演播室LED 大屏摩爾紋問題探究

陸 寬

（天津廣播電視臺(tái)，天津 300000）

0 引言

LED 發(fā)光二級(jí)管技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，憑借其亮度高、功耗低、小巧耐用的諸多優(yōu)點(diǎn)快速、廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。LED 電子顯示屏優(yōu)點(diǎn)多多，是微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)集于一體的綜合產(chǎn)品，其特點(diǎn)是色彩飽和度高、動(dòng)態(tài)范圍廣、顯示亮度高、使用壽命長(zhǎng)、工作持久穩(wěn)定。但是LED 顯示屏在具備優(yōu)良顯示特性的同時(shí)，在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝的畫面中經(jīng)常產(chǎn)生摩爾紋，對(duì)畫面質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1-2]。本文探討在數(shù)字拍攝領(lǐng)域，LED 大屏產(chǎn)生摩爾紋的原因，并針對(duì)摩爾紋產(chǎn)生機(jī)制提出消除摩爾紋的指導(dǎo)性解決方案。

1 摩爾紋的形成原理和特性

摩爾紋是在數(shù)字拍攝設(shè)備感光元件出現(xiàn)的，使畫面彩色高頻部出現(xiàn)不規(guī)則的條紋，并且沒有明顯的形狀規(guī)律。這種摩爾紋可能通過(guò)亮度也可能通過(guò)顏色來(lái)展現(xiàn)，如圖1、圖2 所示。

圖1 LED 顯示屏摩爾紋

圖2 顯示屏摩爾紋

摩爾紋是差拍導(dǎo)致的光學(xué)干涉的一種表現(xiàn)：兩個(gè)頻率接近的等幅正弦波，疊加合成信號(hào)的幅度，按照兩個(gè)頻率之差變化。目前，一般用乘法摩爾紋數(shù)學(xué)模型，考慮兩組頻率相近，呈一維正弦分布的信號(hào)，在X方向頻率分別為f1和f2，則疊加生成的摩爾紋光強(qiáng)度表達(dá)式為：

其中，I為初始正弦波疊加之后的差頻相，A(x,y)和B(x,y)分別為傾斜因子和調(diào)制因子，φ1和φ0分別為兩初始條紋的初始相位。

由發(fā)光點(diǎn)陣組成的LED 大屏，跟攝像機(jī)感光元件上的相素點(diǎn)，雖然都是離散型的無(wú)法用正弦波表示，但它們的排列方式都是按照特定的空間頻率排列的。空間頻率接近的兩個(gè)視頻信號(hào)，疊加時(shí)部分重合嚴(yán)重，產(chǎn)生視覺上的分塊，即摩爾紋現(xiàn)象。而空間頻率差異較大的兩個(gè)視頻信號(hào)疊加，是不易出現(xiàn)規(guī)律的疊加部分的，因此摩爾紋現(xiàn)象反而不甚明顯，如圖3、圖4 所示。

可見，空間頻率略有差異的條紋疊加，由于條紋間隔的差異、重合位置會(huì)逐漸偏移，也會(huì)形成差拍。兩條線或兩個(gè)物體之間以恒定的角度和頻率發(fā)生干涉，當(dāng)人眼無(wú)法分辨這兩條線或兩個(gè)物體時(shí)，只能看到干涉的花紋。當(dāng)感光元件像素的空間頻率與影像中條紋的空間頻率接近時(shí)，可能產(chǎn)生一種新的波浪形的干擾圖案，傳感器的網(wǎng)格狀紋理構(gòu)成了一個(gè)這樣的圖案。

圖3 空間頻率接近的兩個(gè)視頻信號(hào)

圖4 空間頻率差異較大的兩個(gè)視頻信號(hào)

所以，如果CCD 或CMOS 感光元件像素的空間頻率，與組成LED 大屏的發(fā)光點(diǎn)陣空間頻率接近，拍攝畫面就會(huì)產(chǎn)生可見的摩爾紋。

