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如何用光学处理幕消除电视台LED显示屏摩尔纹?
更新时间:2016-05-23  浏览次数:

引言

与其他显示屏相比,LED显示屏在亮度、尺寸等方面有较大优势。近年来,LED显示屏开始应用于电视综艺演播室,逐渐成为舞台主流显示设备。但是,在长期的使用过程中会发现,当摄像机镜头对准LED显示屏时,偶尔会出现莫名其妙的水波一样的条纹和奇怪的色彩(如图1所示),也就是常说的摩尔纹现象。那摩尔纹究竟是怎么产生的呢?

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1 LED显示屏摩尔纹的产生原理及其影响

1.1 摩尔纹的产生原理

当两个带有空间频率的图样重叠,通常会产生另一种新图样,这种新图样通常叫做摩尔波纹(如图2所示)。由于摄像机的CCD(图像传感器)靶面(感光面)类似于图2中间的图形,而LED显示屏是由排列一致的点阵式发光管组成的,整个显示屏不发光面积大,形成了网格状的图样,类似图2左边的图像,两者重叠,就形成了类似于图2右边的摩尔纹。

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简单地说,摩尔纹是差拍原理的一种表现。从数学上讲,两个频率接近的等幅正弦波叠加,合成信号的幅度将按照两个频率之差变化。差拍原理广泛应用到广播电视和通信中,用来变频、调制等。同样,差拍原理也适用于空间频率。空间频率略有差异的条纹叠加,由于条纹间隔的差异,重合位置会逐渐偏移,也会形成差拍。

如果感光元件CCD(或CMOD)像素的空间频率与影像中(LED)条纹的空间频率接近,就会产生摩尔纹。要想消除摩尔纹,应当使镜头分辨率远小于感光元件的空间频率。当这个条件满足时,影像中不可能出现与感光元件相近的条纹,也就不会产生摩尔纹了。有些数码摄像机中为了减弱摩尔纹,安装有低通滤波器滤除影像中较高空间频率部分,这当然会降低图像的锐度。如果将来的数码摄像机像素密度能够大大提高,远远超过镜头分辨率,也不会出现摩尔纹。

胶片记录影像的过程中不存在规律分布的像素,也就没有固定的空间频率,也不会出现摩尔纹。所以摩尔纹现象是电视摄像数字化后带来的问题。

1.2摩尔纹对电视摄像的影响

LED显示屏是由离散的像素排列而成,像素之间存在明显的不发光黑区。现有作为演播室背景的LED显示屏像素间不发光面积大,发光点亮度高,成像效果不好,近距离观看炫目,会出现摩尔纹。尤其在以摄像机拍摄时,画面会出现严重的摩尔纹现象且闪烁。

从图1可以看到,LED显示屏在拍摄时出现了一些不规则的彩色纹路,不能真实地还原原来的图像,严重影响了电视画面的效果,也影响了LED显示屏在演播室的推广使用。LED显示屏亮度高、可应用的面积大、无缝拼接、价格低等的优势末能体现。

2 减少摩尔纹的常用方法

如何避免或减少摩尔纹现象呢?一般有以下几类方法:

2.1 CCD像素偏置技术

近几年,摩尔纹现象得到摄像机厂家越来越多的重视,日本松下企业就通过CCD像素偏置技术来减少摩尔纹的产生。

由于CCD的靶面是点阵排列的,不是连续的面,所以当图像的空间频率(例如LED大屏幕的空间频率)超出了CCD的空间频率时,就容易产生摩尔纹现象。简单来说,就是由于图像细节小于每一个图像传感器之间的间隔所造成的。而空间偏置是一种用来提高CCD摄像机亮度水平分辨率的方法。这种方法能够尽可能地使用CCD阵列中的像素数,达到比理论值更高的分辨率。其像素排列方式如图3,红色和蓝色CCD被固定在棱镜模块上,它们的间隔水平偏置相当于绿色的一半。它将扫描线中的采样数量加倍,用于制作亮度信号,这样就得到了更高的分辨率。

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图4是采用CCD像素偏置技术对提高分辨率效果的示意图,被摄对象的频率反映的是图像的细节。当采用像素偏置技术时,绿色CCD和红蓝CCD将取得不同点的图像信息,经过DSP数字信号处理之后,就可以得到红色曲线的图像信息(如物体有高于红线的细节信息则无法得到);而不采用像素偏置技术,则只能得到如蓝色曲线的图像信息,显然,实际输出的图像细节就少多了。但是,即便采用这种方法,仍不能彻底消除摩尔纹,原因是CCD仍存在一定的空间频率,无法连续成一个面。

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2.2摄像机调整

在电视拍摄时可采用以下办法来减轻或消除摩尔纹干扰:

