孫沛立∕國立臺灣科技大學色彩與照明科技研究所助理教授。中華色彩學會常務監事、國際資訊顯示學會會員。

 

自從 1895 年第一部電影在法國公開上映至今，「看電影」已成為人們重要的休閒活動。電影的畫質從早年那閃爍、模糊、晃動、佈滿雜訊的黑白影像，改良為平穩、清晰、層次分明的彩色立體影像。電影的載體也從過去體積龐大的膠卷，演變成今日輕薄短小的藍光光碟與硬碟。進入電影院，觀眾會發現同一部電影可能會以「一般」、「數位」、「3D」、「IMAX」、「4DX」等不同的方式放映。

 

一般

「一般」指的是用傳統的電影放映機播放膠卷影片。由於膠卷是透過母帶拷貝再配送到電影院播放，顏色容易失真。再者，多次放映後，膠卷容易刮傷、有髒點與灰塵，以及面臨膠卷的衰減老化、變質、褪色等問題，不易長期保存。

數位

「數位」指的是用數位投影機放映硬碟裡的數位影片檔。優點是影像訊號數值不因複製而改變，影像品質穩定，沒有老化變質的問題。播放二輪片的畫質與一輪完全相同。保存上也不像膠卷那樣佔空間。甚至可以透過網路傳送加了密碼的影片檔案給全球的電影院同步放映，放映完畢之後，刪除檔案，非常環保。

3D、IMAX、4DX

「3D」指的是立體電影。「IMAX」泛指以加拿大 IMAX 公司的放映系統播放影片，又分「巨型銀幕」、「數位」與「雷射」三類，影片本身為解析度較高的 IMAX 規格。「4DX」則是透過動態座椅，體驗電影中的動作特效。

 

播放器材與畫面呈現

目前，電影院已經接近全面數位化，使用專業、高亮度（約 10000 流明^(註)以上）的投影機播放影片。過去 20 年來，電影也逐漸走入了家庭。家庭劇院早年因大尺寸電視價格昂貴，因此多以低流明數（約 2000 流明左右）、高色彩飽和度的「家庭劇院專用」數位投影機播放影片，但現在逐漸被大尺寸平面電視所取代。

好的畫質，可提昇觀眾的美感經驗，並獲得身歷其境的視覺體驗。投影機的畫質好壞，可由 5 個要素決定（圖一）：

 

▲圖一：畫質好壞的差異，可由 5 項要素決定，分別為空間解析度、明暗對比度、色域大小、明暗層次、時間解析度等 5 個要素的影響。圖片提供／孫沛立

 

（1）空間解析度

在膠卷影片時代，是以膠片的寬度決定影像的細緻度。標準膠片的寬度是 35 mm，IMAX 公司使用 70 mm 寬的膠片提高影像解析度。數位電影方面，解析度是以畫面的像素數量決定。為了取得更寬廣的視野，電影銀幕的「寬高比」由愛迪生時代的 1.33：1 逐漸演變為 1.85：1。數位電影目前常用的是 2048×1080 像素（=221 萬像素）以及 4096×2160 像素（=885 萬像素）兩種格式。由於業界習慣以影像水平方向的像素數量來描述其解析度，而且用電腦容量單位K（kilo）、M（mega）、G（giga）、T（tera）來代表資訊容量，因此稱寬度 2048 像素的電影，擁有 2K 解析度；寬度 4096 像素的電影，擁有 4K 解析度。由於 4K 電影的像素數量為 2K 電影的 4 倍，所以廠商宣稱新式的 4K 投影技術，將影像解析度提高了整整 4 倍。

電視方面，畫面的「寬高比」也從映像管時代的 1.33：1（=4：3），演進到現在平面電視的 1.78：1（=16：9）。數位電影的規格與平面電視略有不同，有 720×480 像素解析的一般畫質電視（SDTV），1280×720 的高畫質電視（HDTV）、1920×1080 的全高畫質電視（簡稱Full HDTV或FHD）、3840×2160 的 4K 超高畫質電視（簡稱 4K Ultra HDTV 或 4K UHD），以及未來的 8K 超高畫質電視（簡稱 8K UHD）規格。由於 4K 畫質的藍光光碟還不普遍，想體驗 4K 畫質的影片，最好還是進電影院。

