所有视频系统的基础是对光的理解。关于光的本质，主要有两种理论。一种理论认为，光由电磁辐射的波峰组成。另一种理论认为，光由被称为“光子”的微小粒子构成。存在两种理论的原因是，光有时表现为波，有时表现为粒子。就大多数视听（AV）应用而言，将光视为电磁波是有帮助的。 电磁辐射有许多不同类型，每种类型都按波长分类。图5-1展示了按波长分类的整个电磁频谱范围。 在电磁频谱的右端是伽马射线，其波长最短，约为10⁻¹²米。在左端是波长很长的电视和无线电信号，波长可达10⁵米。可见光的波长范围在380纳米至750纳米之间（1纳米等于10⁻⁹米）。红光位于可见光谱的最低端，波长在620纳米至750纳米区间；绿光的波长区间是495纳米至570纳米，而蓝光的波长区间为450纳米至495纳米。在光谱最短波长一端的是紫光，其波长区间为380纳米至450纳米。光的测量单位（Units of Light Measure） 光影响着用户视觉体验的方方面面，因此，能够准确测量和量化光的所有特性至关重要。
- 入射光计：测量直接来自光源的光，如灯、投影仪、照明灯具、数字标牌、视频墙或显示器发出的光。
- 反射光计，或点光计：测量从物体反射的光，比如投影屏幕、墙壁、视频会议中的参与者或工作台面反射的光。
光的测量单位因地理区域而异。美国以外的每个国家都使用国际单位制（SI）。你需要能够识别直接光和反射光的美国单位与国际单位。Candela：Candela是发光强度的基本单位。它是一种光源发射的光的量，经过（对规格的一些调整后）恰好与历史上标准的candle的输出相似。这就是为什么它被称为Candela，这个词在拉丁语中是“candle”的意思。Lumen：流明是光通量的单位，即从1 Candela 的光源，通过以该光源为中心、半径为1米的球体表面上1平方米面积所发射出光子数量。流明是衡量投影仪或光源光输出时最常用的单位。然而，不同组织测量流明的方法不同。尽管不再是国际标准方法，但全球范围内引用最广泛的流明测量标准是美国国家标准协会（ANSI）规定的方法。直接光测量（Direct Light Measurement） 使用入射光计，你可以测量发光光源的亮度或照度，视听（AV）行业中，照度测量常用以下两个单位：Lux：Lux 是照度的标准国际单位，用于衡量投射到特定区域的光通量（Lumen）。1 Lux 等于 1 Lumen 每平方米。通常，在视频屏幕、记录位置或工作区等任务区域测量照度。Foot-candle： Foot-candle 是英尺烛光是美国惯用的照度测量单位。1 Foot-candle 等于 1 Lumen 每平方英尺。1 Foot-candle 约等于10.76 Lux ，1 Lux 约等于0.093 Foot-candle 。图5-2展示了用于测量照度的美国惯用单位和国际单位制（SI）单位。反射光测量（Reflected Light Measurements） 使用反射光计或点光计，你可以测量从某一表面积发出的光的亮度（luminance）。视听（AV）行业中，亮度测量常用以下两个单位：Candela per square meter or Nit（Candela 每平方米或尼特）：Candela 每平方米有时也称为 Nit ，是亮度的国际单位。1 Nit 等于1 Candela 每平方米的亮度。Foot-lambert（fl）：Foot-lambert是美国用于测量亮度的惯用单位。1 Foot-lambert等于 每平方英尺1/π Candela 。1 Foot-lambert 等于每平方米 3.43 Candela。平方反比定律与光（Inverse Square Law and Light） 当光从光源向各个方向辐射时，光的强度会随着与光源距离的增加而减弱，随着与光源距离的减小而增强。光的平方反比定律指出，光的强度与到光源距离的平方成反比。简单来说，如果你与光源的距离加倍（增加2倍），光的强度将减弱为原来的1/4（1/2² ）。距离变为原来的3倍，光的强度就只有原来的1/9（1/3² ）；距离变为原来的5倍，强度则变为原来的1/25（1/5² ）。 相反，靠近光源时，光看起来会按距离平方的反比相应变亮。距离减半，强度会变为原来的4倍（2² ）；距离变为原来的1/3，强度会增加9倍（3² ）；距离变为原来的1/5，强度会增加25倍（5² ）。颜色通过三个维度来描述：色调、明度/亮度和饱和度。