从人眼的特性分析和研究数字影院升级到4K分辨率图像放映系统的必要性

1、从人眼的特性分析和研究数字影院升级到4K分辨率图像放映系统的必要性2014-01-23 | 访问次数:17 | 新闻来源： 【摘要】随着数字电影技术的发展，2K分辨率图像的数字放映设备在我国的影院中占据了主流地位，4K分辨率图像的数字放映设备在一些影院也开始了少量使用。目前一些业内人士在热议数字影院是否应该升级到4K分辨率图像放映系统的话题。由于影响推广4K分辨率图像放映系统的因素众多，包括系统的技术上成熟度、必要性，推广成本等众多因素。本文利用已有的人眼特性的研究成果，仅从对2K和4K分辨率图像观看质量的分析和研究，在技术上论述数字影院升级到4K分辨率图像放映系统的必要性。 【关键词】数字电

2、影放映图像分辨率人眼分辨率2K 4K 6K 一、人眼的分辨极限角 在进行分析和研究数字影院升级到4K分辨率图像放映系统必要性之前，我们首先了解人眼的分辨极限角的概念。已有的研究成果表明，当空间平面上两个黑点相互靠拢到一定程度时，离开黑点一定距离的观察者就无法区分它们，这意味着人眼分辨景物细节的能力是有限的，这个极限值就是分辨率。研究成果继续表明，人眼的分辨率有如下一些特点：当照度太强、太弱时或当背景亮度太强时，人眼分辨率降低。当视觉目标运动速度加快时，人眼分辨率降低。人眼对彩色细节的分辨率比对亮度细节的分辨率要差，如果黑白分辨率为1，则黑红为0.4，绿蓝为0.19。人眼中心的成像分辨率高于边缘

3、成像分辨率。根据MichaelFDeering在TheLimitsofHumanVision中的描述，人眼的成像分辨率中心和边缘是不同的，中心位置可能小于1，越往外围越低，最外围似乎只有12。为了简化论述的复杂性，我们在分析和研究数字影院升级到4k分辨率图像放映系统的必要性之前，作如下两个假设前提：一是假设银幕亮度是适中的，二是图像是静止的。由于人眼具有“当照度太强、太弱时或当背景亮度太强时，人眼分辨率降低”和“当视觉目标运动速度加快时，人眼分辨率降低。”这个特性，在上述两个假设的条件下人眼的分辨能力是最高的。在上述两个假设情况下，特定的分辨率图像如果能够满足观看质量的要求，那么必定也能满足在

4、银幕亮度过高或过低情况下观看、或观看运动图像的质量要求。本文就是在人眼具有观看图像最高分辨率能力的情况下进行分析和研究的。人眼的分辨率极限是多少呢？已有研究成果表明，在成像光学系统中，分辨率是衡量分开相邻两个物点的像的能力。由于衍射，系统所成的像不再是理想的几何点像,而是有一定大小的光斑(爱里斑)，当两个物点过于靠近，其像斑重叠在一起,就可能分辨不出是两个物点的像，即光学系统中存在着一个分辨极限，这个分辨极限通常采用瑞利提出的判据:当一个爱里斑的中心与另一个爱里斑的第一级暗环重合时，刚好能分辨出是两个像。对于人眼的分辨极限应满足瑞利判据：Q1.22D人眼的瞳孔直径D为2mm9mm，取中间值D为

5、5mm，可见光中心波长也就是人眼最敏感的波长为5500埃，因此人眼的分辨极限角为1。当物体对人眼的视角小于1时，人对物体的细节就不能分辨，看起来就是一点。“当物体对人眼的视角小于1时，人对物体的细节就不能分辨，看起来就是一点。因此，人眼的分辨极限角为1。”这个结论是本文的最重要论据。 二、同排上中心座位的观看分辨率高于边座的观看分辨率 由于在同一排中，边座上观众眼睛到银幕中心的距离大于中心座位上观众眼睛到银幕中心的距离，并且由于投影的关系，边座上的观众看到的图像面积小于中心座位上的观众看到的图像面积。可以推断出中心座位上的观众的分辨能力强于边座上观众的分辨能力。 为了简化论述，本文只把观众区首

