基于透視學(xué)原理的非等像素間距室外LED屏

薛元亭

(深圳雷曼光電科技股份有限公司，廣東 深圳 518000)

引言

隨著LED屏的大規(guī)模應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的高度成熟。LED屏成本的下降空間和速度已大幅減少。如何在保持LED屏品質(zhì)基本不變的情況下降低成本，成了各家公司探索的方向。盡管LED燈的價(jià)格相比幾年前已下降很多，但在LED屏整體成本中，LED燈的成本占比仍排在前列。因此，若能減少LED燈的成本，對(duì)LED屏整體成本的下降會(huì)有很大幫助。在不替換LED燈型號(hào)和不影響顯示效果的情況下減少LED燈數(shù)量，成為降低成本的備選方案之一。

減少LED燈的數(shù)量有多種方式。例如虛擬像素技術(shù)，通過相鄰像素復(fù)用，用較少的LED燈數(shù)量，來達(dá)到較高的像素分辨率；給LED燈增加透鏡，增大單個(gè)像素的發(fā)光面積占比，用較大的像素間距，來實(shí)現(xiàn)較小像素間距的視覺效果；還有常見的室外條幕屏，通過增大像素的水平間距，在提升通透率的同時(shí)也降低了成本。

通常，同樣尺寸的瓷磚、天花板等，在較大視角觀看時(shí)，和視線方向垂直的線條，越遠(yuǎn)的地方看起來間距越小。人在仰視觀看水平垂直等像素間距LED屏?xí)r也是如此，水平視覺像素間距大于垂直視覺像素間距。例如一個(gè)P10的LED屏，仰視觀看時(shí)，像素的垂直間距可能近似于P8的LED屏。本文嘗試結(jié)合LED屏的室外高空應(yīng)用環(huán)境[1]，保持水平像素間距不變，增大垂直像素間距，使水平視覺像素間距≈垂直視覺像素間距，以達(dá)到減少LED燈數(shù)量，降低成本的目的。我們做了P10.6(Horizontal)-P13.3(Vertical)像素間距的箱體和P10.6(H)-P10.6(V)的箱體進(jìn)行對(duì)比，使用同型號(hào)的1R1G1B直插346 LED燈，來驗(yàn)證猜想效果。

1 仰視觀看LED屏?xí)r，像素間距的透視現(xiàn)象分析(1)注：在水平大視角觀看LED屏?xí)r候，LED屏的水平視覺像素間距也有變小的現(xiàn)象。但此觀看角度非室外LED屏的主要應(yīng)用場(chǎng)景，在此不討論。

透視是一種視覺現(xiàn)象。人在觀察一個(gè)物體時(shí)，由于觀察者的位置不同，注視的方向不同，距離被觀察物體的遠(yuǎn)近不同，所看到的畫面也是不同的[2]。將三維空間中的物體投射到二維的平面上形成圖像的現(xiàn)象就是透視[3]。

構(gòu)成透視現(xiàn)象有三個(gè)必要條件：視點(diǎn)、物體、畫面[4]。三者之間的位置，遠(yuǎn)近變化，都會(huì)影響到最后投射到畫面上透視圖形的變化，研究它變化規(guī)律的方法就是透視學(xué)。

根據(jù)透視規(guī)律和原理繪制的圖形就是透視圖。圖1是兩張具有透視效果的圖片[5]。

圖1 具有透視效果的圖片

如圖2所示，就是一個(gè)簡(jiǎn)單的中心投影透視示意圖[5]。

1)視點(diǎn)，即人的眼睛；

2)物體，即被觀察對(duì)象，如墻面上高處的正方形A1和低處的正方形A2；

3)畫面，在物體和人眼之間的虛擬透明平面。正方形A1在畫面上的投影為A1′，正方形A2在畫面上的投影為A2′。A1′和A2′即人眼看到的圖像。

圖2 中心投影透視示意圖

可以看出，A1在畫面上的投影A1′，因?yàn)檠鲆暤脑颍叫胃叨确较虮粔嚎s，變成了近似長(zhǎng)方形。A2因?yàn)檠鲆暯嵌容^小，A2′長(zhǎng)寬比例變形較小。

若把A1正方形的四個(gè)角等效為4個(gè)像素點(diǎn)，可以看到A1′像素的垂直間距明顯變小。水平視覺像素間距大于垂直視覺像素間距。

若把A1變成一個(gè)豎高形的長(zhǎng)方形，那么畫面上得到的A1′會(huì)近似于正方形。

為驗(yàn)證此現(xiàn)象，我們做了一個(gè)P10.6(H)-P13.3(V)像素間距，寬1 280 mm×高960 mm的箱體，把箱體吊裝在離地面6 m的高度，如圖3左邊箱體。同時(shí)用一個(gè)P10.6(H)-P10.6(V)像素間距的箱體進(jìn)行對(duì)比，如圖3右邊箱體。

圖3 P10.6(H)-P13.3(V)和 P10.6(H)-P10.6(V)照片對(duì)比

在仰視觀看時(shí)，雖然左邊箱體減少了LED燈個(gè)數(shù)，但仍在視覺上達(dá)到水平像素間距≈垂直像素間距的效果，見圖3右上角放大圖左邊所示。右邊P10.6(H)-P10.6(V)像素間距的LED屏，視覺像素間距近似于P10.6(H)-P8(V)。圖3實(shí)物觀測(cè)結(jié)果跟圖2模擬結(jié)果相符。