色调（Hue）：基础的光谱色，即红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。明度/亮度（Value/brightness）：颜色的灰度值，也就是其在白到黑这个刻度上的位置。饱和度/色度（Saturation/Chroma）：色调的饱和度或浓度，即其在淡粉蜡笔色调到浓郁鲜明色彩这个刻度上的位置。 在Munsell color系统中，所有可能的颜色都用圆柱图表示，借助色调、明度和饱和度来精准定位每一种可能的颜色。 人眼视网膜中有3种颜色感受器（视锥细胞），每种仅对可见光谱的一部分敏感。这些感受器依据对颜色的敏感度来区分：红、绿、蓝。大脑处理来自这三种视锥细胞的输入信息，从而产生我们的全彩色视觉。红、绿、蓝是光的三原色，通过混合这些原色光可以得到白色以及其他所有颜色。这种混合光的颜色的过程被称为加色混合，可用于生成视频成像系统中的色彩范围，在彩色印刷中也有应用，印刷中使用的油墨有青色（蓝+绿）、品红色（红+蓝）和黄色（红+绿）。 在混合颜料（如油漆和染料中吸收（减去）和反射光而非产生光的物质）时，原色是红、黄、蓝，通过被称为减色混合的过程，这些原色可以混合产生完整的色彩光谱。 如果眼睛中的视锥感受器无法覆盖光谱的正确部分，就会出现某种形式的色彩混淆，通常被称为色盲。只有当视网膜中没有正常工作的视锥细胞时，才会产生单色（暗视觉）视觉。不过，在极低光照条件下，视锥细胞无法发挥作用，所以在极暗环境中，所有人都会有暗视觉。这就是视频制作中有时显得生硬的“日景转夜景”场景的基础，在这类场景中，用蓝光来替代单色月光。 当光源产生可见光谱中主要颜色的混合光时，就会产生白光。所有类型的光源都会产生不同分布的可见颜色，因此许多类型的白光会有不同的色调——有些实际上是偏红的白色，有些则是偏蓝的白色。光谱颜色平衡上的这种差异被称为光源的色温。 色温是用于表示从光源辐射出的光谱颜色分布的科学度量，单位为Kelvin开尔文（K）。由于Kelvin度量是以理论热物体在特定条件下发出的颜色为参考，所以该度量用Kelvin来表示，而非degrees。色温越高，光越偏蓝；色温越低，光越偏橙黄。表5-1列出了一些常见光源的色温。色温对视觉显示至关重要。以下是你会看到色温应用的两个例子： 电子相机对光的色温变化的敏感度远远高于人眼。设置正确的白平衡是从任何电子成像设备生成高质量图像的关键步骤。 大多数显示器和投影仪具备选择和调整色温的功能。这些功能让你能够根据环境照明条件改变图像的白平衡，或者在演示中使投影图像与显示器显示相匹配。显色指数（Color Rendering Index） 光源的显色指数（CRI）表示它能在多大程度上准确呈现所照亮物体的颜色。所有光源产生的光谱颜色范围的量都不同，显色指数用于衡量全光谱是否存在以及光谱的相对比例。理论上，通过热辐射发光且显色指数为100的光源能产生完美的光谱。这类光源包括灯泡中的钨丝、蜡烛火焰中的碳以及太阳的光球层。 大多数通过其他方式发光的光源，比如让电流通过气体（钠蒸汽）使磷光体发光（荧光灯），或者让电流通过半导体结（LED）其显色指数较低（通常低于100），具体数值取决于光源的设计和构造，如表5-2所示。部分这类光源有特殊用途的高显色指数（但发光效率极低）版本，不过价格更高。 在显色指数低于60的光源下，即便完成了白平衡调整，电子相机拍摄精确图像也可能会出现问题，显色指数越接近100，图像的色彩质量就越精准，当客户或产品将特定颜色作为其标识或品牌的一部分时，准确呈现颜色可能会非常重要。 环境光指展示环境中，除显示图像所产生的光之外的任何光线。环境光可能照射到屏水平幕或房间墙壁，然后反射到观看区域，通过降低对比度和冲淡画面，与显示图像形成干扰。 展示环境中环境光的量会显著影响显示图像的质量，就如同房间的声学效果会影响音频的音质一样，高环境光水平会降低显示画面的对比度。 可以通过以下方式减少环境光：确保观看区域内所有不必要的光源都被减弱或遮挡，并且所有必要光源（如演示者聚光灯、记录用灯和文档摄像机灯）都受到严格控制。 视频由一系列连续的静态图像组成，类似电影胶片条上的单个画面。摄像机通过镜头将图像聚焦到记录介质上，逐张捕捉图像。对于胶片摄像机，当快门短暂打开时，入射光会使胶片材料发生化学变化。快门关闭后，胶片会在摄像机中前进，为捕捉下一帧做准备。