光转向投影系统和用于HDR显示设备的属性

光转向投影系统和用于HDR显示设备的属性
中国电影科学技术研究所张雪方捷新.211.,
编译①
中影巴可（北京）电子有限公司陈凡
【摘要】本文首先总结了光转向放映机在影院应用的最新进展，然后根据新放映机和现有显示特征提出增加两项简单的显示属性：最大平均亮度和峰值（彩色）原色亮度，以便更好地 预测H D R显示器的内容可再现性。

为检验新属性的应用效果，将新属性在商用H D R电视系 统上进行了专业内容测试，发现新属性可以更好地預测某一像素值是否在显示能力范围内。

【关键词】光转向投影系统高动态范围最大平均亮度（M AL)峰值原色亮度(PPL)
在图像放映和显示过程中，高动态范围（High Dynam icR ange,HD R)和广色域（W ideColour G am ut，WCG)像素呈现显著增加了可指定的光量和色值。

H D R图像可以呈现各类可感知阴影和高光细节，而W C G技术增加了可以呈现的可见色量。

这些新的标准像素呈现远远超出了传统显示技术的能力，因此，人们引人了光转向放映机、双调幅(DAM)或自发光器件（如D IE D)等H D R显示 装置。

虽然峰值亮度级依赖于（亮）图像要素的大小这一概念对于数字影院领域还较为新颖，但是具有相同特征的显示技术（如D IE D、IE D、L C D和等 离子电视）却早已进人家庭影视领域，直视I E D电视墙在赛事、广告和建筑市场也较为普遍。

1光转向投影技术
随着家用显示技术的快速发展，影院需要在呈现图像质量方面保持竞争优势。

虽然高帧率和高空间分辨率是当今放映机的共同特征，但即使是最先进的放映机也要依赖光衰减作为成像模型，即在像 素基础上对光进行过滤，以降低全屏白场（Full ScreenW hite，FSW)发出光的亮度。

图形统计数据表明，H D R内容在受控收视环境下可以达到低平均图像强度。

此前关于H D R的研究工作大多将高对比度和高峰值亮度作为基本感知属性，强调二者在提高图像真实性方面的重要性，但这种低效的光利用率使得现有的投影技术无法实现有意义的高峰
值亮度级。

近期，行业内引进了一种新型的电影放映机，其依靠光转向技术，如利用相位调制器扭曲人射光的波前，并将光线从暗区转向亮区进而成像。

其中
小要素的峰值亮度可远远超过F S W场亮度；彩色 要素的亮度与白色要素的形成方式相同，彩色图像
细节可在高亮度下重现，从而得到比以前更广的色域范围。

此外，因光转向放映机对光源功率的消耗降低，提供了额外的经济和环境优势。

图1为利用LC oS显示技术调制器的光转向系统基本结构示例，在该光转向系统中，准直扩束激光束发出的光经折射镜到唯相位调制器（Phase—O nlyLC oSSLM)折射出去，逐像素相位推延，到
偏光束分离器（PolarizingB eam Splitter)会产生转向效果，同时可利用图像暗区发出的光创建高亮度要素，降低黑电平。

最大峰值亮度主要取决于图像的平均（光）功率，而不是F S W亮度。

现代显示设备中同样体现了峰值亮度与平均功率之间的关系，
这种设备只在需要的部位产生光，以增加高于全屏 白场亮度的亮区要素。

图
i
光转向放映机结构系统示意图（仅单色通道）
2.HDR 显示设备的显示属性
显示属性是显示设备的能力特征。

传统属性包 括对比度、峰值亮度（P
U
、黑电平和色域覆盖率。

这些属性虽然重要，但不足以描述光转向投影系统 的特征。

光转向放映机和O
IE D 电视等现代显示设备可
为有限的像素数实现更高的峰值亮度值，该像素数 取决于可在像平面上分布的最大可用光分配，而光 线分配直接与最大有效功率有关。

对于光转向投影 系统，应准确确定光线分配要素，以便配色师充分 利用放映机的全部显示能力。

对于电视系统，分布 式独立分级内容可能会超过很多电视系统的功率分 配，因此需要剪裁。

0.01 0.1 1 10 100 1000
周围亮度，单位：尼特（lo g io 大小）
图
2 H D R 电视各周围亮度值和光斑大小的实测PL (单位：c d /m 2)
图2通过绘制周围图像光线水平变化或白斑大 小变化时商用H D R 电视的相应P L 水平来解释这一 剪裁效果（“LXX ”是指光斑所覆盖图像的百分
比）。

