摘要：近年來，隨著步入后疫情時代，旅行的限制使得到達(dá)實景地進(jìn)行影視拍攝變得越來越困難，而使用LED顯示配合虛擬引擎技術(shù)的虛擬拍攝技術(shù)因其“所見即所得”的優(yōu)勢正受到影視制作行業(yè)的青睞。本文基于使用LED顯示拍攝的幾部電影及劇集，對比了使用LED顯示屏與綠幕進(jìn)行虛擬拍攝的優(yōu)缺點，對LED虛擬攝影棚的種類和對應(yīng)的產(chǎn)品做了介紹，并且針對LED顯示屏在虛擬拍攝中的各種痛點，詳細(xì)的探討了關(guān)鍵技術(shù)。

　　1 引言

　　近一兩年來，使用LED顯示屏進(jìn)行虛擬拍攝制作從美國、歐洲、韓國等地發(fā)起，已經(jīng)逐漸成為一種流行的新型拍攝技術(shù)。

　　虛擬拍攝的歷史起源于上世紀(jì)90年代的電視轉(zhuǎn)播，在虛擬演播室內(nèi)，主持人站在綠幕前完成節(jié)目的拍攝，其余的后期制作均由計算機輔助完成。隨后，一些電影開始使用藍(lán)綠背景進(jìn)行虛擬拍攝。而2019年則開始了使用LED顯示屏進(jìn)行虛擬拍攝的新時代，2020年，電影《新蝙蝠俠》也使用LED顯示屏進(jìn)行虛擬拍攝。

　　相較于傳統(tǒng)的綠幕摳圖的方式，由于LED顯示屏能提供真實光影效果與細(xì)膩色彩表現(xiàn)，獲得如同真實場景般的環(huán)境光及反射折射效果，可以快速切換場景，節(jié)省轉(zhuǎn)場時間，導(dǎo)演所見即所得，演員可感知環(huán)境的變化，減少了后期制作的時間以及搭建場景的工期，降低了總的拍攝成本，因此使用LED顯示屏進(jìn)行虛擬拍攝的市場逐步成熟，有非常大的前景。

　　后疫情時代的到來極大的促進(jìn)了虛擬拍攝的流行，新冠大流行使電影和劇集的實地實景拍攝變得困難重重，而虛擬制作使得所有拍攝工作都可以在安全的攝影棚內(nèi)完成，工作人員也無需經(jīng)歷長途旅行的風(fēng)險。同時各類流媒體平臺也大大增加了各類網(wǎng)劇的需求量，渲染引擎技術(shù)的發(fā)展也極大提升了虛擬制片的效率并降低了總制片成本。

　　虛擬拍攝的整個系統(tǒng)方案包含LED顯示屏及控制系統(tǒng)、渲染服務(wù)器、攝像系統(tǒng)、攝像機追蹤系統(tǒng)、動捕系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)等。其中LED顯示屏作為成本最高的系統(tǒng)之一其選型和技術(shù)參數(shù)就顯得尤為重要。本文基于我司通過提供LED顯示系統(tǒng)解決方案參與的幾部影片及劇集的拍攝，對比了使用LED顯示屏與綠幕進(jìn)行虛擬拍攝的優(yōu)缺點，對LED虛擬攝影棚的種類和對應(yīng)的產(chǎn)品做了介紹，并且詳細(xì)的探討了針對LED顯示屏在虛擬拍攝中的各種痛點如何做好關(guān)鍵技術(shù)選型。

　　2 使用綠幕與LED顯示屏進(jìn)行虛擬制作的對比

　　2.1使用綠幕進(jìn)行虛擬制作

　　優(yōu)點：

　　綠幕的主要優(yōu)點是前期成本低，在拍攝初期不需要大額的資金與設(shè)備的投入。

　　缺點：

　　虛擬場景缺乏真實感：在綠幕背景里拍攝，拍攝完成后將角色的背景摳除，再將無背景的視頻放入虛擬場景中，這樣的方式會讓大面積的虛擬背景看起來不真實。

　　邊緣畸變：摳像會造成的人或物體的邊緣褶皺，在后期制作時需要專門進(jìn)行處理。

　　反光問題：當(dāng)角色穿著高反光的服裝時，盔甲上綠幕的反光會為后期制作帶來昂貴的制作成本。拍攝高光反射物體時會出現(xiàn)的溢色問題，需要在后期制作過程中增加反射及顏色校正的工作。