将图像转换为电子模式，作为视频的一帧静态画面被捕捉。通过捕捉连续的电子模式来生成视频序列，随后这些模式会被处理成适合记录或传输的格式。 我们将从摄像机如何处理和投射图像入手，讲解焦距、光圈、景深及其他相关术语。 透镜的焦距是指被摄主体清晰对焦时，透镜与图像传感器之间的距离，通常以毫米为单位。在摄像机中，焦距决定了透镜能看到的场景范围，正如图5-3所示，这通常被称为视角。广角镜头焦距短，相较于长焦镜头，能呈现更广阔的区域。长焦镜头视角窄，呈现的场景范围更小。 变焦镜头可改变焦距，进而改变视角。透镜规格通常会给出该透镜的视角。变焦镜头会针对广角和长焦的极端情况，分别给出视角规格。 变焦镜头在从广角变焦到长焦的过程中，必须始终保持对焦。用于确保对焦跟踪的调整被称为后焦。
- 完全变焦至后焦测试卡（如图5-4所示）。图像中心会模糊不清。调整镜头，直至图像清晰，且模糊区域最小。
重复这两次调整，直到从广角到长焦变焦时图像始终保持清晰对焦。后焦调整可通过镜头上靠近摄像机机身的调整环进行，在单传感器摄像机中，也可通过调整图像传感器的位置来实现。 光圈是镜头中的开口。光圈叶片（iris）控制光圈大小，调节通过镜头到达图像传感器的光量，以实现所需的曝光。 镜头的光圈以f值（f-stops）衡量。f值基于镜头开口直径与镜头焦距的关系。当光圈缩小时，开口非常小，进入的光线极少。f值越大，镜头开口越小，允许进入的光线越少。表5-3列出了一些常见的f值。f/2的光圈进光量比f/2.8多一倍，但比f/1.4少。该序列中每个相邻的f值，进光量是前一个的一半或两倍。 对焦清晰的最近物体与最远物体之间的距离称为景深。超出特定镜头镜头景深范围的物体都会失焦。 图5-5中，图像前景和背景里的花朵都处于失焦状态。对焦清晰的区域处于景深范围内。拍摄图像时，你可以调节镜头光圈，以确保捕捉到期望的景深。 图像的景深直接取决于镜头的光圈。镜头光圈越小，景深越大。光线昏暗的场景景深较小，因为镜头光圈会开得更大，以让足够光线进入，实现合适曝光。针孔相机镜头的景深极大，无需进行对焦调节。成像器与棱镜（Imager and optical prism） 光线穿过摄像机镜头后，会投射到图像传感器芯片上，该芯片常被称为成像器。在一些用于高质量彩色应用的摄像机中，会使用三个独立的成像器，分别对应红、绿、蓝三原色。为了将入射图像分解为三原色，棱镜会拆分光束，并使其穿过精确的二向色滤光片，以分离出画面的色彩成分，如图 5 - 6 所示。 在单成像器件的摄像机中，没有棱镜。在制造过程中，成像器件会在成像器上逐像素应用色彩滤光片。滤光片布局的样式因摄像机的设计而异。 有两种常见的成像器类型：互补金属氧化物半导体（CMOS）和电荷耦合器件（CCD）。这些成像器由数百乃至数千个光敏元件阵列构成。红、绿、蓝光敏元件组合起来，在图像中生成单个彩色画面元素，这个元素被称为像素（图像元素）。成像器上的单个光传感元件通常也被称作像素。 光敏元件在灵敏度和分辨率方面存在差异，这会造成图像质量和摄像机成本的不同。一些用于广播和数字电影的高质量摄像机采用三个成像芯片，分别对应红光、蓝光和绿光，但大多数各类应用的摄像机采用单个成像器。 成像器会以所选视频标准的帧率输出一帧捕获的视频。为现已淘汰的北美NTSC广播标准设计的成像器，输出帧率为每秒29.94帧；为现已淘汰的PAL广播标准设计的成像器，输出帧率为每秒25帧。为数字视频、数字广播和大格式视听制作生成画面的成像器，工作帧率可能在每秒24帧到每秒120帧之间变化。这意味着成像器会以该特定次数采集光线，然后输出电子信号。更高的帧率会生成更强的信号，以及更出色的运动精度。 过多的光线会使成像器过载。电子快门通过调节成像器接收入射光线的时长来避免过载。缩短时长会降低图像的电压电平输出，从而大幅减少过载情况。 快门速度设置由帧率定义。要记住，此帧率仅影响成像器，不影响视频输出帧率。注意：为你的应用选择合适的快门，这点很重要。涉及快速运动的场景需要更高的快门速度。如果快门速度过慢，生成的图像可能会看起来卡顿、不流畅。
