超高清电视清晰度和细节表现力测量方法探讨

温 娜，阮卫泓，吴蔚华，李 强，谢于迪

（国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015）

超高清晰度电视（Ultra High Definition Television，UHDTV）是比高清晰度电视（High Definiton Television，HDTV）级别更高的数字电视图像显示格式。2012年8月，国际电信联盟（ITU）宣布推出UHDTV国际标准ITURBT.2020[1]。标准中推荐了3 840×2 160（简称4K）和7 680×4 320（简称8K）两种级别的画面有效像素阵列，4K和8K格式画面有效像素数分别为HDTV的4倍和16倍，其宽视野、大动态范围、广色域、高精细图像等优点，为观众提供更加真实的视听觉体验[2]。可见，超高清电视技术是电视技术的一大飞跃。如何科学评价超高清晰度电视的重要特征——超高清晰度是数字电视显示性能检测领域需要研究的问题。

本文首先总结了电视清晰度理论值，然后从人眼的视觉特性出发，分析了超高清电视与HDTV的差异，提出了“细节表现力”的概念，用来评价被测设备显示图像细节的表现能力。然后对超高清电视的清晰度和细节表现力的测量进行了讨论研究。

1 电视清晰度理论值

对于数字显示器显示细节的能力，国际上通行的考核指标是固有分辨力，即屏幕的水平和垂直像素数，并不从人眼实际感受的角度出发进行评价。在中国，则采用清晰度这个参数，结合规定的重显率进行考核。清晰度是人眼能察觉到的电视图像细节的清晰程度，用电视线表示。按图像和视觉特点，清晰度一般从水平和垂直两个方向描述。电视线与垂直方向1个有效扫描行高度相对应。

垂直清晰度理论上限值为1帧图像有效扫描行数，对于4K UHDTV就是2 160行，即2 160电视线，8K UH⁃DTV为4 320行，即4 320电视线；水平清晰度取决于行内有效样点数，但不等于亮度信号1行内有效像素数，因为水平清晰度也用电视线表示，要折算到扫描行，因此，人眼在水平方向分辨图像能力与垂直方向相当，4K和8K电视水平清晰度理论值分别为2 160和4 320电视线。

2 人眼细节分辨极限

式中：λ是光波波长；D是入射光瞳的直径。若人眼瞳孔直径为3 mm，光波平均波长为550 nm。d是人眼与屏幕的距离。那么人眼对图像的最小分辨线距离为

既然中国采用主观评测的方法考察电视清晰度，那么首先要了解人眼细节分辨的特性。人眼存在极限分辨角θ[3]

若测试人员站在距离屏幕d=25 cm明视距离处，则Δl=0.056 mm，即刚好能看到数字图像的像素间距为0.056 mm，如果小于此值则无法分辨。当前业内很多厂家采用PPI来描述屏幕显示的物理分辨力，表示屏幕每英寸具有的像素数量，根据上述计算可以折算出人眼在明视距离25 cm处能观测到的PPI极限为=453 PPI，即当屏幕的PPI超过453，则人眼无法分辨出更细节信息。因此，对于超高清电视显示，如果出现上述PPI超过人眼极限情况，则测量人员无法直接读出清晰度值。

3 中国现行高清电视清晰度测量方法

标准中规定，显示图像的清晰度测量要结合人眼视觉系统特性，采用主观法评价显示设备清晰显示图像的效果，通常采用楔形线图案。在SJ/T 11348—2006《数字电视平板显示器测量方法》标准中规定了显示图像的清晰度测量方法。高清晰度复合测试图中设计有清晰度楔形线（见图1），采用主观法观察电视水平和垂直方向可分辨的明暗交替楔形线条总数[4]。将显示器调整到标准工作状态，将复合测试信号输入显示器，观测显示图像的楔形线簇，记录显示器正确显示楔形线对应的刻度值（电视线）。楔形线簇有10黑9白线，如果出现无法完全显示、楔形线线条对比度下降、明暗条纹的反差变小、条纹的边界变模糊、楔形线数发生变化（如由9条变为8条等现象），则认为对应空间频率降低，清晰度下降。由于楔形线的空间频率在长度方向呈线性变化，因此由单一测试图就可以直接读出清晰度数值。

对于超高清4K的清晰度测量，在参考原有清晰度测量方法的基础上，制作3 840×2 160格式的复合测试图（目前中心已开展相关工作），直接对超高清电视进行清晰度测量。