（2）明暗解析度

數位影像的明暗深淺，可用「灰階值（gray level）」來表示。灰階級數越多，越能夠區分影像細微的明暗層次。灰階級數通常用位元數（2 的指數）代表能夠解析灰階層次的能力。一般的電腦、電視僅以 256 階（2⁸=8 位元）呈現灰階，也就是能夠標示黑白之間 256 種不同灰色的差異。但根據數位電影系統規範（Digital Cinema Initiatives, DCI），需以 4096 階（2¹²=12 位元）呈現灰階層次。較高的明暗解析度，一方面使數位電影院的畫質超越家庭電影院，另一方面卻導致影片檔案過大，無法將一部兩小時的高畫質數位電影裝入一片藍光光碟。

（3）明暗對比

戶外的光線亮度可高達數萬尼特（nit，亮度單位），夜間則低於 0.1 尼特。光線的動態範圍（dynamic range）可高達 10 萬：1。攝影機經過不同的曝光設定，將光線的動態範圍壓縮在投影機可以顯示的低動態範圍之中。如果要達到身歷其境的效果，投影設備需要能夠顯示場景中極亮以及極暗的顏色。電影院使用的高動態投影機，能夠達到較高的亮度，並且能夠根據影片內容，在較暗的場景透過降低燈泡亮度的方式，表現影像的暗部層次。要達成最佳的高動態（High Dynamic Range, HDR）影像呈現，需要高動態攝影（HDR camera）、高動態影像格式（HDR format）以及高動態顯示設備（HDR display）相互搭配。除了 IMAX 公司有自己的高動態攝影與顯示系統之外，市面上已有杜比視界（Dolby Vision）與 HDR-10 兩種技術規格，讓攝影、藍光光碟、串流影片、電視與投影機能夠正確呈現 HDR 明暗分明的視覺效果。

（4）色域大小

隨著顯示科技的進步，電影能夠呈現的色彩範圍也愈來愈大。色域規格以高畫質數位電視（HDTV）的 Rec. 709、數位電影現行的 DCI-P3、與未來的 Rec. 2020 相比，分別佔有 35.9%、52.1%、75.8% 人眼的色彩視覺範圍（圖二）。紅綠藍三色的光譜寬度越窄，色域範圍越大。電影院能夠擴大色域表現的主要方式是將投影機的燈源，由高強度氣體放電燈泡（High-intensity discharge, HID），換成紅綠藍三色的雷射光。由於雷射光的光譜只有 1 奈米（nm）寬，因此能夠產生最鮮豔的顏色。IMAX 所謂的「雷射」放映方式，是以擁有雷射光源的投影機，呈現高亮度、高鮮豔度的影像。

 

▲圖二：色域面積比較：電視的 Rec. 709、數位電影的 DCI-P3、與未來的 Rec. 2020。（中央的符號代表白色的色度座標）

 

（5）時間解析度

時間解析度即每秒播放的畫面數目，單位是 frame per second，簡稱 FPS。傳統電影基於人眼視覺暫留與膠片成本的考量，以 24 FPS 為拍攝標準。由於人眼在暗環境下，不會感覺到閃爍的頻率是 50 Hz（每秒 50 次）左右，因此影片播放時，每個畫面重複 2 或 3 次，光線以 48 Hz 或 72 Hz 閃爍。由於早期數位電影的內容是從膠片一格一格掃描得來的，因此也同樣以 24 FPS 規格儲存。但這麼少的畫面數量，在呈現快速運動的影像時，會顯得模糊、不流暢。為了提高運動影像的流暢度，高級的投影機與電視都使用了「運動影像內插（motion interpolation）」技術，也就是先推測影像運動過程中的畫面，將它插入既有的畫面之間，以更高的切換速度顯示影像的運動過程。然而，運動過程的估計不見得準確，提高運動影像流暢度的根本解決之道是從攝影到顯示，都使用高 FPS 的規格。數位電影現行的 DCI 規範是 24 FPS 或 48 FPS。但近年已開發出高達 120 FPS 的攝影與播放系統，使動作片的體驗更加流暢（圖三）。