当光斑变大或周围亮度提高时，
P L 覆盖率向 全屏白场亮度逐渐接近。

图2说明，单凭P L 属性 不能预测H D R 显示系统的显示能力。

传统显示设备具有的传统属性不能精确描述现 代
H D R 技术的扩展功能。

为了使当今内容生产流
程中各类设备具有一致的色彩再现能力，描述现代 放映机和显示属性的模型需要与H D R 标准和可用 元数据一起更新。

无论是在影院还是家庭中，精确
的显示描述都有利于预测哪些像素值可以再现，以 及在哪些情况下应该进行色调或色域映射的进一步 处理，以最大化H D R 内容的视觉质量。

为了更好地描述功率分配的特征，本文提出最 大平均光线（M AL )属性，该属性是指可在所有像 素中分配的光功率数值。

虽然这一属性是受光转向
投影系统直接启发而提出的，但是
H D R 商用电视
可从该属性中大大受益。

事实上，可以从图2绘制 的数据中，利用
L 100曲线（白色光斑覆盖100%图
像大小）或者通过计算白色光斑及其周围产生光线 的平均值来推算M A L 。

MAL = A …*P L …+ (i —A …)*L s ⑴
其中A …表示白色光斑的归一化面积，PL …和 L s 分别表示光斑及其周围区域的测量亮度。

表1 P L 和MAL 属性（单位：cd /m 2)
光斑
O L ED 电视光转向放映机
尺寸
PL MAL PL MAL L 257821291796113L 5045 6120453114L 75
224
118
227
128
表1给出了在光转向投影原型和商用H D R 电
视上测得的不同光斑大小的P
L 与M A L 之间的关
系。

对于小光斑和类似M A L ，光转向放映机可以 达到较高的P L 值。

除了功率分配，显示设备的原色发光效率还会 影响饱和色彩的峰值亮度，要达到相同的亮度值，
o
o
o
o
o o o o 8
6 4 2s U U I A o l o u s c E n l
>l e o d
50
100
150
200
250
灰色代码值
图
3
每个颜色通道的实测最高亮度和预期最高亮度
因此，本文提出了峰值原色亮度（PPL )属性，
与仅启用单一原色时达到的峰值亮度相对应。

图3 为商用H D R 电视每个原色的期望峰值亮度和实测 峰值亮度。

期望亮度对应基于显示设备原色发光效
蓝色发光器比绿色发光器需要更大的功率。

换句话 说，即使是在满功率条件下，饱和色彩所能达到的 峰值亮度值也不相同。

这一限制条件适用于任何显 示技术，因为它与不同波长下人类视觉系统的光视 效能有关。

对于饱和色彩，光转向技术比其他HDR 显示技术所能达到的亮度级高得多，从而避免了这 一限制。

虽然光转向技术的亮度级高得多，但是仍 需定义和理解这些亮度级，以便色彩设计师有效利 用这一扩展色域。

率的每个原色对白场通道的影响（P 3原色）。

红色 和绿色的期望峰值亮度与实测峰值亮度之间的差值 约为67%，蓝色的期望峰值亮度与实测峰值亮度之 间的差值约为57%。

该差值意味着预期在显示设备 能力内的高饱和色彩将被剪裁成较低亮度值以维持 饱和，或者减少饱和度以保留亮度值。

图4说明了 饱和与P P L 之间的这种平衡关系，其中一种原色始 终完全启用，另外两种原色同时增加。

表2给出了 光转向放映原型机和商用H
D R 电视的P P L 属性。

与P L 类似，光转向原型机也可以达到较高的PPL
值。

表2
光转向放映机和
商用HDR 电视的PPL (单位：cd /m 2)
O L ED 电视
光转向放映机
原色PPL 实测值
PPL
预期值
PPL
实测值
PPL
预期值
红色119. 7178.8527471绿色3 65. 3540. 210丄61217蓝色
35. 6
61. 9
78.5
106
3.使用属性预测剪裁
新提出的属性旨在更好地预测显示系统的完整 性能。