(1)改变摄像机角度。由于摄像机与LED显示屏的角度会导致摩尔纹,稍微改变摄像机的角度(通过旋转摄像机)可以减轻或消除摩尔纹。

(2)改变摄像机位置。通过左右或上下移动来改变角度关系,可以减少摩尔纹。

(3)改变焦点。细致图样上过于清晰的焦点和细节可能会导致摩尔纹,稍微改变焦点可改变清晰度,进而帮助消除摩尔纹。

(4)改变镜头焦长。用不同的镜头或焦长设定,来改变或消除摩尔纹。

(5)用App处理,消除最终影像上出现的摩尔纹。

但是,上述的方法在某些特定的场合可以适用,但对于电视摄像,特别是电视直播节目,就存在实际的操作问题。

3 光学处理幕消除摩尔纹

既然摩尔纹现象是由LED显示屏的固有结构产生的,如果使摩尔纹产生的条件—LED显示屏的网格结构或是摄像机CCD(CMOS)的网格结构的其中之一消失,理论上就可以完全消除摩尔纹干扰。

要使LED显示屏或摄像机的显示为一个面,而不是网格状,受限于摄像机CCD的分辨率,现有技术很难实现。那么,能不能在LED显示屏上做文章呢?

有研究发现,可以在LED显示屏表面叠加一层光学处理幕,该幕由特定比例的特殊吸光材料与表面微珠透镜涂层组成,通过光学处理幕对离散的LED发光点进行放大显示,改善LED显示屏的表面物理结构,使得LED显示屏由点发光转换成面发光,最终在光学处理幕表面形成连续的高清晰图像,消除摩尔纹。

通过光学处理的LED显示屏,摄像机几乎可在任何角度、任何位置、任何焦距都可以拍摄出不产生摩尔纹的图像。目前,国内外一些厂家已掌握了相关技术。

3.1 光学处理幕技术解决方案

在LED显示屏发光管表面固定一层光学处理幕。光学处理幕(如图5所示)必须紧贴显示屏发光管;光学处理幕选用特定比例的吸光材料和微珠透镜涂层,使其在透光性、色调等方面满足电视摄像要求。

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发光管发出的光经光学处理幕吸光处理、滤除杂光,通过涂层表面多层等比例放大后形成连续整体面光,消除了LED发光管的网格效应。

3.2 光学处理幕的技术特点

3.2.1 产品特性

(1)高增益、高清晰度、透光率大于等于95%;

(2)亮度均匀度高,色彩还原饱和性高,能改善色温、白平衡;

(3)增大视角,上下左右视角均大于170°

(4)能过滤90%以上的杂散光;

(5)使用寿命长,超过10万小时;

(6)防水、防腐蚀、防爆、清洁方便

3.2.2 基本特点

(l)多采用纳米技术,选用高硬度高弹性台成树脂材料,物理机械性好、抗拉、抗弯曲,抗冲击性强,化学稳定性好,无放射、辐射伤害;

(2)实现了超大尺寸屏幕无缝物理拼接,拼缝处光学无阴影;

(3)先进的表面涂层处理技术,保证透光颗粒和微晶颗粒等特殊粉粒以及附着粉粒等几十种进口光学材料均匀与基材表面融合,抗磨损,涂层表面的平整处理、防腐处理、耐磨处理确保屏幕亮度均匀、图像清晰、色彩还原好;

(4)光学处理幕材料具有吸取光线和很好的光线定向传播特性,内置的导光颗粒将光源向光学处理幕表明传播,优化图像亮度。

3.2.3 加装光学处理幕的LED显示屏特性

(1)外观上,在LED显示屏未点亮之前,整个显示屏类似一个超大尺寸的LCD显示器,看不到LED显示屏的发光点(如图6、7所示);

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(2)光学处理好的LED显示屏,其亮度、色温满足电视拍摄的要求,不会出现摩尔纹干扰现象(如图8所示)

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4 光学处理幕技术的应用

在消除摩尔纹干扰的基础上,光学处理幕在图像还原上也体现了一定的优势,具体表现上:

(1)图像清晰、柔和、色彩逼真、在特写镜头时图像不失真;

(2)缩小LED屏幕的观看举例,人眼与显示屏的距离可缩短30cm;

(3)增大LED显示屏的观看视角,将LED显示屏的实效由上下左右120°~130°,增大到170°。

经过多年的研发和改进,光学处理幕技术已经应用于国内电视台的演播室、大型综艺演播室。从2008年起,加装光学处理幕的LED显示屏首先在厦门电视台360演播室作为资讯播报的置景显示屏使用,之后陆续在中央人民广播电台、太原电视台、郑州电视台等电视台的资讯或专题演播室使用。通过给LED屏幕加装光学处理幕已成为电视演播室消除摩尔纹的一种主要方式。

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