演播室LED 大屏摩尔纹问题探究

陆 宽

（天津广播电视台，天津 300000）

0 引言

LED 发光二级管技术近年来发展迅速，凭借其亮度高、功耗低、小巧耐用的诸多优点快速、广泛应用于各个领域。LED 电子显示屏优点多多，是微电子、计算机、信息处理等多项先进技术集于一体的综合产品，其特点是色彩饱和度高、动态范围广、显示亮度高、使用寿命长、工作持久稳定。但是LED 显示屏在具备优良显示特性的同时，在数字摄像机拍摄的画面中经常产生摩尔纹，对画面质量产生严重影响[1-2]。本文探讨在数字拍摄领域，LED 大屏产生摩尔纹的原因，并针对摩尔纹产生机制提出消除摩尔纹的指导性解决方案。

1 摩尔纹的形成原理和特性

摩尔纹是在数字拍摄设备感光元件出现的，使画面彩色高频部出现不规则的条纹，并且没有明显的形状规律。这种摩尔纹可能通过亮度也可能通过颜色来展现，如图1、图2 所示。

图1 LED 显示屏摩尔纹

图2 显示屏摩尔纹

摩尔纹是差拍导致的光学干涉的一种表现：两个频率接近的等幅正弦波，叠加合成信号的幅度，按照两个频率之差变化。目前，一般用乘法摩尔纹数学模型，考虑两组频率相近，呈一维正弦分布的信号，在X方向频率分别为f1和f2，则叠加生成的摩尔纹光强度表达式为：

其中，I为初始正弦波叠加之后的差频相，A(x,y)和B(x,y)分别为倾斜因子和调制因子，φ1和φ0分别为两初始条纹的初始相位。

由发光点阵组成的LED 大屏，跟摄像机感光元件上的相素点，虽然都是离散型的无法用正弦波表示，但它们的排列方式都是按照特定的空间频率排列的。空间频率接近的两个视频信号，叠加时部分重合严重，产生视觉上的分块，即摩尔纹现象。而空间频率差异较大的两个视频信号叠加，是不易出现规律的叠加部分的，因此摩尔纹现象反而不甚明显，如图3、图4 所示。

可见，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。两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹。当感光元件像素的空间频率与影像中条纹的空间频率接近时，可能产生一种新的波浪形的干扰图案，传感器的网格状纹理构成了一个这样的图案。

图3 空间频率接近的两个视频信号

图4 空间频率差异较大的两个视频信号

所以，如果CCD 或CMOS 感光元件像素的空间频率，与组成LED 大屏的发光点阵空间频率接近，拍摄画面就会产生可见的摩尔纹。

而拍摄画面中的细条状结构与传感器的感光结构以小角度交叉时，这种交叉效应也会在图像中产生明显的干扰。如果间距为a的一组条纹和间距为b的组条纹，以θ为夹角进行重贴，它们将产生一系列的交点，如果这些交点之间距离较短，人眼无法分辨，连接起来就会形成比较明显的摩尔条纹，如图5 所示。

图5 细条状结构与传感器的感光结构以小角度交叉

沿不同方向将交点连接起来，就可以得到不同方向的摩尔纹宽度为：

其中n为自然数。如果这个宽度达到人眼能识别，拍摄画面也会产生可见的摩尔纹，如图6 所示。

2 数字视频拍摄领域摩尔纹的影响因素分析

根据对摩尔纹原理的深入分析可知，摩尔纹是两个频率相近的视频信号物理叠加，发生波形干涉，从而造成的视错觉。在数字视频领域，由于CCD 或CMOS 感光元件的排列有固定频率，此频率与感光元件分辨率相关，当拍摄对象具有与感光元件相近的频率时，或者当拍摄对象的频率高于感光元件的空间频率，造成感光元件对图像的高频部分失去解析，从而造成感光元件所解析出的图像频率，和感光元件本身的空间频率相似，这样也会产生摩尔纹。由发光点阵组成的LED 大屏，也具有一定的空间频率，与摄像机感光元件空间频率接相似时，拍摄出的大屏画面出现摩尔纹成为常见的现象。