4 细节表现力

清晰度考查的是人眼观看电视图像细节的效果，而比较相同尺寸的超高清电视和高清电视，超高清电视的PPI比高清电视的增加一倍，像素尺寸明显减小。按照人眼细节分辨极限理论，在屏幕高度1.5倍的距离处，人眼可以清晰地分辨每个像素，但在实际应用中，人眼可能无法清晰分辨单个像素，特别是小尺寸超高清电视。为了客观评价超高清电视的图像细节显示能力，与传统的“清晰度”概念明确区分，本文提出一个新的概念“细节表现力”。细节表现力表征的是显示设备显示图像细节的能力，和人眼视觉特性无关，这个参数能够客观评价产品的显示水平。

5 超高清电视清晰度和细节表现力的测量方法

5.1 标准测量距离

用视锐度来描述视觉系统的空间分辨能力，也可以认为它是人眼感受精确细节的能力。眼睛的衍射、偏差和感受神经密度都可以影响视锐度[5]。实验证明大多数人的最小视角为1分视角，故正常眼的分辨力标准定义为1分视角，分视角单位：1 min of arc。简单言之就是只有在两条黑线之间存在一个能辨别的间隔的时候，人眼才能区分这两条黑线。通常采用正弦光栅方法测量视锐度。视角换算示意图见图2。

对于显示系统来说，1分视角刚好能辨别两条黑线的差别，此时所处的位置即最佳观看距离。对于4K电视，其垂直方向的角度满足下列公式

当d=1.5H（H为屏幕有效高度）时，垂直方向2 160电视线中每条线对应的视角为

即1.5H为能够清晰看到电视线的最大距离。此时，刚好1分视角对应1扫描行。由于人眼能够看清物体所处的距离具有一定范围，当肌肉在最紧张时（通过调节），眼睛所能看清的最近的点称为近点，其相应距离称为近点距，不同年龄人群的近点距数值不同，随着年龄增长近点距变大，范围在8.8～100 cm不等[6]。因此，人眼的可视范围是眼前8.8 cm到无限远，理论上站在测量人员近点距至1.5H的距离范围内观看都能看到垂直清晰度2 160线。若观看距离大于1.5H，则以正常视力观众无法区分扫描线结构。若观看距离过近，则会电视画面不够细腻。因此，设定标准测量距离为1.5倍屏幕高度。

5.2 超高清电视清晰度测量方法

将高清晰度复合测量图升级为超高清格式即可进行超高清电视清晰度测量，测量方法与高清晰度电视清晰度测量方法一致。然而，在实际测量过程中有时会出现测量人员无论多近测量距离都无法读出清晰度数据，分析原因，可能由于电视屏幕PPI大于人眼极限分辨能力造成。为解决这一问题，本文试图搜集整理相关清晰度的测试方法，避免由于人眼参与测量而带来的问题。

1）软件判读方法

前面提到的采用主观测量，楔形线簇作为测量图的方法国际上有类似标准采用，比如ISO组织在制定数码相机分辨力测量标准时也采用了楔形线图案。如在ISO12233：2000 Photography-Electronic still-picture cam⁃eras-resolution measurements标准中，提出采用读取楔形线线数的方法确定相机的分辨率（见图3测量图）。而在2003年相机影像器材工业协会标准颁布的《数码相机分辨率的测量方法》[7]中规定了采用ISO12233标准的测量卡（见图4），采用软件计算的方法计算该分辨率，避免了测量人员的主观性影响，再现性好。中国国家标准GB/T 19953—2005《数码照相机分辨率的测量》[8]中也非等效采用了ISO12233：2000标准，标准中提出了几种判读方式：打印机输出、监视器显示、软件判读。该方法对超高清晰度电视清晰度测量具有启发意义。但在测量时，对打印机、监视器等的性能要求会很高。

2）辅助工具测量法

当电视像素间距过小，测量人员主观观看无法区分时，可以采用辅助工作来完成测量。

（1）采用放大镜观看直接读取数值。

（2）采用相机拍照的方法辅助测量。步骤如下：①将清晰度测量卡输入到电视至显示；

②采用高分辨力的相机对电视显示进行拍照，相机的分辨力要满足至少是显示设备分辨力的2倍；

③照片方法回放，采用主观方法读取电视线数。

但是采用这种方法时要注意避免由相机本身带来的伪像影响读数。如几何失真应小于5%，相机进行了gam⁃ma矫正等。

5.3 细节表现力测量方法

下面探讨细节表现力的测量方法。为避免人眼参与测量带来的影响，考察被测设备本身细节表现力，可采用仪器测量方法避免测量的主观性。在IDMS 1.03标准的7.8节中提出了基于对比调制门限的测量方法[9]。测量图为全屏的黑白交替显示图，黑线和白线的宽度为n个像素宽度。下面采用该标准提出的测量方法来测量细节表现力。