色彩信号：聚焦到摄像机成像系统的光线会被分解为图像的原色成分，即红、绿、蓝信号。这三种信号通常被称为RGB（红绿蓝）信号。这些色彩信号必须与同步信息相结合，同步信息通常被称为“同步信号（sync）”。水平和垂直信号（Horizontal and Vertical Signals） 同步信号用于保持视频帧之间的时间关系，并在水平和垂直方向上正确定位图像。这类信息被称为水平同步（horizontal sync ）和垂直同步（vertical sync ），通常缩写为 H 和 V 。因此，R（红）、G（绿）、B（蓝）、H（水平同步）和 V（垂直同步）是视频信号的五个基本要素，它们包含了完整视频图像所需的所有信息。 视频信号最初是在用于捕捉图像的摄像机以及用于显示图像的电视显像管中逐行扫描产生的。尽管用于捕捉和显示图像的技术发生了巨大变化，但所有视频系统中仍会进行某种形式的图像扫描。
水平和垂直同步信号定义了图像的边缘。如果没有这些信号，画面会左右滚动、上下翻滚。
每台摄像机内部都有一个同步发生器，用于产生水平和垂直同步脉冲。水平同步脉冲用于确定图像边缘的时间，它们决定了屏幕右边缘像素的结束位置。垂直同步脉冲用于确定屏幕顶部和底部的时间，垂直同步从右下角的像素开始。
同步信号还用于确保视频源之间的平滑切换，使得切换能够在完整视频帧之间的短暂间隔内进行，这被称为场消隐期切换（vertical interval switching ），是所有视频系统首选的源切换过程。在垂直消隐期之外的任何时间进行源切换被称为紧急切换（crash switching ），会产生一阵画面不稳定的情况，直到视频系统重新同步 。
扫描速率（Scanning Frequency）
水平和垂直同步信号定义了图像的边缘。水平扫描速率描述的是每秒显示的水平线数量。垂直扫描速率指的是完整图像（即一帧 ）显示所需的时间，因为要使图像在垂直方向完整呈现，所有水平线都必须显示出来。水平和垂直扫描速率合称为扫描速率。
一幅图像中可见像素的水平线数量取决于视频内容。例如，一张 DVD 的画面可能是 780×480 像素，刷新率为每秒 30 帧；而一台电脑的画面可能是 2560×1440 像素，刷新率为每秒 60 帧。若要在同一台显示器上查看这两种内容，显示器必须能够支持这两种扫描速率。
表 5 - 4 列出了模拟视频、数字视频和计算机图形中可见像素扫描速率的精选示例 。
每种标准还根据特定的水平频率（horizontal frequency）来定义扫描速率，水平频率指设备每秒传输的水平线数量，以千赫兹（kilohertz）为单位衡量。由于在一次垂直扫描内会完成多次水平扫描，水平扫描频率比垂直扫描频率高。垂直扫描速率描述的是设备每秒传输的完整视频场（video fields）数量，以赫兹（hertz）为单位，也可称为垂直同步速率（vertical sync rate） 。许多现代视频显示器能够显示比信号源传输帧数更多的画面，并且可以以更高频率刷新图像。
一些较旧的显示技术无法同时显示视频帧中的所有水平线，于是形成了一种隔行显示（interlaced display）系统，即一次显示奇数行，下次显示偶数行，这种扫描方式用后缀 “i” 表示（如 480i ）；而能在一次扫描中显示所有行的系统则称为逐行显示（progressive display），用后缀 “p” 表示（如 1080p ）。隔行图像的刷新率是垂直扫描速率的一半。
视频信号的位深（Bit Depth of Video Signals）
正如你在第 3 章所见，数字信号的位深用于衡量该信号在传输到视频成像设备（或音频设备 ）末端时，能以多高的准确度转换回模拟信号。随着数字成像设备和视频显示系统的技术不断发展，可使用的位深逐渐增加，画面重现的准确度也持续提升。尽管色彩位深在很大程度上仍保持为每通道 8 位（RGB ），但高动态范围（HDR ）图像因能捕捉图像中细微的亮度细节，越来越受欢迎，不过部分图像显示系统尚未能渲染这些额外的位。
自从超高清蓝光（UHD Blu - ray ）等广色域技术问世（每通道可提供 10 位色彩分辨率 ）以来，视频图像色彩通道的位深一直在稳步提高。一些图像合成软件每色彩通道可处理 16 位，但具备这种显示能力的显示器尚未广泛普及。
信号质量与带宽（Signal Quality and Bandwidth）
视频被捕捉并转换为信号后，需将这些信号传输到显示设备。高分辨率视频图像会占用大量带宽。为保留图像细节，需要高质量的线缆，以及能够在切换、处理和分配这些信号时不降低其质量的视频设备。
在电子学中，带宽指电路可通过的频率范围。电路能够检测并响应的最高频率与最低频率之差，就是该电路的带宽。
视频信号涵盖一系列频率：