　　后期制作成本：使用綠幕進(jìn)行虛擬拍攝的后期制作時間較長，降低了影片制作的效率，例如通過綠幕拍攝一部120分鐘時長的影片，后期制作大約需要1年左右的時間。

　　2.2使用LED顯示屏進(jìn)行虛擬制作

　　優(yōu)點：

　　1)所見即所得，提升影片拍攝質(zhì)量：通過LED顯示屏實現(xiàn)拍攝現(xiàn)場的沉浸式體驗，使得導(dǎo)演與演員所見即所得，從而提升影片質(zhì)量;演員可以直接感受到拍攝現(xiàn)場的各種環(huán)境，以及光影的變化，使得表演更加真實，有利于演員的表演發(fā)揮;導(dǎo)演和主創(chuàng)團隊也可以直觀看到拍攝環(huán)境，實時合成預(yù)覽，根據(jù)劇本實時修改場景效果，溝通效率大幅提高，達(dá)到一個后期前置的目的。

　　2)節(jié)省拍攝的時間和成本：通過LED顯示屏可以實現(xiàn)虛擬場景的快速切換，不受時空限制，實時修改調(diào)整場景的內(nèi)容，大幅度提高換景改景的效率，節(jié)省轉(zhuǎn)場對時間和精力的消耗，極大的縮短現(xiàn)場拍攝的周期;在攝影棚里完成大場面的拍攝，不必搭建實物的場景，極大的降低了制作和搭建實景的成本，減少了物料的浪費，同時也減少了對環(huán)境的污染。

　　3)縮短后期制作的周期：通過LED顯示屏進(jìn)行虛擬拍攝縮短了后期剪輯工作量和時間，有效的解決了傳統(tǒng)綠幕拍攝周期長的痛點，加速了電影制作的效率，提高了大片上映的節(jié)奏，降低了總體制作成本。

　　4)真實的光影效果：LED顯示屏可提供真實的光影效果，和細(xì)膩的色彩表現(xiàn)，讓拍攝畫面更加完美。能夠呈現(xiàn)準(zhǔn)確的光源，獲得如同真實場景般的環(huán)境光及反射折射效果，實時展示場景所帶來的高光及反射，反射體的反射效果更加真實，完美模擬真實場景。同時也解決了傳統(tǒng)摳像中半透明玻璃等環(huán)境所帶來的棘手問題。

　　缺點：

　　顯而易見的的缺點是在拍攝初期需要通過購買或者租賃的方式獲得一塊LED顯示屏，投入成本較高，其次是LED顯示屏在虛擬拍攝中仍存在著一些痛點：

　　拍攝摩爾紋，尤其是鏡頭聚焦在屏表面時;

　　水平和垂直方向在大角度時會有色坐標(biāo)的偏差;

　　屏體表面溫度高，影響演員的表演，也因溫度變化造成色坐標(biāo)的偏移;

　　低亮低灰偏色，花屏，細(xì)節(jié)有損失;灰階不連續(xù)，有斷層;

　　屏體表面反光造成穿幫;

　　刷新率低，拍攝時易產(chǎn)生掃描線或暗條紋;

　　作為打光屏使用時因為光譜不連續(xù)造成顯色性不足;

　　LED箱體或模組間拼接的縫隙，以及由拼縫引起的亮暗線。

　　正是因為LED顯示屏用于虛擬拍攝時存在著這些痛點，所以針對不同的需求和不同的應(yīng)用場景，需要對LED顯示屏的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行深入研究。

　　3虛擬攝影棚的分類及其對應(yīng)的LED顯示產(chǎn)品

　　3.1 虛擬攝影棚的分類

　　通?？砂磾z影棚的面積，或者所需要LED顯示屏的尺寸大小分為大型/中型/小型三大類：

　　1)小型攝影棚

　　影棚面積在100m²以下，層高在3m-7m左右;此規(guī)模的影棚適合于直播帶貨、婚紗拍攝、小型節(jié)目活動、虛擬演播室等;應(yīng)用的LED顯示屏通常有立面屏和地磚屏，但沒有天幕屏;這種規(guī)模的影棚里L(fēng)ED顯示屏的尺寸需求為100m²左右，例如立屏65m²，地磚屏35m²。

　　2) 中型攝影棚

　　影棚面積在100-1000m²區(qū)間，500m²左右居多，層高在10-15m左右;此規(guī)模的影棚適合于電影及電視劇的拍攝、廣告及TVC拍攝、綜藝節(jié)目、新品發(fā)布會等;采用的LED顯示屏通常有立面屏、天幕(打光)屏等，但沒有地磚屏，地面通常會布置實景;這種規(guī)模的影棚里L(fēng)ED顯示屏的尺寸需求為500m²左右，例如立面屏300m²，天幕屏200m²。

