从人眼视觉特性谈影院高品质视觉体验营造-巴可大学

从人眼视觉特性谈影院高品质视觉体验营造

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对于影院观影者而言,影院可提供的观影体验至关重要,其中视觉体验在观影体验中占据核心地位——观众在影院中90%的时间在用眼享受电影画面所带来的视觉盛宴,良好的视觉体验配合精彩的故事情节,可为观众营造沉浸式的“梦幻世界”,提供与消费电子和家庭观影不同的体验,满足观众专业化、高端化的观影需求。高品质的视觉体验是影院吸引观众观影的关键要素,也是影院应着力提升的重要指标。

 

电影画面主要依靠电影放映系统将视觉感知呈现给人眼,而电影放映系统是基于人眼视觉特性设计并实现的;因此,只有了解人眼的视觉特性,才能理解什么样的放映系统能带给观众更好的观影体验。

 

一、人眼构造及亮度感知

 

人眼由角膜、虹膜、晶状体、视网膜等构成,其中前三者帮助人类构建光学成像系统,作用类似于镜头。而视网膜上的杆状细胞与锥状细胞则帮助人类获取光学信息并传递到大脑,作用类似于胶片;1.2亿个杆状细胞只能区分亮度,无法分辨颜色,700万个锥状细胞则可同时分辨亮度和颜色。如图1所示。

人眼的亮度感知可分成三个特性:

(1)暗视觉响应:当人眼适应小于或等于3x10-5cd/m2的视场亮度之后,视觉由杆状细胞起作用,没有颜色分辨能力。

(2)中间视觉响应:随着视场亮度从3cd/m2降到3x10-5cd/m2,人眼感知逐渐由锥状细胞转向杆状细胞响应,此时两种细胞共同作用。

(3)明视觉响应:当人眼适应大于或等于3cd/m2的视场亮度后,视觉由锥状细胞起作用。

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图1. 人眼构造


亮度是一切视觉感知的基础,过低或过高的亮度,会降低人类对于色彩和物体细节的分辨力,如图2所示。


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图2. 亮度过低会降低人眼对于色彩和物体细节的感知

 

二、人眼分辨力

 

人眼分辨力代表着人眼可以分辨物体细节的能力,主要由人眼视网膜上光敏细胞间的物理距离决定,人眼的理论分辨力是20角秒(1/3角分),但由于感光细胞的分布以及本身的缺陷(年龄、视力下降、物体对比度等),实际分辨能力大约为1~1.5角分左右,所以小于1角分的物体人类很难分辨。如图3所示。

 

如果人眼睛分辨力按1.5角分计算,则在1m处能够看到的最小物体(约等于弧长)大约在0.437mm。


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注:?=物体的在人眼视网膜中成像的夹角,单位角分

L=观看距离,d=物体实际大小

图3. 人眼分辨力示意图

 

画面分辨率(d)和观看距离(L)影响着人眼的分辨力感知,拥有更小像素的4K画面比2K画面让人眼感受更加细腻且无“颗粒感”。

 

三、人眼颜色感知

 

人眼在明视觉范围中,可利用锥状细胞感受波长在380nm~780nm之间的光信号。波长不同的光呈现出不同的颜色,锥状细胞对绿色尤其敏感。锥状细胞分成可以感受短波(蓝光)、中波(绿光)和长波(红光)的3种不同细胞,所以人类可以通过红绿蓝三种颜色来还原所有光的颜色。如图4所示。


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图4. 人眼视网膜上三种颜色的锥状细胞


人眼锥状细胞理论上可在日常日光下(色温为5500~6500K)识别约1000万种以上的颜色。

 

图5为CIE1931色彩空间,马蹄形色彩区域为人眼在自然界中能看到的所有颜色。越接近边缘的颜色人眼感受的颜色饱和度越高,越接近中间区域颜色复合性越高。

 

更多的颜色和更高的饱和度可增加人眼感知的颜色信息量,并增加画面的明亮感,如图6所示。


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图5. CIE1931色彩空间

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图6. 更多的颜色更高饱和度的表现对比

四、人眼对比度感知

 

对比度在人眼中的感知就是明暗物体刺激锥状细胞或杆状细胞量的差值,在虹膜的帮助下,人眼亮度感受范围大致为10-3~106cd/m2,根据对人眼的明暗刺激的不同,可将对比度简单分为四种。

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图7. 人眼亮度范围

 

(1)两个发光物体相邻出现在眼中,这两个物体的差异对于人眼感知的刺激会产生差异,这种对比度也称为“同时对比度”(Simultaneous Contrast)。


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图8. 同时对比度


(2)当人眼在观察物体背景和物体本身时,人眼所能感受到的二者之间的亮度差异,也会影响到人类对物体本身的感知。这种对比度称之为“韦伯对比度(或感觉阈值)”(Weber Contrast/Sensory Threshold)。

特殊

Ib=物体背景亮度,I=物体亮度,Cw=韦伯对比度

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图9. 韦伯对比度


(3)相邻两个物体的亮度差异会对人眼分辨力产生影响,明暗差异越大,人类看得越清楚,这种对比度也称之为 “迈克尔逊对比度”(Michelson Contrast)。

特2

Imax=亮物体,Imin=暗物体,Cm=迈克尔逊对比度

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图10. 迈克尔逊对比度


·     由于虹膜的调节作用,人类可以感受到不同物体的亮度,从而让人眼感觉到不同场景的亮度变化和差异。

·      同时对比度和韦伯对比度均可增加人眼感知物体的层次细节,使图像更加清晰醒目,使色彩更加鲜明艳丽;反之,则会让整个画面看起来灰蒙蒙的。

·      迈克尔逊对比度则会与人眼分辨力共同作用,影响到人类能看到或者分辨的最小物体,这对于画面细节与清晰度的提升起到关键性作用。

 

五、小结

亮度感知、分辨力、颜色感知、对比度感知都是人眼非常重要的特性,相应地,画面内容和放映系统的亮度、分辨率、色度、对比度、动态范围等参数决定了观影者的观影体验。


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随着激光放映、高新技术格式放映在电影行业的应用,影院观众已能享受到更高品质的视觉体验。而新技术的应用和对放映质量的重视,是影院在竞争中脱颖而出的重要抓手。



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