三种色彩信号与同步或定时信号相结合，构成了由摄像机传感器转换而来的图像中包含的所有信息。这是一种全带宽 RGBHV 信号，需要 5 根线缆来传输信号，每种色彩信号（RGB）各用 1 根线缆，水平（H）和垂直（V）同步信号也各用 1 根线缆 。
带宽限制（Bandwidth Limiting）
要在有限的频率范围内传输复杂信号，带宽限制必不可少，可通过滤波和编码实现。红、绿、蓝色彩通道的值会被缩减为更小的值。虽然编码后的信号占用带宽更少，但编码和解码过程会引入一些噪声和失真，从而影响信号质量。
数字信号（Digital Signals）
和模拟视频系统类似，数字视频设备也会输出RGBHV信号，但它们的输出通常还包含控制信号，可能也有音频信号。
图 5 - 7 和图 5 - 8 展示了计算机使用的线缆和连接器。
以下是数字视频连接的主要格式：
数字视觉接口（Digital Visual Interface，DVI）：DVI 是首个被广泛认可的计算机数字标准。DVI 有多个版本，包括 DVI、DVI - D、DVI - I 和迷你 DVI（Mini - DVI）
高清多媒体接口（High - Definition Multimedia Interface，HDMI）：HDMI 在 DVI 标准基础上发展而来，增加了音频、EDID 设备控制、HDCPP 内容保护和以太网功能。HDMI 与 DVI 向下兼容。HDMI 有标准 HDMI、迷你 HDMI（Mini - HDMI）和微型 HDMI（Micro - HDMI）等版本
显示端口（DisplayPort）：DisplayPort 同样基于 DVI 的成功技术，采用一种类似但并非完全兼容的格式来传输视频和音频信号。DisplayPort 也有迷你显示端口（Mini - DisplayPort）版本
HDbaseT：HDbaseT 将 HDMI 信号、以太网、控制协议、USB 以及 100 瓦直流电源整合到一根标准 UTP（5 类及以上 ）线缆中，使用标准的模块化以太网连接器（即 8P8C，也称为 RJ45 ）进行端接
串行数字接口（Serial Digital Interface，SDI）
SDI 是由电影与电视工程师协会（Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）制定的一系列串行数据标准，用于在最初为专业模拟视频设计、采用 BNC 接头的 75Ω 同轴电缆上传输数字视频数据。其变体包括适用于高清视频的 HD - SDI、适用于 4K 视频的 6G - SDI（6Gbps）以及适用于 8K 视频的 24G - SDI（24Gbps） 。SDI 数据包含音频和控制信息，但不包含内容保护。SDI 也可通过光纤进行传输 。
USB
USB（通用串行总线）是一种通用数字数据总线，能够传输任何形式的数字数据，包括串行化的视频数据流。自 USB 3.1 版本起，Type - C USB 连接器可切换至备用（Alternate，Alt）信令模式，该模式使其能够配置为传输包括 HDMI 和 DisplayPort 在内的多种数字信号。
以太网（Ethernet）
以太网是一种网络传输协议，可在数据网络上传输多种数据格式 。有许多以太网视频流数据格式，支持摄像机、播放设备等视频源与视频屏幕、投影仪等显示设备进行实时互联 。以太网协议可在多种网络介质上运行，包括有线、光纤和无线链路 。
创建数字图像（Creating the Digital Image）
不同数字设备发送的信号，分辨率、帧率和宽高比可能各不相同。选择输出分辨率和宽高比时，应始终考虑显示设备。你将在本章后续内容中深入了解宽高比。并非所有显示器都能与所有分辨率同步，也不是所有分辨率在所有显示器上都能呈现良好效果。
显示设备存在原生分辨率，即经优化适配该显示器的分辨率。例如，某显示器水平有 1920 行像素，垂直有 1080 列像素，其原生分辨率为 1920×1080 。原生分辨率通常被视作显示引擎的分辨率，或是屏幕、投影设备的像素数量。为系统输出选用显示设备的原生分辨率，可避免图像缩放过程，一般能呈现最佳画面质量。