　　3)大型攝影棚

　　影棚面積在1000m²以上，層高在15m以上;此規(guī)模的影棚主要適用于電影及電視劇的拍攝等;采用的LED顯示屏通常有立面屏、天幕(打光)屏等，但沒有地磚屏，地面通常會布置實景;這種規(guī)模的影棚里L(fēng)ED顯示屏的尺寸需求在1000m²以上，例如立面屏600m²，天幕屏400m²。

　　3.2對應(yīng)的LED顯示產(chǎn)品構(gòu)成

　　1)立面屏

　　立面屏像素點間距P1.5-P3;亮度最低1000nit，通常會達(dá)到1200-1500nit，峰值亮度可達(dá)2000nit;刷新率至少3840Hz，通常會達(dá)到7680Hz;模組支持前后維護(hù);支持內(nèi)、外弧拼接，通常相鄰箱體最大角度可達(dá)5-10度;8000:1 超高對比度;視角極大，超廣視角觀看及拍攝無明顯偏色;高魯棒性，考慮到影棚內(nèi)可改變屏體結(jié)構(gòu)匹配不同的場景;具備一定程度的防潮防塵的防護(hù)性，適合現(xiàn)場的煙霧等實際場景需要。

　　2)天幕屏

　　天幕屏通常用于打光，或者給用于拍攝的鏡面物體反射使用;像素點間距P3-P6，亮度高，最低2000nit，如果用于打光的天幕屏亮度可到6000nit;色溫可調(diào)范圍大，甚至可以做到2800-13000K的無極色溫可調(diào);通常用鎂鋁合金，重量輕，平均重量小于20kg/m²;單個箱體尺寸大，拼裝快捷，箱體間有拼裝快鎖，有匹配吊架的安裝結(jié)構(gòu);模組可更換、前后維護(hù);刷新率要求不高，通常達(dá)到3840Hz即可，對比度在5000：1左右。

　　3)地磚屏

　　像素點間距P2-P5;通常采用壓鑄鋁框架，CNC加工完成，精度高，可實現(xiàn)箱體間無縫拼接;面罩采用進(jìn)口高透耐磨PC材料，防刮防磨顏色均勻無色差，防滑級別>=R9;點對面承受柱，承受重量高達(dá) 2000KG/平方米;框架內(nèi)設(shè)導(dǎo)水槽，可達(dá)前后IP65的防水設(shè)計;另外在某些應(yīng)用場合可以人屏互動、多點觸控。

　　4 LED顯示在虛擬制作中的關(guān)鍵技術(shù)

　　4.1點間距

　　點間距對LED顯示屏的成本起決定性作用，但同時點間距對摩爾紋的影響也非常重要，點間距越小則在相同相機和鏡頭調(diào)節(jié)下產(chǎn)生的摩爾紋越小;但在實際拍攝應(yīng)用中，為了消除摩爾紋，拍攝時攝像機都不會聚焦在屏表面，虛焦情況下點間距已經(jīng)不重要了，所以目前對于立面屏行業(yè)普遍能接受P2.6及以上，小部分需要實焦拍攝的才會選用P2以下點間距的產(chǎn)品。

　　封裝方式

　　不同的封裝方式對LED顯示屏的拍攝和使用效果影響較大，SMD(Surface Mounted Devices)在成本上具有優(yōu)勢，而COB(Chip on board)和GOB(Glue on board)在防護(hù)性上有優(yōu)勢，但對于虛擬拍攝，我們更推薦使用IMD(Integrated Matrix Devices)多合一集成式封裝，通常為2x2的形式，即四合一。

　　IMD發(fā)光面積越大，越接近面光源，發(fā)光出口率達(dá)到 80% 以上，優(yōu)化了摩爾紋效果，使得鏡頭、景深和光圈的調(diào)節(jié)的自由度更大;能夠提供近 180゜ 更廣闊的拍攝視角，大視角下亮度變化和色度變化較小;讓小間距的生產(chǎn)工藝變得跟大間距一樣簡單，提高生產(chǎn)效率;產(chǎn)品強壯性及防護(hù)性有效提升，讓安裝維護(hù)更容易，后期拆裝對邊緣燈珠的影響更小;吸光槽提高對比度，溝槽防串光技術(shù)畫面更清晰，表面打散解決墨色一致性問題。