对于影院应用，显示特性是预测高端投影系 统（例如光转向放映机）的分级考量是否可以直接 用于较低性能投影系统的重要指标，如果不能，应 另行对低端投影系统进行分级。

了解投影系统的全 部性能也能够让色彩设计师更加充分地利用投影系 统的全部潜能。

对于电视应用，可以利用显示特征 预测将被剪裁的像素。

由于电视类型多样，针对各 显示性能重新分级考量很不现实，因此检测剪裁像 素可有助于指导剪裁过程，达到最佳主观质量。

虽 然提出的属性是专为光转向投影系统设计的，但同 时也适用于大多数H D R 显示技术。

为验证这一观 点，专业技术人员利用传统属性和新提出的属性比
较了商用
H D R 电视上显示的两帧H D R 的裁剪预
测。

该两帧均针对H D R 电视，在性能高于测试显
示设备的参考显示设备上进行了分级。

第一帧达到的峰值亮度稍高于显示设备的性能 (782 cd/m 2)，但是平均亮度级远远高于MAL (见
l u 10101010'10'
(u l c o
u i o p 6〇| U |
s l u )>
3o U B U !u i n
_l p 9J n (n c o (D 2
0.2
0.4 0.6 0.8 1
Saturation of blue pixels
图
6亮度为35. 6c d /m 2以上的蓝色像素的饱和度和亮度值
图
7
《少年派》的剪裁像素预测：映射色调（左）、仅使用
P L 预测的剪裁像素（中）和使用P I L 预测的剪裁像素（右）
4结论
光转向技术为电影放映带来更高的亮度性能。

然而，如果不能准确描述这些亮度和颜色的特征， 色彩设计师将无法充分利用这些新性能。

为此，本 文提出两个新属性，以便更好地描述光转向性能的 特征。

最大平均亮度（M A L )描述了界定当前大多 数H D R 显示技术的功率分配，峰值原色亮度
(P P L )更准确地描述了色彩饱和值能够达到的亮度
级。

这两种属性虽然简单，但可以更好地表示HDR 显示技术中使用的成像模型，从而提供更好的显示 设备特征描述。

对于电视应用，这种特征描述有助
备和技术具有依赖性，而且我们认为该模型的通用 性不足以纳人本论文范围。

最后，图7所示为使用 两种预测方法得到的受影响像素的比例差。

表4
《少年派》一帧的统计数据、剪栽像素预测
和蓝色的期望和实测PPL
版本最局亮度
平均亮度级
剪裁比例
原版224.0220. 650%期望蓝色PPL 81. 0217. 4511 25%实测蓝色PPL
81. 02
12. 18
20%
表3中的“原版”一行）。

因为传统属性可以检测到 高于峰值亮度的亮度值，所以测试人员将亮度剪裁 成782 cd /m 2 (见表3中的“仅剪裁P L ” 一行） 然后使用M A L 属性模拟像素剪裁（见表3中的 “剪裁P L +M A L ” 一行）。

模拟中，假设对图片平 均亮度级影响最大的像素将逐渐减少直至达到
M A L 。

结果表明，仅使用P L 预测得到的剪裁像素
比例（0.31%)远远低于使用P L 和M A L 二者预测 得到的剪裁像素比例（26. 3%)。

显示设备可以有不 同的专有解决方案，用以处理光的功率分布。

图5 为使用两种预测方法得到的受影响像素的比例差， 与仅将高亮标示为剪裁的传统方法相反，新提出的 属性可以识别受剪裁影响的大多数区域。

表
3
《死侍》一帧的统计数据和
根据显示属性确定的预计剪栽像素
版本最局亮度
平均亮度级
剪裁比例
原版822.48180.370%仅剪裁PL 782180.360. 31%剪裁P L +M A L
345.16
141
26. 3%
图
5《死侍》的剪裁像素预测：映射色调（左）、仅使用PL
预测的剪裁像素（中）、使用P L 和M A L 预测的剪裁像素（右）
第二测试帧的统计数据低于显示设备
P L 和
MAL (表4
中的“原版”一行）。

然而，大量饱和
蓝色像素的亮度值高于蓝色的假设和实测峰值原色 亮度。

图6为根据亮度值在35. 6 cd /m 2 (显示设备 的实测蓝色峰值亮度）以上的所有蓝色像素的饱和 度绘制的亮度值分布。

大量高度饱和像素高于该亮 度阈值。

图4表明，饱和度值达到0. 8以上后，最 高亮度基本没有变化。

假设显示设备可以达到期望 蓝色峰值亮度，预期仅有11.25%的总像素会被剪 裁。

然而，如以实测蓝色峰值亮度值为准，这一比 例会上升到20%。

注意，这一预测方法非常保守， 而且更多的剪裁像素是使用假设各饱和度值达到峰 值亮度的模型 预 测 得 到的 。

然 而， 该模 型 对显 示设
于预测需剪裁哪些像素值，因此，可以在商用电视中嵌人这种专有技术，从而提高剪裁像素的主观质量。

同时，经过专业H D R内容以及在商用H D R电视上的测量，论证了所提出两个属性的主要有效性，ACES输出设备转换（ODT)类标准可从所提出的两种属性中大获裨益。