视频电子标准协会（Video Electronics Standards Association，VESA ）负责协调计算机分辨率标准。不算各标准的变体，约有 50 种不同的计算机分辨率标准。VESA 还定义了扩展显示标识数据（Extended Display Identification Data，EDID ）标准 。EDID 会向连接的视频源传递数字显示器的性能参数 。对视听（AV ）专业人员而言，管理采用 EDID 的数字视频设备是项挑战，在多个显示设备由同一视频源驱动时，挑战尤为突出 。
计算机输出带宽（Computer Output Bandwidth）
计算机信号的一个特点是能够改变计算机图形输出的分辨率以满足您的需求。当您提高或降低分辨率时，支持信号所需的带宽量也会随之改变。这是一种直接的关系：分辨率的提高意味着带宽的增加。
计算机的输出是RGB（红绿蓝）信号，其带宽比大多数视频信号大得多。计算机可以显示多种不同的分辨率。要确定每种分辨率的带宽，您可以使用以下公式：
[(TP×FR)/2]×3 = 信号带宽（signal bandwidth in Hz）
其中，TP是一帧中的总像素数，FR是帧速率。
计算信号带宽的步骤如下：
- 通过将水平像素数乘以垂直像素数来确定图像中的总像素数。
- 将结果除以 2，以表示一半像素开启（白色）和一半像素关闭（黑色）。这是可能达到的最高视频分辨率。
- 将结果乘以 3，以考虑三次谐波。考虑三次谐波可确保在显示设备上边缘保持清晰。
最终结果就是您计算机信号输出的带宽（单位：赫兹）。红色、绿色和蓝色共享相同的带宽值。
例如，对于一个分辨率为 1920×1080、帧速率为 60 的高清屏幕，其带宽为 186.6MHz。
生成图像（Producing an Image）
到目前为止，您已经从相机或数字视频设备中捕获了图像，并对信号进行了编码和解码。要确定使用何种显示设备，您需要明确自己想要显示的内容。想想您正在查看的媒体类型，是模拟视频、计算机数据、模拟数据还是数字媒体？
内容会影响图像必须达到多大尺寸，才能让观看者看到必要的细节。在显示电子表格和其他文本密集型演示文稿等图像时，这一点尤为重要。在投影中，图像尺寸决定了屏幕尺寸和显示位置。
显示与投影技术（Display and Projection Technology）
一旦您明确了想要显示的内容以及显示时的环境条件，就可以着手研究显示类型和技术了。显示类型包括显示面板、视频墙、电子白板、投影仪和传统图形显示。视听行业主要关注电子显示，但传统图形显示，如活动挂图和白板，在某些应用中仍在使用。许多视听系统会集成显示面板、投影仪与屏幕，或同时集成两者。 视觉显示设备通过向我们的眼睛发射光线来实现图像观看。显示设备可采用三种方法来实现这一功能。透射式：背投屏幕采用透射式方法，如图 5-9 所示。投影仪发出的光线投射到半透明的背投屏幕上，光线透过屏幕。透射式显示的优点包括良好的对比度、可以在靠近屏幕的位置操作而不会产生阴影，以及能够实现大尺寸显示。不过，与前投相比，它们需要更多的投影空间，并且可能会出现热点现象。带有背光或反射背衬的液晶显示器（LCD）也属于透射式显示。反射式：前屏投影采用反射式方法，如图 5-10 所示。投影仪发出的光线经屏幕反射后进入我们的眼睛。反射式应用能够实现大尺寸显示，并且易于安装。然而，前投的对比度比其他方法低，而且由于投影仪位于房间内，可能会在观众区域产生风扇和投影仪噪音。自发光式：发光二极管（LED）、有机发光显示器（OLED）和微型发光二极管（microLED）显示器采用自发光式方法。光线由显示器的各个元件产生，并直接向外发射。 投影仪或显示器可以采用不同的技术。例如，OLED 显示器采用自发光技术，而 LCD 面板采用透射技术。对于用户来说，许多平板显示器看起来可能很相似。 显示器、平板显示器、纯平显示器、视频墙 —— 这些都是一种常见显示技术的不同术语。主要的平板技术包括液晶显示器（LCD）、有机发光二极管显示器（OLED）、发光二极管显示器（LED）和微型发光二极管显示器（microLED）。显示器的像素分辨率被称为其原生分辨率。 液晶显示器通过像素网格在屏幕上生成图像。屏幕上的每个像素都填充有液晶化合物，这种化合物在电场作用下会改变其光学特性。 要生成一个液晶显示器像素，光线必须首先通过一个偏振器。偏振器是一组极细的平行线，其作用类似于网或过滤器，能够阻挡所有不与这些线平行的光波。经过偏振的光线随后穿过一层由透明开关晶体管和液晶组成的夹层结构。液晶显示器使用两层偏振材料，液晶溶液被密封在这两层材料之间。当晶体管导通时，会向其对应的像素施加特定电压。