6、排、中排和末排中心座位作为分析和研究的对象，不再考虑边座情况。 三、图像中的两个相邻像素可被分辨的判据数字电影的图像分辨率是指在整幅图像的宽度和高度上构成图像像素点数的集合。例如，标准的2k分辨率图像是指在水平方向上具有2048个像素点、纵向上有1080个像素点；标准的4k分辨率图像在水平方向上具有4096个像素点、纵向上有2160个像素点。像素的几何形状为正方形。本文仅对分布在水平方向上的像素进行研究。我们可以推导出：银幕上2K分辨率图像上两个相邻像素间距：L2K=W/2048；银幕上4K分辨率图像上两个相邻像素间距：L4K=W/4096；人眼可以分辨的图像上两个相邻像素间距：LV=xWta

7、ng1。 其中x=L / W， x为银幕宽度的倍数，W为银幕宽度，L为观看者到银幕的距离。 两个相邻像素间距等于两个像素中心点的距离，亦即等于一个像素宽度。 如果L2KLV，亦即L2K/ LV1，或 L4KLV，亦即L4K/ LV1，即意味着人眼可以分辨出银幕上两个相邻像素，整体图像呈现网格状、显得粗糙；反之，如果L2KLV，亦即L2K/ LV1，或 L4KLV，亦即L4K/ LV1，即意味着人眼不可以分辨银幕上两个相邻像素，图像显得细腻光滑。 这个结论是本文推导出的，并在后文使用的判据。 四、影响图像中两个相邻像素可被分辨的因素 经上式至推算得： 对于2K图像，L2K/ LV=（W/2048

8、）/（xWtang1）=1/（2048xtang1）=1.678/x； 对于4K图像，L4K/ LV=（W/4096）/（xWtang1）=1/（4096xtang1）=0.839/x。 从上述计算结果可以得出一个结论：观看者对图像细节的分辨能力与x（观看者距银幕的距离与银幕宽度的比值）有关。 五、2K和4K分辨率图像对不同座位上观看质量的影响 JGJ582008电影院建筑设计规范将影院分为了特级、甲级、乙级和丙级四个级别。其中，不同等级的影院对最近视距与最远视距的要求存在差异。详见表1。表1 （一）2K和4K分辨率图像对在不同等级影院最近视距观看质量的影响 当x=0.6时（特级、甲级影院），

9、对于2K图像，L2K/ LV=1.678/x=2.7971；对于4K图像，L4K/ LV=0.839/x =1.3981。 当x=0.55时（乙级影院），对于2K图像，L2K/ LV=1.678/x=3.0511；对于4K图像，L4K/ LV=0.839/x =1.5251。 当x=0.5时（丙级影院），对于2K图像，L2K/ LV=1.678/x=3.3561；对于4K图像，L4K/ LV=0.839/x =1.6781。 从上述计算结果可以判断出：无论是2K还是4K分辨率的图像，都不能较理想地满足各等级常规影院首排位置上观看质量的要求。 （二）2K和4K分辨率图像对在不同等级影院最远视距观

10、看质量的影响 当x=1.8时（特级影院），对于2K图像，L2K/ LV=1.678/x=0.9321；对于4K图像，L4K/ LV=0.839/x =0.4661。 当x=2.0时（甲级影院），对于2K图像，L2K/ LV=1.678/x=0.8391；对于4K图像，L4K/ LV=0.839/x =0.4191。 当x=2.2时（乙级影院），对于2K图像，L2K/ LV=1.678/x=0.7631；对于4K图像，L4K/ LV=0.839/x =0.3811。 当x=2.7时（丙级影院），对于2K图像，L2K/ LV=1.678/x=0.6211；对于4K图像，L4K/ LV=0.839/