而拍攝畫面中的細(xì)條狀結(jié)構(gòu)與傳感器的感光結(jié)構(gòu)以小角度交叉時(shí)，這種交叉效應(yīng)也會(huì)在圖像中產(chǎn)生明顯的干擾。如果間距為a的一組條紋和間距為b的組條紋，以θ為夾角進(jìn)行重貼，它們將產(chǎn)生一系列的交點(diǎn)，如果這些交點(diǎn)之間距離較短，人眼無(wú)法分辨，連接起來(lái)就會(huì)形成比較明顯的摩爾條紋，如圖5 所示。

圖5 細(xì)條狀結(jié)構(gòu)與傳感器的感光結(jié)構(gòu)以小角度交叉

沿不同方向?qū)⒔稽c(diǎn)連接起來(lái)，就可以得到不同方向的摩爾紋寬度為：

其中n為自然數(shù)。如果這個(gè)寬度達(dá)到人眼能識(shí)別，拍攝畫面也會(huì)產(chǎn)生可見的摩爾紋，如圖6 所示。

2 數(shù)字視頻拍攝領(lǐng)域摩爾紋的影響因素分析

根據(jù)對(duì)摩爾紋原理的深入分析可知，摩爾紋是兩個(gè)頻率相近的視頻信號(hào)物理疊加，發(fā)生波形干涉，從而造成的視錯(cuò)覺。在數(shù)字視頻領(lǐng)域，由于CCD 或CMOS 感光元件的排列有固定頻率，此頻率與感光元件分辨率相關(guān)，當(dāng)拍攝對(duì)象具有與感光元件相近的頻率時(shí)，或者當(dāng)拍攝對(duì)象的頻率高于感光元件的空間頻率，造成感光元件對(duì)圖像的高頻部分失去解析，從而造成感光元件所解析出的圖像頻率，和感光元件本身的空間頻率相似，這樣也會(huì)產(chǎn)生摩爾紋。由發(fā)光點(diǎn)陣組成的LED 大屏，也具有一定的空間頻率，與攝像機(jī)感光元件空間頻率接相似時(shí)，拍攝出的大屏畫面出現(xiàn)摩爾紋成為常見的現(xiàn)象。

圖6 細(xì)條狀結(jié)構(gòu)與傳感器的感光結(jié)構(gòu)以小角度交叉形成摩爾紋

3 消除摩爾紋的解決方案

基于摩爾紋的形成原理，想要消除摩爾紋，可以使鏡頭分辨率遠(yuǎn)小于感光元件的空間頻率。此時(shí)，影像中不可能出現(xiàn)與感光元件相近的條紋，也就不會(huì)產(chǎn)生摩爾紋。同樣，如果像素密度能夠大大提高、遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鏡頭分辨率，也不會(huì)出現(xiàn)摩爾紋。技術(shù)角度上講，只有使摩爾條紋的寬度小于人眼能夠識(shí)別的最小寬度，使人眼無(wú)法察覺，或者使摩爾條紋的寬度大于觀看者的一般活動(dòng)范圍，使觀看者無(wú)法看到，才能一定程度減弱摩爾條紋的不良影響，給予觀眾更好的觀看體驗(yàn)。

消除摩爾紋的措施主要有如下6 個(gè)方面。

（1）通過(guò)提高LED 大屏發(fā)光點(diǎn)陣空間頻率解決。可以選用顯示精度高，點(diǎn)陣距離小的高端LED 大屏，避免攝像機(jī)感光元件分辨率與大屏點(diǎn)陣空間頻率相近的問題。此方案缺點(diǎn)為大屏成本大幅提高。

（2）通過(guò)在LED 大屏顯示屏幕前加一層光學(xué)處理膜，能夠在一定程度上減小發(fā)光點(diǎn)陣亮區(qū)與暗區(qū)的亮度差，減弱大屏在攝像機(jī)畫面信號(hào)中的高頻功率，這與方法4 中為攝像機(jī)加濾鏡類似，但卻只會(huì)降低拍攝畫面中大屏部分的分辨率而不會(huì)對(duì)畫面中大屏之外其他部分畫面的分辨率有影響，如圖7、圖8 所示。