每个像素内的微小液晶就像光闸一样，可以允许或阻挡不同量的光线通过。由于偏振过滤器无法完全阻挡入射光线，因此液晶显示器面板显示的 “黑色” 实际上是深灰色。 每个晶体管必须与穿过液晶显示器的光线隔离，因此会用一层称为 “黑矩阵” 的不透明化学层覆盖。黑矩阵还会在每个像素周围形成明确的边缘，这在低分辨率显示器上会导致可见的 “纱窗效应”。每个像素剩余的透光表面与液晶显示器总表面的比率被称为开口率。与像素尺寸相比，晶体管越小，开口率就越高，能够通过的光线也就越多。开口率越高，像纱窗效应这样的图像伪影就越少。 彩色液晶显示器的每个成像像素阵列中有三个过滤器，分别对应红、绿、蓝三原色。背光可以是发光二极管（LED）或紧凑型荧光灯管。发光二极管可以按红、绿、蓝元件分组，或者仅使用白色发光二极管。与紧凑型荧光灯管相比，发光二极管具有更低的功耗、更高的亮度、更宽的色域、更好的白平衡和更长的使用寿命，并且它们可以实现局部调光以获得更高的对比度。 发光二极管（LED）显示器是由红、绿、蓝发光二极管组成的矩阵，这些发光二极管组合在一起形成显示器的像素。发光二极管由两种不同掺杂的晶体半导体材料之间的结（PN 结）组成。当 PN 结两端的电压以正确的方式极化时，结的 N 侧晶格中的导电电子会被 P 侧晶体晶格中的空穴吸收，从而允许电流流动。当每个电子穿过结时，会发射一个光子。形成结的两种材料之间的结构差异决定了发射光的波长。 发光二极管是自发光器件，这意味着它们自身会产生光，这与液晶显示器不同，液晶显示器需要一个单独的光源：背光。因此，发光二极管显示器具有更高的对比度、更快的像素切换时间，使用寿命可达数十万小时，并且能够实现比液晶显示器更高的亮度和更宽的色域。 单个发光二极管芯片或红、绿、蓝发光二极管芯片的全像素集群被安装到模块中，这些模块除了电源和信号分配系统外，还带有物理框架和连接部件。多个模块可以连接在一起，形成任意大尺寸和形状的屏幕。模块化发光二极管屏幕常见于大型空间、音乐会制作和公共活动中。 微型发光二极管是非常小的（1 至 10 微米）晶体发光二极管，具有与它们较大的同类产品相同的特性。它们微小的尺寸在将其安装和连接到显示面板时带来了困难，但同时，这种尺寸也使它们适合用于超高分辨率显示器。由于微型发光二极管像素在物理上非常小，它们之间的间距相对较大。这使得像素之间的黑色背景能够吸收环境光，从而产生高对比度的图像和比液晶显示器面板更深的黑色。
有机发光二极管（OLED）技术基于有机的、碳基的化合物，当电流通过器件时，这些化合物会发光。红、绿、蓝三种颜色分别有各自独立的有机化合物。
与液晶显示器相比，有机发光二极管器件功耗更低，对比度更高，并且可能具有更高的亮度和更宽的色域。
有机发光二极管被印制在非常薄的衬底上，有源矩阵硅集成电路直接印在显示器下方，用于控制每个有机发光二极管点（像素）的电源，并以极高的速度执行某些图像控制功能。有机发光二极管能够在微秒级而不是毫秒级的时间内刷新，这与液晶显示器不同，从而能够呈现高度动态的运动视频。与微型发光二极管一样，有机发光二极管像素的物理尺寸很小，这有助于实现高对比度的图像和深邃的黑色。
然而，有机发光二极管的使用寿命相对较短，输出会逐渐衰减，尤其是在较短波长的光下，表现为蓝色褪色。
在房间内布置显示器（positioning a Display Within a Room）
在决定显示器的放置位置之前，您应该考虑显示器的尺寸以及观众可能的观看距离。最佳观看区域由房间内的视频显示尺寸、位置和方向决定。显示器的尺寸需要足够大，以满足房间内最远观众的观看需求。在规划房间布局时，显示器尺寸或最远观众距离都可以作为计算的起点。
最大观看距离取决于图像中的细节量。AVIXA 制定了标准 AVIXA V202.01《视听系统中二维内容的显示图像尺寸》（DISCAS），该标准提供了一个计算和评估工具，用于根据观众需求确定合适的显示图像尺寸和最佳观看距离。完整的 DISCAS 标准可从 AVIXA 网站的标准部分获取。
宽高比（Aspect Ratio）
人类的视觉是水平导向的，因为我们的水平视角比垂直视角更宽。我们的大脑也倾向于低估图像的宽度，这就是为什么无声电影和老式电视屏幕尽管宽度是高度的 1.33 倍，看起来却像是正方形。大多数视觉显示系统的宽度大于高度，图像宽度与高度的关系被称为图像的宽高比。