定义对比调制Cm为

式中：Lw是白线的亮度；Lb是黑线的亮度。令对比调制的最小值，即对比调制门限为CT，那么分辨率为

此处，nr是与对比调制Cm有关的参量，定义它是当对比调制Cm等于CT时，像素条纹线的宽度，当nr=1时，细节表现力等于物理像素行数，对于4K电视，就是2 160。

用Cm（n）表示采用n×n个像素宽度的条纹测量图对应的对比调制。

如果Cm（1）＞CT，那么nr=1，细节表现力等于寻址的像素数；

如果Cm（1）≤CT，那么对于Cm（n）＜CT＜Cm（n+1），用内插的方法计算nr式中：n表示条纹像素宽度，例如n=2时表示线宽为2个像素宽度。

例如当n=1时，CT=25%，Cm（1）=17%，当n=2时，Cm（2）=68% ，带入式（7）得到

带入式（6）得到

由式（5）可知，当n变大，显示的黑白线对比度加大，Cm变大，并逐渐无限趋近于1；

随着n变大，Cm变大，带入式（7）可得到nr无限趋近于一个固定的常数。实际测量分别将n=1，2，…，测试图输入被测样机，可以设置一定门限值，确定测量中n的最大值。

5.4 讨论

1）用高清晰度复合测量图测量得到的是清晰度参数，表征的是人眼观察显示器屏幕上图像清晰、细腻的程度，考察了人眼观看显示细节的效果。

2）辅助工具测量法测量得到的是清晰度参数，是在人眼无法直接读取电视线的情况下借助辅助工具进行主观测量，该方法弥补了人眼视觉的局限，只要辅助工具放大倍数足够就可以正确给出被测电视的清晰度水平。

3）细节表现力测量方法提到的仪器测量法属于客观测量方法，该方法避免了主观测量方法中人眼极限视觉分辨力的局限。目前采取对比调制门限为25%时，交替的黑白线可区分时的测量结果，该门限值下与采用中国超高清电视清晰度测量方法实际主观观看读取的电视线是否一致需要进一步实验验证。另外，该测量要求测量仪器能够测量到像素亮度，对亮度计的测量精度要求较高。

6 小结

超高清晰度电视的清晰度和细节表现力测量是超高清电视质量评价的重要内容。采用客观测量方法能够避免人为因素给测量结果带来的不利影响。本文就几种测量方法进行了分析总结，希望能起到抛砖引玉的作用。

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[1]Recommendation ITU-R BT.2020，Parameter values for ultra-high definition television systems for production and international pro⁃gramme exchange[EB/OL]．[2014-02-02].http://wenku.baidu.com/link?url=au4vq8cX1WOu90Aiho-68kCGj0iAPTTXfSPV4_W8qJhQDAziWJ1X-Gcfx5vJuhU9pqYfZmS4WoODVKeUbF296YB64v8FNqwQ xPS4zjNc_Ui.

[2]李桂苓，李彦，徐岩.超高清晰度电视[C]//立体电视与超高清晰度电视标准文集.北京：国家广播电视产品质量监督检验中心，2012:162-168.

[3]何凯，晏磊，赵红颖.基于人眼视觉分辨力的数字影像质量评价方法研究[J]．北京邮电大学学报，2005，28（10）：127-131.

[4]国家广播电视产品质量监督检验中心.数字电视原理与检测技术[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[5]滤波图原理与设计[EB/OL]．[2014-02-02].http：//wenku.baidu.com/link?url=uXqCmM5iFa21x3GtyXDirhHXIWfGNuoBJpabLxjjGAdnQp⁃wCG6deNkHmSfGlEHF7hhEQ0VHcRvlQKgIZceqIcwcVxJM-CvU6ur⁃wThctTquu.

[6]不同年龄正常眼的近点距[EB/OL]．[2014-02-02].http：//wenku.baidu.com/link?url=GEdOCrRk1KcIOvLdiVES8GhfbVOjnnIJkYbpLQ yiSpm9BtxKjfLyV4-NXXPi8DREIfS5HAb4f6XBSEUGg3D6LprFiI-zr b2C9kYyHifuOmW.

[7]相机影像器材工业协会.数码相机分辨率的测量方法[S].2003.

[8]GB/T 19953—2005，数码照相机分辨率的测量[S].2005.

[9]Information display measurements standard version 1.03[S].2012.