2 人眼角分和像素間距的關(guān)系

當(dāng)人逐漸遠(yuǎn)離LED屏，仰視角變小。觀測(cè)結(jié)果如圖2的A2′效果，A2′的變形較小，像素間距寬高比例接近真實(shí)。若在遠(yuǎn)處觀看P10.6(H)-P13.3(V)的顯示屏，理論上可以看出垂直像素間距大于水平像素間距，顯示效果不佳。但是，由于人眼的生理特性局限，在遠(yuǎn)處無法分辨出兩個(gè)像素的間隙。

通常公認(rèn)的人眼最小角分約為1角分(1角分= 0.0166度)[6]。

垂直像素間距13.3 mm，單個(gè)像素點(diǎn)的直徑約為7 mm(346燈，1R1G1B三角形排列),兩個(gè)像素垂直間隙約為6.3 mm。

通過計(jì)算，人站在約22 m處，就看不出LED屏的像素顆粒感了，如圖4所示。

圖4 人眼角分和觀看距離示意圖

筆者實(shí)測(cè)，站在25 m遠(yuǎn)處觀看，P10.6(H)-P13.3(V)像素間距和P10.6(H)-P10.6(V)像素間距的LED屏，都沒像素顆粒感，有同樣好的視覺效果(各人眼睛有差異)，如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)處觀看效果對(duì)比

3 非等像素間距LED屏的應(yīng)用條件及其他優(yōu)勢(shì)

由圖3和圖4可知，非等像素間距的LED屏，需要安裝在較高的位置，在近處仰視觀看，由于透視原理，可得到等像素間距LED屏的顯示效果。安裝在較低的位置不合適。

另外還需要注意以下2點(diǎn)：

1)因?yàn)楦淖兞薒ED像素的垂直間距，豎高型LED屏的觀看效果會(huì)比較好。水平尺寸較寬的LED屏不太適合。水平視角大時(shí)候，因LED像素垂直間隙較大，可能看到橫的暗線。

2)播放視頻素材的分辨率，需要按等像素間距屏的分辨率制作。然后再壓縮到和LED屏物理分辨率相等的分辨率播放，才能看到原始比例的圖像。

例如P10.6(H)-P13.3(V)，寬1 280 mm×高960 mm的箱體。播放視頻素材分辨率要為寬120pix×高90pix，播放視頻的文件框分辨率為寬120pix×高72pix。這樣會(huì)得到和播放視頻素材分辨率寬120pix×高90pix，在P10.6(H)-P10.6(V)像素間距，寬1 280 mm×高960 mm箱體上相同的顯示效果，如圖3、圖5所示。

其他優(yōu)勢(shì)如下：

1)因?yàn)榇怪毕袼亻g距的加大，某些像素間距、固定面罩的螺絲就可以避開面罩帽檐，在陽光下有更好的顯示均勻性。如圖6所示，左邊顯示屏箱體一致性很好。右邊箱體可以看到明顯的面罩帽檐缺口反光。

圖6 仰視顯示均勻性對(duì)比

2)因?yàn)長(zhǎng)ED像素?cái)?shù)量的減少，面罩的黑區(qū)占比變大，黑屏亮度更低。由對(duì)比度的計(jì)算方法可知，對(duì)比度更高[7]。如圖7所示，黑屏狀態(tài)下，垂直視角觀看，左邊箱體更黑。在室外測(cè)量可知，左邊非等像素間距LED屏比右邊等像素間距LED屏，對(duì)比度提升15%(圖6仰視觀看時(shí)右邊更黑。這是因?yàn)槊嬲置遍軐?duì)燈遮擋造成的，但顯示已嚴(yán)重偏色，如圖8所示，所以仰視時(shí)，右邊對(duì)比高無意義)。

圖7 對(duì)比度比較

3)由于LED燈的垂直像素間距加大，在仰視觀看過程中，面罩帽檐對(duì)LED燈的遮擋影響變小，可獲得更大的垂直觀看視角。如圖8所示，在大角度仰視觀看時(shí)，左邊箱體顯示顏色準(zhǔn)確。右邊的箱體由于面罩帽檐對(duì)LED燈的遮擋，偏色嚴(yán)重。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量可知，左邊非等像素間距LED屏的垂直視角比右邊增大約15°。

圖8 仰視角觀看，偏色對(duì)比

4 總結(jié)

P10.6(H)-P13.3(V)像素間距的LED屏，每平方米比P10.6(H)-P10.6(V)像素間距的LED屏節(jié)約了20%的LED燈，降低了成本。基于透視學(xué)原理，在近處仰視觀看時(shí)，P10.6(H)-P13.3(V)像素間距的LED屏可在視覺上獲得P10.6(H)-P10.6(V)像素間距的顯示效果。在遠(yuǎn)處不具備仰視觀看條件時(shí)，由于人眼的角分生理特性局限，也看不出像素顆粒感。

由于像素間距的增加，可以改善面罩的反光一致性，提高15%的對(duì)比度，垂直視角增大約15°。對(duì)整體視覺質(zhì)量有較大的提升[8]。

同時(shí)，非等像素間距LED屏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的高度和播放素材有一定要求，也面臨著客戶心理接受度的問題。結(jié)果如何需待市場(chǎng)進(jìn)一步檢驗(yàn)。