　　灰度級數(shù)和色域范圍

　　灰度級數(shù)是指LED顯示控制系統(tǒng)控制LED驅(qū)動芯片能呈現(xiàn)出的灰度范圍，與視頻源輸入的8/10/12bit并無直接關(guān)系，目前行業(yè)內(nèi)大部分使用的驅(qū)動芯片的顯示位數(shù)為16bit，另外通過時間和空間上抖動的方式可以增加額外的顯示灰度級數(shù)，例如18bit或22bit等，進(jìn)一步增強低亮高灰的表現(xiàn)能力。

　　對于影視行業(yè)的虛擬制作而言，LED顯示屏所表現(xiàn)的色域范圍顯然是越大越好，但基于目前LED發(fā)光芯片的限制BT2020是很難達(dá)到的，DCI-P3的色域范圍是目前較為主流的選擇。同時依托于控制系統(tǒng)的色彩管理能力，是可以在燈珠及目前驅(qū)動電流下可達(dá)的最大色域范圍內(nèi)做精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的，可以精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換為其他不同的色域，例如NTSC/PAL/SRGB/BT709等。

　　掃描數(shù)與刷新率

　　對于需要用攝像機拍攝的LED顯示屏而言，刷新率是非常重要的一項參數(shù)，3840Hz的刷新率已經(jīng)不能滿足虛擬拍攝的應(yīng)用，7680Hz的刷新率逐漸成為主流，較低的刷新率非常容易造成在攝像機拍攝后形成掃描線或亮暗線。根據(jù)10倍刷新理論，通常LED顯示屏的刷新率需要達(dá)到攝像機快門速度的十倍以上，才能不會觀察到掃描線或者暗條紋。

　　在相同的灰度時鐘(或灰度時鐘倍頻系數(shù))下，掃描數(shù)越多刷新率越低。對于專業(yè)的虛擬拍攝場景，例如電影的拍攝，目前行業(yè)內(nèi)基本上都是把掃描數(shù)做到10掃以下的，這主要與鏡頭成像有關(guān)，目的是同一時間內(nèi)點亮的行數(shù)越多越好，尤其是在攝像機上下高速搖動的時候極低掃描數(shù)的LED顯示屏效果優(yōu)勢尤為明顯。

　　講到刷新率就不得不提低灰刷新率，通常我們說的3840Hz或者7680Hz指的是在最大灰度下的刷新率，但當(dāng)LED顯示屏顯示低灰內(nèi)容時，尤其是當(dāng)顯示灰度降到64級以下時，刷新率往往會大幅降低，在1灰度時甚至有可能降低到60Hz，不同品牌型號的驅(qū)動芯片在相同的行掃設(shè)計下低灰刷新率差別會非常大。

　　為了解決攝像機拍攝時產(chǎn)生的暗亮線，控制系統(tǒng)會采用同步鎖相及快門鎖等功能，其目的是使得LED顯示屏在攝像機快門打開的這一段時間內(nèi)每一掃都刷新相同次數(shù)，以避免拍攝到暗黑條紋。

　　4.5延時

　　對于虛擬拍攝而言，整個系統(tǒng)的延時是非常重要的，因為LED顯示屏顯示的渲染內(nèi)容通常是跟隨攝像機位置移動而改變的，極低的系統(tǒng)延時可以使得攝像機與LED顯示畫面幀頻一致，適應(yīng)實時場景變化，保持同步、穩(wěn)定的畫面。目前攝像機姿態(tài)跟蹤回傳大概2-3幀，渲染引擎渲染3幀，控制器2幀，帶RAM乒乓的驅(qū)動芯片1幀，整體的延時在8 – 9 幀左右;對于整個系統(tǒng)而言，系統(tǒng)幀頻的提升，例如從30Hz提升到60Hz可以降低整個系統(tǒng)的延遲;另外對于控制系統(tǒng)，帶載減少一半的情況下可以減少一幀的延遲。

　　4.6多通道虛擬可視化拍攝技術(shù)

　　這并不是一項新的技術(shù)，以前在球場周邊LED屏上我們就有虛擬廣告轉(zhuǎn)播技術(shù)，采用的就是類似的技術(shù)。而在虛擬制作中，利用幀內(nèi)視頻重構(gòu)或者幀率倍乘的技術(shù)，主要有以下兩種應(yīng)用場景：插入綠幕幀，為后期摳像做后期處理留下可能，一旦一次拍攝效果不佳時不需要翻拍，可進(jìn)行后期處理;另外一種應(yīng)用場景就是多機位的透視拍攝，LED屏可以同時顯示對多個不同位置的攝像機的渲染內(nèi)容。