11、x =0.3111。 从上述计算结果可以看出，无论是2K还是4K分辨率的图像，都能较理想地满足不同等级常规影院末排位置上观看质量的要求。 （三）2K和4K分辨率图像对在不同等级影院中排位置上观看质量的影响 特级观众区中心位置的确定方法如下：x=（0.6+1.8）/2=1.2。 当x=1.2时，对于2K图像，L2K/ LV=1.678/x=1.41；对于4K图像，L4K/ LV=0.839/x=0.71。 甲级观众区中心位置的确定方法如下：x=（0.6+2.0）/2=1.3。当x=1.3时，对于2K图像，L2K/ LV=1.678/x=1.291；对于4K图像，L4K/ LV=0.839/x=0

12、.641。乙级观众区中心位置的确定方法如下：x=（0.55+2.2）/2=1.375。 当x=1.375时，对于2K图像，L2K/ LV=1.678/x=1.221；对于4K图像，L4K/ LV=0.839/x=0.611。丙级观众区中心位置的确定方法如下：x=（0.5+2.7）/2=1.6。当x=1.6时，对于2K图像，L2K/ LV=1.678/x=1.0491；对于4K图像，L4K/ LV=0.839/x=0.5241。 从上述计算结果可以看出，2K分辨率的图像不能较理想地满足不同等级常规影院中心座位观看质量的需求，而4K分辨率的图像可以较理想地满足不同等级常规影院中排座位观看质量的需求

13、。 六、2K和4K分辨率图像对在巨幕影院不同座位观看质量的影响 GD/J 040-2012数字电影巨幕影院技术规范和测量方法中规定了最近视距为05倍银幕宽度，最远视距为12倍银幕宽度。 （一）2K和4K分辨率图像对在巨幕影院最近视距观看质量的影响 最近视距为银幕宽度的0.5倍，亦即x=0.5。 根据上述计算得出：当x=0.5时，对于2K图像，L2K/ LV=1.678/x=3.3561；对于4K图像，L4K/ LV=0.839/x=1.6781。无论是2K还是4K分辨率的图像，都不能满足巨幕影厅首排位置上观众的观看要求。 （二）2K和4K分辨率图像对在巨幕影院最远视距观看质量的影响末排最远视距

14、是银幕宽度的1.2倍，亦即x=1.2。当x=1.2时，对于2K图像，L2K/ LV=1.678/x=1.3981；对于4K图像，L4K/ LV=0.839/x=0.6991。从上述计算结果可以看出，2K分辨率的图像不能满足巨幕影厅末排位置上观看质量的要求；而4K分辨率的图像能够满足巨幕影厅末排位置上观看质量的要求。 （三）2K和4K分辨率图像对在巨幕影院中心排观看质量的影响观众区中心位置的确定方法如下：x=（0.5+1.2）/2=0.85。当x=0.85时，对于2K图像，L2K/ LV=1.678/x=1.9741；对于4K心座位上观看质量的要求。 七、在20m宽银幕的巨幕影厅中，恰能分辨图像

15、细节的距离 我们可以按照L4K/ LV=0839/x=1推导出，X=0.839。 又因x=L / W， 所以L=xW=0.83920=16.78m。 这个结论说明，在银幕宽度为20m的巨幕厅，如果观众在距离银幕1678m处，恰能分辨像素级别的图像细节。如果超过这个距离，就不能很好地分辨开图像中相邻两个像素了。 八、满足影院首排位置上观看质量的图像分辨率 影院建设技术标准要求最近视距为不低于银幕宽度的0.5倍距离，即x0.5。 从式LV=xWtang1，我们可以推出W / LV=1/（ xtang1） 当x=0.5时，W / LV=68756K 1K=1024 6K=6144从上述计算结果看，要满足在影院首排的观看质量要求，放映图像的分辨率至少不应低于6K。 九、综论 综上所论，从第五、六和七章节仅就人眼的特性研究分析可得出以下结论： 4K分辨率的图像可以满足常规影院和巨幕影院座位区中心位置至末排位置间、超过半数以上的观众的观看质量要求，而仅仅不能满足前几排位置上观看质量要求； 2K分辨率的图像仅能够满足常规影院末几排少于半数以上观众观看质量要求，而不能满足包括中心座位区在内的半数以上观众观看质量要求； 2K分辨率的图像完全不能满足巨幕影院观众的观看要求。