宽高比用于帮助确定合适的屏幕、图像区域、显示设备和投影机镜头。例如，一些视频监视器的宽高比为 4:3（宽度4个单位，高度3个单位），而平板电视显示器的宽高比为16:9。表示宽高比的另一种方式是用第一个数（宽度）除以第二个数（高度），比如，4:3 也可以表示为 1.33:1 。
不同的展示媒介有不同的宽高比。虽然标准宽屏视频的宽高比是 16:9，但计算机显示器可能是 16:10 。而且，相同的显示器可以以纵向模式安装，这会使宽高比变为 10:16。
投影图像（The Projected Image）
当需要大尺寸图像且环境光线可控时，投影是常用手段。投影环境的设计对于打造成功的投影系统至关重要，会显著影响显示图像的感知质量。在投影系统中，室内照明设计以及屏幕材料的选择，对呈现高质量图像而言十分关键。
投影图像借助加性光混合来呈现全色域。投影系统的亮度极为重要，图像亮区与暗区之间的对比度也同样关键。由于黑色是无投影图像的状态，所以屏幕最暗也就和投影仪关闭时一样。
投影系统包含投影仪及其光学系统、屏幕，还有安装质量 。
投影仪光学系统（Projector Optics）
投影仪光学系统由光源、光学器件和透镜组成，这些部件负责传输图像并将其聚焦在屏幕上，供观众观看。投影设备只有使用其设计适配的光源时，才能发挥出最佳性能。
将图像聚焦到屏幕上的透镜被称为主光学元件。与主光学元件相关的四个因素会影响投影图像的质量，分别是折射、色散、球面像差和场曲。
折射（Refraction）
折射是指光线穿过不同材质（如玻璃和空气）的边界时发生的弯曲或方向改变。光线的折射程度，也就是折射角的大小，被称为折射率（refractive index）。透镜所用材料的折射率会影响该透镜成像的质量。
色散（Dispersion）
当白色光束穿过三棱镜时，就能观察到色散现象。不同波长的光会以不同角度折射，从而将光分解成其各自的颜色成分。色散强的透镜会使图像产生颜色边缘，这种现象被称为色差（chromatic aberration）。
球面像差（Spherical Aberration）
穿过球面透镜边缘的光线，与穿过透镜中心的光线相比，离开透镜时的角度不同，因此焦距也不同。由此产生的失真被称为球面像差。
场面（Curvature of Field）
场曲会使原本对焦清晰的物体边缘出现模糊（也可能相反情况 ）。这是由于弯曲的透镜将弯曲的像场投射到投影屏幕等平面上所致。投影透镜的弯曲程度越大，且离屏幕越近，这种效果就越明显。短焦距（广角）的球面透镜往往有明显的曲率。
基于灯泡的光源（Lamp-based Light Sources）
在基于灯泡的光学系统中，灯泡与反射器配合，用于收集并引导光线。灯泡反射器可以是内置式的，也可以是外置式的。
基于灯泡的投影仪采用以下三种光源技术：
卤钨灯（Tungsten halogen）：卤钨灯也被称为石英卤素灯或 QL 灯，其工作原理是让电流通过一段钨丝，直至钨丝变得炽热而发光。为防止钨从灯丝蒸发并使灯泡的石英玻璃外壳变黑，外壳内填充有卤素气体。尽管这类灯相对便宜，但存在输出亮度较低、能效不高以及使用寿命短的问题。
金属卤化物放电灯（metal halide discharge）：金属卤化物放电灯的工作方式是让电流通过浸入高压金属卤化物气体混合物中的一对钨电极，这会使气体电离并发光。这类灯有多种气体混合物、电极配置和石英外壳形状可选，输出功率和物理尺寸范围广泛。放电灯的能效比卤钨灯高得多，且使用寿命通常更长。
氙弧灯（Xenon arc）：氙弧灯是让电流通过浸入高压惰性气体氙氛围中的一对钨电极来发光，电弧产生的氙等离子体用于发光。氙弧灯能效很高，有高输出版本。不过，石英外壳内的极高气体压力使其操作存在危险，而且高输出的灯在现场安全更换可能较为困难。
固态光源（Solid-State Light Sources）
固态光源包括发光二极管（LED）光源、二极管激光器（激光 LED），以及由 LED 和激光激发的磷光材料。在一些配置中，光源是红、绿、蓝 LED 的组合，用于产生白光。在另一些配置中，部分光直接来自 LED，部分光来自由 LED 或激光照亮的磷光材料。在 RGB 激光系统中，光来自红、绿、蓝激光的扩散光束。不同制造商和型号的配置各不相同。固态光源能效高，使用寿命可达数万小时，在某些情况下，甚至接近投影仪的总运行寿命。
作者~Junye-Chen
手机版
二维码
45094480