　　4.7系統(tǒng)穩(wěn)定性

　　穩(wěn)定性取決于幾個關(guān)鍵因素，例如控制系統(tǒng)、電源、驅(qū)動IC、及燈珠的穩(wěn)定性，通常會通過備份增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，例如雙控制卡備份，雙電源備份，網(wǎng)絡(luò)鏈路的備份，控制器備份等。對于影視拍攝而言，耐操性也是非常重要的，因為現(xiàn)場往往會搭建實景，產(chǎn)生煙塵、水霧等，對防護(hù)等級會有較高要求，例如IP67，箱體表面還往往會增加防水防塵涂層。

　　4.8 溫度與功耗

　　對于影視拍攝而言，因為演員往往要站在LED屏幕前進(jìn)行表演，那么發(fā)熱量更低、更節(jié)能的LED顯示屏則可以提供更舒適的拍攝環(huán)境，通常會采用共陰驅(qū)動技術(shù)(Common Cathode)，PCB敷銅設(shè)計(Copper Clad)，倒裝LED(Flip Chip)等技術(shù)去降低功耗和發(fā)熱。

　　4.9顯色指數(shù)

　　傳統(tǒng)打光燈亮度高，對色彩的還原效果高，CRI顯色指數(shù)高，但功能單一，只用于照明，不能用于圖像顯示。傳統(tǒng)的LED天幕屏有很好的顯示功能，可作為輔助顯示使用，同時最大亮度可達(dá)5000nits以上，但由于天幕屏的白光是RGB三色合成，合成的白光CRI顯色指數(shù)低于傳統(tǒng)打光燈。我們通過與LED燈珠廠商深度合作，將高顯指的白光顯示與RGB顯示結(jié)合，創(chuàng)新的開發(fā)出使用RGBW關(guān)鍵器件的顯示補光屏，兼顧二者的優(yōu)點，能夠靈活地切換LED顯示和照明補光的功能，顯色指數(shù)CRI可達(dá)90以上。

　　5 總結(jié)

　　總的來說，使用LED顯示進(jìn)行虛擬制作還是一個全新的領(lǐng)域，無論是在技術(shù)參數(shù)的研究還是產(chǎn)品的選型上都需要我們轉(zhuǎn)變思路，原先LED顯示屏是給人眼觀看的，而用于虛擬拍攝的LED顯示屏主要“觀眾”為攝像機，因此摩爾紋、掃描線等原先人眼不容易看到的顯示現(xiàn)象會對拍攝的效果產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，本文從虛擬拍攝這一應(yīng)用場景的痛點出發(fā)，詳細(xì)的探討了此類LED顯示的關(guān)鍵技術(shù)和選型，相信LED顯示行業(yè)在未來會不斷創(chuàng)新，助力影視行業(yè)和虛擬制作的發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

　　趙建軍，陳軍，肖翱. 基于LED背景墻的電影虛擬化制作實踐探索與未來展望[J].現(xiàn)代電影技術(shù),2021(12).

　　黃炳凱，LED 顯示屏之 10 倍刷新理論，2014.

　　作者簡介

　　[1]嚴(yán)振航(1991-)，男，廣東深圳人，理學(xué)碩士，中級工程師，深圳市奧拓電子股份有限公司，主要研究方向: LED顯示控制系統(tǒng)、XR虛擬拍攝，E-mail:yanzh@aoto.com 。

　　[3]王勇(1976-)，男，湖北鄂州人，碩士，高級工程師，深圳市奧拓電子股份有限公司，主要研究方向：顯示控制技術(shù)、軟件工程， E-mail:wangy@aoto.com 。

　　[4]胡緒楨(1989-)，男，胡緒楨，理學(xué)學(xué)士，中級工程師，深圳市奧拓電子股份有限公司，主要研究方向:XR虛擬拍攝技術(shù)、燈光系統(tǒng)工程，E-mail:hxz01@aoto.com

　　通訊作者：

　　[2]王利強(1983-)，男，河南鶴壁人，理學(xué)碩士，中級工程師，深圳市奧拓電子股份有限公司，主要研究方向:視頻及圖像處理、LED顯示屏校正技術(shù)、計算機軟件技術(shù)、系統(tǒng)工程， E-mail:wanglq@aoto.com 。