图6 细条状结构与传感器的感光结构以小角度交叉形成摩尔纹

3 消除摩尔纹的解决方案

基于摩尔纹的形成原理，想要消除摩尔纹，可以使镜头分辨率远小于感光元件的空间频率。此时，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。同样，如果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。技术角度上讲，只有使摩尔条纹的宽度小于人眼能够识别的最小宽度，使人眼无法察觉，或者使摩尔条纹的宽度大于观看者的一般活动范围，使观看者无法看到，才能一定程度减弱摩尔条纹的不良影响，给予观众更好的观看体验。

消除摩尔纹的措施主要有如下6 个方面。

（1）通过提高LED 大屏发光点阵空间频率解决。可以选用显示精度高，点阵距离小的高端LED 大屏，避免摄像机感光元件分辨率与大屏点阵空间频率相近的问题。此方案缺点为大屏成本大幅提高。

（2）通过在LED 大屏显示屏幕前加一层光学处理膜，能够在一定程度上减小发光点阵亮区与暗区的亮度差，减弱大屏在摄像机画面信号中的高频功率，这与方法4 中为摄像机加滤镜类似，但却只会降低拍摄画面中大屏部分的分辨率而不会对画面中大屏之外其他部分画面的分辨率有影响，如图7、图8 所示。

图7 光学处理膜降低大屏分辨率

图8 光学处理膜消除摩尔纹

（3）通过提高摄像机感光元件分辨率解决。采用精度更高的感光元件，令其分辨率远远高于镜头分辨率，则能从根本上消除摩尔纹现象，但这个方案会造成摄像机制造成本过高。在摄像机中采用过CCD 偏置技术来提高感光元件分辨率，可以有效抑制摩尔纹的产生，但做不到完全消除，如图9 所示。

（4）通过降低摄像机感光元件分辨率解决。避免与LED 大屏发光点阵空间频率相近，可以在传感器前使用抗混叠滤镜（也称为低通滤镜），滤除影像中高频部分，然而这种滤镜会降低镜头的分辨率，使拍摄画面损失锐度。同样，也可以在摄像机的信号预处理模块内，利用低通滤波电路去掉图像信号中的高频部分。在这个问题上，必须要在摩尔纹以及分辨率之间做出取舍与妥协。

图9 CCD 偏置技术

（5）通过在拍摄过程中利用一些拍摄技巧，尽量减轻成像画面的摩尔纹。多数情况下LED 大屏作为图像背景出现，此时可以调整镜头参数选用亮度滤镜，同时调整加大光圈，从而减小镜头景深效果，使位于画面纵深方向后部的LED 大屏分辨力大幅下降，形成背景虚化效果。此时，LED 大屏发光点阵亮部区域与暗部区域的亮度对比度，低于了摄像机识别范围，从而使整块大屏成为亮度较均匀的整体发光区域，进而消除了摩尔纹效应。当LED 大屏并非作为背景，而是作为画面主体出现，此时就不能以降低大屏画面清晰度为代价消除摩尔纹。根据摩尔纹成因分析，可以通过改变LED 大屏在感光元件成像的空间频率来尝试抑制摩尔纹效应。可以灵活调整拍摄角度、位置、焦点、光圈等参数，综合调整拍摄方式，达到抑制减弱甚至消除摩尔纹的效果。

图10 视频信号做数字化处理

（6）在后期制作环节，进一步对拍摄的视频信号做数字化处理来消除素材画面中的摩尔纹。在非直播节目的制作中，这种方法用于拍摄素材中受摩尔纹影响的低质量画面的补救，如图10 所示。

4 结论

本文针对演播室常用的LED 大屏在拍摄画面中经常出现摩尔纹影响画面质量的问题，从数学原理角度分析了摄像机拍摄画面中摩尔纹产生的原理及特性。针对原理又进一步深入探讨了抑制消除摩尔纹现象的多种可行手段。在预算充足的情况下，可以选用顶级拍摄设备和LED 显示大屏，从根本上消除摩尔纹的影响。在普通预算条件下，也可以通过节目制作人员在操作过程中，根据节目需求和现场灯光照明条件，以画面实用性为标准，灵活调整各项拍摄参数和摄像机位置角度，达到减弱和消除摩尔纹的目的。