圖7 光學(xué)處理膜降低大屏分辨率

圖8 光學(xué)處理膜消除摩爾紋

（3）通過(guò)提高攝像機(jī)感光元件分辨率解決。采用精度更高的感光元件，令其分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鏡頭分辨率，則能從根本上消除摩爾紋現(xiàn)象，但這個(gè)方案會(huì)造成攝像機(jī)制造成本過(guò)高。在攝像機(jī)中采用過(guò)CCD 偏置技術(shù)來(lái)提高感光元件分辨率，可以有效抑制摩爾紋的產(chǎn)生，但做不到完全消除，如圖9 所示。

（4）通過(guò)降低攝像機(jī)感光元件分辨率解決。避免與LED 大屏發(fā)光點(diǎn)陣空間頻率相近，可以在傳感器前使用抗混疊濾鏡（也稱為低通濾鏡），濾除影像中高頻部分，然而這種濾鏡會(huì)降低鏡頭的分辨率，使拍攝畫面損失銳度。同樣，也可以在攝像機(jī)的信號(hào)預(yù)處理模塊內(nèi)，利用低通濾波電路去掉圖像信號(hào)中的高頻部分。在這個(gè)問題上，必須要在摩爾紋以及分辨率之間做出取舍與妥協(xié)。

圖9 CCD 偏置技術(shù)

（5）通過(guò)在拍攝過(guò)程中利用一些拍攝技巧，盡量減輕成像畫面的摩爾紋。多數(shù)情況下LED 大屏作為圖像背景出現(xiàn)，此時(shí)可以調(diào)整鏡頭參數(shù)選用亮度濾鏡，同時(shí)調(diào)整加大光圈，從而減小鏡頭景深效果，使位于畫面縱深方向后部的LED 大屏分辨力大幅下降，形成背景虛化效果。此時(shí)，LED 大屏發(fā)光點(diǎn)陣亮部區(qū)域與暗部區(qū)域的亮度對(duì)比度，低于了攝像機(jī)識(shí)別范圍，從而使整塊大屏成為亮度較均勻的整體發(fā)光區(qū)域，進(jìn)而消除了摩爾紋效應(yīng)。當(dāng)LED 大屏并非作為背景，而是作為畫面主體出現(xiàn)，此時(shí)就不能以降低大屏畫面清晰度為代價(jià)消除摩爾紋。根據(jù)摩爾紋成因分析，可以通過(guò)改變LED 大屏在感光元件成像的空間頻率來(lái)嘗試抑制摩爾紋效應(yīng)。可以靈活調(diào)整拍攝角度、位置、焦點(diǎn)、光圈等參數(shù)，綜合調(diào)整拍攝方式，達(dá)到抑制減弱甚至消除摩爾紋的效果。

圖10 視頻信號(hào)做數(shù)字化處理

（6）在后期制作環(huán)節(jié)，進(jìn)一步對(duì)拍攝的視頻信號(hào)做數(shù)字化處理來(lái)消除素材畫面中的摩爾紋。在非直播節(jié)目的制作中，這種方法用于拍攝素材中受摩爾紋影響的低質(zhì)量畫面的補(bǔ)救，如圖10 所示。

4 結(jié)論

本文針對(duì)演播室常用的LED 大屏在拍攝畫面中經(jīng)常出現(xiàn)摩爾紋影響畫面質(zhì)量的問題，從數(shù)學(xué)原理角度分析了攝像機(jī)拍攝畫面中摩爾紋產(chǎn)生的原理及特性。針對(duì)原理又進(jìn)一步深入探討了抑制消除摩爾紋現(xiàn)象的多種可行手段。在預(yù)算充足的情況下，可以選用頂級(jí)拍攝設(shè)備和LED 顯示大屏，從根本上消除摩爾紋的影響。在普通預(yù)算條件下，也可以通過(guò)節(jié)目制作人員在操作過(guò)程中，根據(jù)節(jié)目需求和現(xiàn)場(chǎng)燈光照明條件，以畫面實(shí)用性為標(biāo)準(zhǔn)，靈活調(diào)整各項(xiàng)拍攝參數(shù)和攝像機(jī)位置角度，達(dá)到減弱和消除摩爾紋的目的。