1.5251。 當x=0.5時（丙級影院），對于2K圖像，L2K/ LV=1.678/x=3.3561；對于4K圖像，L4K/ LV=0.839/x =1.6781。 從上述計算結果可以判斷出：無論是2K還是4K分辨率的圖像，都不能較理想地滿足各等級常規(guī)影院首排位置上觀看質量的要求。 （二）2K和4K分辨率圖像對在不同等級影院最遠視距觀

10、看質量的影響 當x=1.8時（特級影院），對于2K圖像，L2K/ LV=1.678/x=0.9321；對于4K圖像，L4K/ LV=0.839/x =0.4661。 當x=2.0時（甲級影院），對于2K圖像，L2K/ LV=1.678/x=0.8391；對于4K圖像，L4K/ LV=0.839/x =0.4191。 當x=2.2時（乙級影院），對于2K圖像，L2K/ LV=1.678/x=0.7631；對于4K圖像，L4K/ LV=0.839/x =0.3811。 當x=2.7時（丙級影院），對于2K圖像，L2K/ LV=1.678/x=0.6211；對于4K圖像，L4K/ LV=0.839/

11、x =0.3111。 從上述計算結果可以看出，無論是2K還是4K分辨率的圖像，都能較理想地滿足不同等級常規(guī)影院末排位置上觀看質量的要求。 （三）2K和4K分辨率圖像對在不同等級影院中排位置上觀看質量的影響 特級觀眾區(qū)中心位置的確定方法如下：x=（0.6+1.8）/2=1.2。 當x=1.2時，對于2K圖像，L2K/ LV=1.678/x=1.41；對于4K圖像，L4K/ LV=0.839/x=0.71。 甲級觀眾區(qū)中心位置的確定方法如下：x=（0.6+2.0）/2=1.3。當x=1.3時，對于2K圖像，L2K/ LV=1.678/x=1.291；對于4K圖像，L4K/ LV=0.839/x=0

12、.641。乙級觀眾區(qū)中心位置的確定方法如下：x=（0.55+2.2）/2=1.375。 當x=1.375時，對于2K圖像，L2K/ LV=1.678/x=1.221；對于4K圖像，L4K/ LV=0.839/x=0.611。丙級觀眾區(qū)中心位置的確定方法如下：x=（0.5+2.7）/2=1.6。當x=1.6時，對于2K圖像，L2K/ LV=1.678/x=1.0491；對于4K圖像，L4K/ LV=0.839/x=0.5241。 從上述計算結果可以看出，2K分辨率的圖像不能較理想地滿足不同等級常規(guī)影院中心座位觀看質量的需求，而4K分辨率的圖像可以較理想地滿足不同等級常規(guī)影院中排座位觀看質量的需求

13、。 六、2K和4K分辨率圖像對在巨幕影院不同座位觀看質量的影響 GD/J 040-2012數字電影巨幕影院技術規(guī)范和測量方法中規(guī)定了最近視距為05倍銀幕寬度，最遠視距為12倍銀幕寬度。 （一）2K和4K分辨率圖像對在巨幕影院最近視距觀看質量的影響 最近視距為銀幕寬度的0.5倍，亦即x=0.5。 根據上述計算得出：當x=0.5時，對于2K圖像，L2K/ LV=1.678/x=3.3561；對于4K圖像，L4K/ LV=0.839/x=1.6781。無論是2K還是4K分辨率的圖像，都不能滿足巨幕影廳首排位置上觀眾的觀看要求。 （二）2K和4K分辨率圖像對在巨幕影院最遠視距觀看質量的影響末排最遠視距

14、是銀幕寬度的1.2倍，亦即x=1.2。當x=1.2時，對于2K圖像，L2K/ LV=1.678/x=1.3981；對于4K圖像，L4K/ LV=0.839/x=0.6991。從上述計算結果可以看出，2K分辨率的圖像不能滿足巨幕影廳末排位置上觀看質量的要求；而4K分辨率的圖像能夠滿足巨幕影廳末排位置上觀看質量的要求。 （三）2K和4K分辨率圖像對在巨幕影院中心排觀看質量的影響觀眾區(qū)中心位置的確定方法如下：x=（0.5+1.2）/2=0.85。當x=0.85時，對于2K圖像，L2K/ LV=1.678/x=1.9741；對于4K心座位上觀看質量的要求。 七、在20m寬銀幕的巨幕影廳中，恰能分辨圖像

15、細節(jié)的距離 我們可以按照L4K/ LV=0839/x=1推導出，X=0.839。 又因x=L / W， 所以L=xW=0.83920=16.78m。 這個結論說明，在銀幕寬度為20m的巨幕廳，如果觀眾在距離銀幕1678m處，恰能分辨像素級別的圖像細節(jié)。如果超過這個距離，就不能很好地分辨開圖像中相鄰兩個像素了。 八、滿足影院首排位置上觀看質量的圖像分辨率 影院建設技術標準要求最近視距為不低于銀幕寬度的0.5倍距離，即x0.5。 從式LV=xWtang1，我們可以推出W / LV=1/（ xtang1） 當x=0.5時，W / LV=68756K 1K=1024 6K=6144從上述計算結果看，要滿足在影院首排的觀看質量要求，放映圖像的分辨率至少不應低于6K。 九、綜論 綜上所論，從第五、六和七章節(jié)僅就人眼的特性研究分析可得出以下結論： 4K分辨率的圖像可以滿足常規(guī)影院和巨幕影院座位區(qū)中心位置至末排位置間、超過半數以上的觀眾的觀看質量要求，而僅僅不能滿足前幾排位置上觀看質量要求； 2K分辨率的圖像僅能夠滿足常規(guī)影院末幾排少于半數以上觀眾觀看質量要求，而不能滿足包括中心座位區(qū)在內的半數以上觀眾觀看質量要求； 2K分辨率的圖像完全不能滿足巨幕影院觀眾的觀看要求。