注释
①本文正文译自G erw inD am berg、Ronan Boitard、Anders Ball- estad、W olfgangH eidrich 在2017年8月发表于《S I D Syniposiuni D ig esto fT ech n icalP ap ers》的文章《L ig h tS teerin g P r(jectio n S y s- tem s and A ttributes for HDR Displays》，并根据文章结构及阅读习惯进行了内容修改、整理。

参考文献
[丄]R. Boitard，M. T. Pourazad，P. Nasiopoulos，and J. Slevinsky，“Demystifying high — dynamic — range technology s A new evolution in digital m edia，’’ I EEE Consum er Electronics M agazine，vol. 4，no. 4，pp. 72—86，Oct 2015.
[2] H. Seetzen，W. H eidrich，W. Stuerzlinger，G. W ard，L.A. W hitehead，M. T rentacoste，A. G hosh，and A. Vorozcovs，“ High dynamic range display system s，” ACM Transactions onG raph- ics，v l23，no. 3，pp. 760，Aug. 2004.
[3] B. G effroy，P. le R o y，C. P ra t，“Organic light —em itting diode ((le d)technology s M aterials，devices and display technolo­
g ies.” Polym er International，vo.. 55，no. 6，pp. 572—582，2006.
[4] G. D am berg，J. G regson，and W. H eidrich，，4High bright­ness HDR projection using dynamic freeform lensing.” ACM Transac­tions onG-raphics (T O G)，vo.. 35，no. 3，pp. 24，2016.
[5] P. H an h art，P. K orshunov，T. Ebrahim i，Y. T hom as，and H. Hoffmann. Subjective Quality Evaluation of High Dynamic Range Video and Display for Future TV. SM PTE Motion imaging Journal，v(l, 124，no. 4，pp. 1—6，2015.
[6] E. R einhard，W. H eidrich，P. Debevec，S. P attanaik，G. W ard，and K. M yszkowski，High Dynamic Range Im aging，2nd Edi­tion s Acquisition，Display，and Im age— Based Lighting，Morgan K a u fm a n n Publishers Inc. San Francisco, C A，U S A，2010.
[7] Society of Motion Picture &Television Engineers，RP —431—2s D—Cinema Quality Reference Projector and Environm ent，v l10607，the Society of Motion Picture and Television Engineers，A p.. 2011.
(上接第53页）原本是“闪烁、忽闪”的意思，因早期电影放映机存在较为明显的闪烁现象，所以得了个诨名“flicker”（忽闪）。

第二个“flicker”的意思应该很明确，就是“闪烁”的意思。

该书的中文译本将其译作“闪亮”，
意思是对的，不过，注意到原文采用了一词叠用的
方式，自有其语言上的特殊韵味，翻译的时候也不
妨采取一词叠用的方式，将这个动词译作“忽闪”
(仍作动词使用）更好。

最后看“life”。

实际上是看“into life”应该怎 样翻译。

如前所说，书的中文译本将其译作“（闪
亮）人生”，可是笔者阅读了该段文章，却看不到有
关人生的论述，觉得原来的翻译跑偏了。

遗憾的是，笔者在词典中也没有查到“into life”现成的解释或译法，不过笔者查到了与其相近的一个短语“ome
to life”。

笔者以为，“into life”的意思应该就是“ome to life”的意思，即“（仿佛活着）开始动起 来”（参看《牛津高阶英汉双语词典》中的“life”词条中的“come to life”款）。

综上所述，笔者建议将“The‘flickers，flicker into life”译作：
“忽闪”一忽闪，画面动起来
这里的第一个“忽闪”是加了引号的，显然不仅包含字面的意思，再加上两个“忽闪”的叠用，便设置了悬念。

后面再跟一句“画面动起来”，有助 于引起读者的兴趣。

五、结束语
题前导引语因其精炼，所以在翻译上更需下足功夫。

本文所举的例子，涉及了一些具体名词的考证，的确很繁琐。

然而，翻译工作是没有捷径的，任何细节上的疏忽，都可能导致理解上的偏离，影 响翻译的准确性。

另外，如同一般性的翻译一样，译者中文的水平，对译文的质量有至关重要的影响。

所以，我们不仅要学好英文，更应不断提高我们的中文文字水平，才能使译文真正做到“信达雅”。

♦:♦
参考文献
[]李铭.爱迪生电影视镜的发明与兴衰（上）[].现代电影
技术，2013，（11).
[]李铭.电影发明中的主要技术问题是怎样解决的（下）[] .现代电影技术，2014，（5).。