常世昌，胡慧峰，楊志紅

（山西省藝術(shù)科技研究院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

LED顯示屏是一種集半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息傳輸技術(shù)等高新技術(shù)于一體的顯示設(shè)備，具有亮度高、壽命長、色彩鮮艷、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于文藝演出、廣告?zhèn)髅?、體育場館、遠(yuǎn)程監(jiān)控、證券交易等領(lǐng)域。特別是在各類的演出中，作為演藝裝備的后起之秀，LED顯示屏有著越來越多的應(yīng)用。

LED顯示屏通常是由若干數(shù)量的顯示模塊拼接成為的一個(gè)整體，由于這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)很容易地被拼接成不同大小的顯示面積和形狀，非常有利于在演藝行業(yè)的推廣應(yīng)用。

當(dāng)舞臺上的LED顯示屏作為演出背景時(shí)，希望它以絢麗柔和的畫面與臺上演員的表演共融為一體，為觀眾帶來美好的視覺感受；當(dāng)舞臺上的LED顯示屏作為顯示節(jié)目的唱詞或其他文字信息時(shí)，希望它顯示的文字清晰易辨。這些效果的完美實(shí)現(xiàn)是各演出團(tuán)體集中關(guān)心的一個(gè)重要問題。

LED顯示屏的顯示面是由許多作為像素的發(fā)光二極管組成的，單位面積的像素?cái)?shù)量取決于兩相鄰像素的距離，業(yè)內(nèi)通常稱為“PX”，P后面的數(shù)值X是指相鄰兩個(gè)像素中心之間的距離，也稱為點(diǎn)間距、點(diǎn)中心距或像素間距、像素距等，單位為mm。例如，像素距5 mm的顯示屏被稱為該屏的點(diǎn)間距為P5。X數(shù)值較大的顯示屏?xí)褂^察者感到圖像粗糙、有“顆粒感”，如果減少X的值就會改善圖像質(zhì)量。因此，屏面相鄰像素的距離“PX”是考察LED屏質(zhì)量優(yōu)劣的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)。

如果像素間距X的數(shù)值減少一倍，同等面積的像素?cái)?shù)量將增加4倍，背板元器件的密度也要提升4倍。這樣，相應(yīng)生產(chǎn)成本就會增加，產(chǎn)品的銷售價(jià)格也幾何倍數(shù)增長。因此，如何選擇合適的像素間距，在不影響或少影響視覺質(zhì)量的前提下降低成本降低售價(jià)，是用戶和生產(chǎn)企業(yè)都在密切關(guān)注的重要問題。

事實(shí)上，觀察者看到的圖像粗糙、有“顆粒感”，是由顯示屏像素間距和觀察者與顯示屏之間的距離兩個(gè)因素造成的。減小像素間距或者增大觀察者與顯示屏之間的距離都可以消除圖像的“顆粒感”，改善視覺質(zhì)量。由于劇場的觀眾與舞臺間的距離是相對固定的，完全可以從觀眾的視距和顯示屏的像素距之間尋找一個(gè)既不影響視覺質(zhì)量又不盲目增加成本的平衡點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)平衡，就需要先從人眼的視覺特點(diǎn)來進(jìn)行了解。

遺憾的是，至今還沒有舞臺演藝用LED顯示屏的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。以哪些技術(shù)參數(shù)來選擇顯示屏才能得到理想滿意的舞臺效果，是許多劇場和演出團(tuán)體非常關(guān)心的問題。筆者有幸承擔(dān)了2018年文旅部的研究項(xiàng)目《劇場舞臺用LED顯示屏規(guī)范》（項(xiàng)目編號WH/Y02-2018），對劇場舞臺用LED顯示屏應(yīng)具有的技術(shù)參數(shù)做了較深入的研究。在此，從人眼的視角、視力對LED顯示屏技術(shù)參數(shù)的影響情況作一闡述，供劇場和演出單位參考。

1 人眼的視角和視力

視角表示從物體的兩端點(diǎn)各引直線到眼節(jié)點(diǎn)的夾角。視角的大小直接關(guān)系到視網(wǎng)膜像的大小。最小視角是指人眼能分辨物體兩點(diǎn)間的最小距離對應(yīng)的視角。最小視角的倒數(shù)是視力，能分辨的視角越小，其視力越好[1]。