 

▲圖三：低速攝影（24 FPS）、中速內插放映（48 Hz）、以及高速攝影（120 FPS）高速放映（120 Hz）的清晰程度比較。圖片提供／孫沛立

 

其他跟畫質有關的要素還包含有投影幕的光線均勻度、投影幕的反光強度、投影機的亮度與觀看距離、影像銳利度等。

 

數位投影機成像原理

數位投影機主要分 DLP 與 LCD 兩大類。DLP 使用無數極小的鏡子（數位微鏡），將燈泡投射的光線投射到鏡子上。隨著反射鏡旋轉狀態的不同，光線可能會反射進入投影鏡頭的透光孔，形成亮點；或是離開投影鏡頭的透光孔，形成暗點。灰階的明暗是由「光點在單位時間內亮暗的次數」決定。LCD 則是透過電場控制液晶的偏光方向，當偏光方向與偏光鏡吻合時，燈源穿過液晶層與偏光鏡形成亮點。當偏光方向與偏光鏡不吻合時，則形成暗點。灰階的明暗（也就是 LCD 透光的強度），視電場大小而決定。

 

立體顯示原理介紹

「立體（3D）顯示」更是提供身歷其境的視覺體驗的重要技術。由於電影院需要同時讓不同座位的觀眾體驗立體視覺，而用於平面電視的「裸視 3D 顯示技術」能夠體驗的空間位置受限，所以目前電影院所放映的 3D 影片，都需要戴 3D 眼鏡觀賞。電影院採用的 3D 技術，按眼鏡的不同，可分為以下三類：

 

（1）偏光眼鏡

使用兩台投影機同步播放給左右眼觀看的影像，在鏡頭之前分別套上不同偏振方向的偏光鏡，觀眾也戴上相應的偏光鏡，即可獲得 3D 視覺體驗。這種 3D 成像方式的優點是眼鏡輕便、亮度衰減較少，因此普遍率最高。電影院常見的系統有 IMAX 3D、RealD、MasterImage。

（2）快門眼鏡

使用液晶快門眼鏡，輪流切換讓左右眼觀看不同的影像，投影機同步投射相應的畫面。由於人眼在暗環境下，完全不會感覺到閃爍的頻率是 50 Hz 左右，因此投影機至少要用 96 Hz 以上的速度輪流顯示左右眼的影像，才能使眼睛不感到畫面閃爍。這一類型的顯示系統較複雜，需要發射同步訊號讓眼鏡與投影機同步切換影像。快門眼鏡具有高成本、重量較重、需要充電才能使用的缺點，但僅需要一台投影機就能夠獲得高畫質 3D 影像。由於 LCD 反應速率較慢，而投影機需支援較高的顯示速率，所以快門眼鏡多半搭配 DLP 投影機。XpanD 是電影院常見的快門眼鏡式 3D 放映系統。

（3）色差眼鏡

這裡指的色差眼鏡不是便宜的紅藍眼鏡，而是經過特殊鍍膜加工、讓左右兩眼分別接收兩組不同波長的紅綠藍三色頻帶光線的眼鏡。投影機讓影像透過相應的鍍膜濾色鏡或者相應波長的雷射燈源，讓左右眼分別看到不同的彩色畫面。這種方式的優點是眼鏡輕便，但眼鏡的製作成本遠高於偏光眼鏡。電影院常見的有杜比 3D（Dolby 3D）與 Infitec 3D 系統。

 

總之，要達到身歷其境的電影視覺體驗，需要高解像力、高 FPS、高動態對比（HDR）、廣色域、以及 3D 的顯示環境。李安導演在他新上映的《比利‧林恩的中場戰事》電影中，使用了全新的攝影器材與影片編輯系統。以 4K 解析度、每秒 120 格的 3D 放映，採用兩台 4K 雷射投影機、杜比 3D 眼鏡及 7th Sense 的高速播放伺服器，讓觀眾體驗前所未有的逼真效果。希望未來這種系統能夠迅速普及化，讓觀眾能走入銀幕，浸淫在逼真的電影世界中。

 

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