檢查視力常用的視標(biāo)有“E”字母或“C”環(huán)等。正常人的視力是1.0，最小分辨視角為1′，研究認(rèn)為人眼的潛在分辨能力可達(dá)2.0或以上（相當(dāng)于分辨視角達(dá)到0.5′或更?。?/p>

例如，觀眾對面屏幕上有兩個(gè)點(diǎn)，它們在視網(wǎng)膜上像的光能分布呈點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。當(dāng)兩點(diǎn)很靠近時(shí)，兩個(gè)分布函數(shù)重疊形成一個(gè)大點(diǎn)，而不能被分辨。當(dāng)它們逐漸分開，重疊減小，便形成波峰和波谷，當(dāng)波谷強(qiáng)度占波峰的比例小于一定值時(shí)（小于74%），才能被辨認(rèn)為兩個(gè)點(diǎn)（圖1）。在剛剛能辨別時(shí)，兩個(gè)點(diǎn)所對應(yīng)于眼節(jié)點(diǎn)的夾角即為最小視角[1]。

圖1 兩點(diǎn)間距與光能分布關(guān)系

由此可知，對于擁有正常視力的觀眾（視力為1.0），顯示屏上兩相鄰像素與觀眾眼節(jié)點(diǎn)之間的夾角小于1′時(shí)，這兩個(gè)相鄰像素在觀眾的視覺上的呈像會被重疊，這種情況下，觀眾看到顯示屏圖像時(shí)就不會出現(xiàn)“顆粒感”。

2 視角、視力與顯示屏像素距的選擇

圖2中S1、S2為相鄰的兩個(gè)像素點(diǎn)，像素點(diǎn)間的距離為A，與觀察者眼節(jié)點(diǎn)之間距離為D，兩個(gè)像素點(diǎn)與眼節(jié)點(diǎn)所聯(lián)直線的夾角為α。

由于角α非常小，所以像素點(diǎn)S1、S2之間的距離A可以看作兩點(diǎn)間的弧長，則：

式（1）中，α單位為弧度（rad），1弧度=57.3°，或者等于3 438分，正常人的最小分辨視角為1′（rad），式（1）中的α=1′（rad）轉(zhuǎn)換為角度得到：

式（3）中，A為正常視力者（視力為1.0）在距離D時(shí)所能分辨兩個(gè)像素點(diǎn)的臨界值。

對于視力為2.0的超常視力者（視角為0.5′）得：

由人眼的視覺特點(diǎn)得到的式（3）和式（4）可用來作劇場選擇LED顯示屏像素間距的依據(jù)。

例如，某劇場擬選購一面LED顯示屏取代傳統(tǒng)的天幕，該劇場第一排的觀眾距離舞臺天幕為25 m，D值代入式（3）、式（4），分別得A=7.27 mm，A=3.64 mm。

這個(gè)結(jié)果提示，如果選用小于P7.27的LED屏，對于劇場第一排擁有1.0正常視力的觀眾，就不會出現(xiàn)屏幕畫面的粗糙顆粒感了；如果選用小于P3.64的LED屏，那么，即使視力高達(dá)2.0的觀眾坐在前排也不會感覺屏幕畫面粗糙的發(fā)光顆粒了。因此，該劇場可根據(jù)自己的具體情況選用P7.27～P3.64的LED屏。選用顯示屏的像素距過大會影響圖像質(zhì)量，過小則會增加不必要的投資。

圖2 視角與像素距離的關(guān)系

圖3 不同點(diǎn)陣字的效果

圖4 不同點(diǎn)陣的字形效果

3 視角、視力與字幕屏字型的大小

一些劇場臺口的周圍常常裝有由LED點(diǎn)陣組成的字幕屏。字幕屏通常用來顯示演出節(jié)目介紹、演員的唱詞、演出間隙的廣告以及會議的會標(biāo)等。因此，這一類屏的主要用途是顯示屏幕上的文字信息，觀看文字可能產(chǎn)生的粗糙感、顆粒感并不重要。

LED顯示屏是用點(diǎn)陣的方式來顯示漢字的?，F(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了多種點(diǎn)陣的漢字字型，例如：11×12點(diǎn)陣、15×16點(diǎn)陣、24×24點(diǎn)陣、48×48點(diǎn)陣、64×64點(diǎn)陣等。它們利用點(diǎn)陣中像素點(diǎn)不同的黑、白（或暗、亮）組合來顯示漢字或字符。

這里表示漢字的點(diǎn)陣與LED屏的像素點(diǎn)陣不是一個(gè)概念。LED顯示屏顯示漢字時(shí)，屏幕點(diǎn)陣可以與漢字點(diǎn)陣一一對應(yīng)，也可以按比例對應(yīng)，如一個(gè)漢字點(diǎn)陣中的一個(gè)點(diǎn)對應(yīng)屏幕的4個(gè)像素或9個(gè)像素等。

圖3是國家標(biāo)準(zhǔn)字庫中不同點(diǎn)陣“永”字的截圖，從左到右分別是11×12（橫向×縱向）點(diǎn)陣、15×16點(diǎn)陣、24×24點(diǎn)陣、32×32點(diǎn)陣、48×48點(diǎn)陣、64×64點(diǎn)陣。

圖5 點(diǎn)陣字形與LED格柵的對應(yīng)

由圖3可以看出，點(diǎn)陣的數(shù)目較少時(shí)，顯示出的字形較粗糙，撇、捺一類的傾斜筆畫呈鋸齒狀，增加點(diǎn)陣的數(shù)目顯示出的字形趨向美觀，既可減少筆畫的鋸齒感，還可以顯示出宋、楷、黑、仿宋等不同的字體，以及顯示出起筆、收筆等筆畫細(xì)節(jié)。由此可知，組成漢字的點(diǎn)陣數(shù)目越多視覺感官越好。但是，從信息的傳輸、存儲考慮，則點(diǎn)陣數(shù)目越少越有利。

臺口周圍的LED字幕屏任務(wù)是為觀眾提供文字信息的，在滿足顯示文字信息的基礎(chǔ)上，可以選用點(diǎn)陣偏少的字型。圖4（a）和圖4（b）分別是國標(biāo)中漢字“董”的11×12點(diǎn)陣和15×16點(diǎn)陣字型的截圖。

由圖4（a）可以看到，“董”少了一些筆畫，這是由于組成漢字的點(diǎn)陣數(shù)太少，不得已而為之。

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37022-2018《信息技術(shù) 通用編碼字符集（基本多文種平面）漢字11×12點(diǎn)陣字型》中，由于受點(diǎn)陣柵格數(shù)少的限制，其中有7 287個(gè)漢字進(jìn)行了減省筆畫的處理[2]，占其所提供全部27 754個(gè)漢字的26%以上。這對于公共場所中的信息傳播是難以接受的。

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19966-2019《信息技術(shù) 通用編碼字符集（基本多文種平面）漢字15×16點(diǎn)陣字型》中，由于受點(diǎn)陣柵格數(shù)少的限制，其中有1 688個(gè)漢字進(jìn)行了減省筆畫的處理[3]，占其所提供全部27 754個(gè)漢字的6%以上，考慮到這6%中大多是筆畫多的生僻字，所以15×16點(diǎn)陣字型基本可以滿足信息傳播的需求。

綜合上述因素，用于劇場的舞臺LED字幕顯示屏應(yīng)該至少能夠顯示15×16點(diǎn)陣漢字字型。因此，只要看清和分辨LED屏相鄰兩格柵就能夠識別顯示的漢字（圖5）。

圖5中，設(shè)某劇場最后一排的觀眾距離舞臺LED字幕顯示屏35 m，觀眾為正常的視力（1.0），最小分辨視角為1′由式（3）得：

式（5）表示擁有正常視力（1.0）的觀眾在距離35 m處能分辨出相距0.01 m的點(diǎn)陣，而15×16點(diǎn)陣字形含有16行相距0.01 m的格柵，因此，字形的高度要不少于0.16 m才能被距離35 m處觀眾識別。同樣的原因，對于采用15×16以上點(diǎn)陣（24×24點(diǎn)陣、32×32點(diǎn)陣、48×48點(diǎn)陣……）的顯示屏顯示字形的高度應(yīng)該更大些。

4 結(jié)語

筆者基于人眼的視覺特點(diǎn)，提出了在保證觀眾視覺效果的前提下，選用劇場舞臺LED顯示屏像素距的計(jì)算公式，以及選擇LED字幕屏顯示字型大小的計(jì)算公式，從而獲得一面理想的LED顯示屏，與燈光、音響、舞臺機(jī)械等演藝裝備相互配合，共同營造出一個(gè)個(gè)絢麗的舞臺畫面，為觀眾呈現(xiàn)藝術(shù)之美。