投影機[對比值的疑惑及亮度的祕密] (轉載)

civiclau

投影機對比值的疑惑:

投影機與對比值
評價投影積及畫面的標準中，對比值並不是唯一用來做判斷的數據，就家庭劇院的投影機來說，對比、輸出亮度、採用的鏡頭、燈泡、支援的 I/O 介面、
解析度、畫面均勻度、影像處理迴路、演色性、採用的投影技術等等，甚至品牌，都會在消費者心中對投影機的評價產生影響。

廠商對投影機對比值的重視，是在單槍投影的出現後開始的，進而產生了競賽，各廠商除了盡力改進其所採用的投影技術及光學系統以增加對比，
每家在廠內量測對比時，皆會採用對其投影系統最適合的方法及數字。

就廠商在規格表上標的“對比”值並沒有人去規範一套標準的量測準據，雖然規格表上標的對比值指的通常是所謂的 Full On/Off 對比（全黑、全白畫面的對比）。
許多廠商都會使用一些〝撇步〞把這個數值變高，並將此對比值拿來用以行銷，而造成許多消費者把對比當成選擇或評估投影機的唯一標準。

投影機的原生對比度、亮度（包括投影機的輸出及從銀幕反射回來的亮度）、銀幕的增益值、及投影的距離和期望的畫面大小、環境的亮度及反射．．．等等，皆為影響實量對比值得變數。

在對比值掛帥的時代，許多消費者甚或店家，多不知道如何運用實量的規格來選擇適合自己環境的投影機了。

對比的疑惑
我們先來看看目前常聽到的各種對比的種類及其代表的意義及如何來運用對比值：

1. FOFO Contrast Ratio:
    一般廠商標示的或大家在討論的對比值，通常是所謂的 Full On Full Off Contrast Ratio（以下簡稱 FOFO），是用全畫面的全黑及全白的兩個畫面量測出來的對比值，
    代表的就是這台投影機〝白〞可以到多亮、〝黑〞可以到多暗。

2. Intra-Image Contrast Ratio:
    另一種對比就是所謂的〝畫面〞對比，Intra-Image Contrast Ratio，是取〝單一〞畫面中的最暗的部份及最亮的部份所量測的對比。
    而大家也常講的 ANSI Contrast Ratio 是一種被標準化的量測方法所產生的數值，也被業界普遍採用。

3. ANSI Contrast Ratio:
    量測 ANSI C/R 時，是以 4 X 4 黑、白相間的西洋棋格狀圖形（Checkerboard）來量測，是〝畫面〞對比中最嚴苛的量測方式。
    投影機的燈泡投射出來的光線經過投影機的光學系統及顯示元件，光線會在光學系統中產生散射及漫射的現象，讓這樣的圖形該黑的部份，
    泛著一點亮度，而全白的部份變成有一點灰，故 ANSI Contrast Ratio 通常沒辦法像 FOFO Contrast Ratio 般動輒上萬，往往僅有三位數。

FOFO 對比和 ANSI 對比各代表著不同的意義
近來的1080p投影機（特別是採用 LCoS 和 LCD 技術的機種）多以超高的 FOFO 對比值為特色。 採用 DLP 技術的投影機也不惶多讓，至少也要標個一萬的對比，
因為顯示元件特性及光學系統較簡單的原因，DLP 的投影機往往有較好的 ANSI 對比值。

FOFO 對比對家庭劇院投影機來說，代表的意義大多在黑、暗階的表現。在一樣的輸出亮度及調整條件下，有 20,000:1 FOFO 對比值的投影機投出來的全黑畫面，
一定比僅有 2,000:1  FOFO 對比值的投影機投出來的全黑畫面來的黑。2,000:1 投影機的〝黑〞比起 20,000:1 的投影機的〝黑〞在銀幕上比起來，就會比較像〝暗灰色〞。

FOFO 對比大的投影機對於畫面中階調層次的表現較有助益，特別是電影訊源暗場較多的影片更顯得重要。而從量測方式中我們可以了解到 ANSI 對比代表的是在同一畫面中黑
（或暗場）的部份受到其旁邊白色（或亮場）影響的程度，比較像是是黑到白或白到黑的轉換〝純度〞的觀念。

ANSI 對比越高表示在一畫面中，某一部份暗場的階調，較不易受到其旁邊亮場畫面的影響，可以顯示出應有的黑或灰。故量測ANSI對比的環境要求很高，
往往需要在伸手不見五指的環境才會有準確的數字。故單純由ANSI對比值的數字來看，人們會認為 ANSI 對比值較高的投影機會有較好的立體感與景深感。

因人們在用投影機觀賞影片時，對畫面對比的感受是由一連串單一的畫面所組成，故在談論各種對比值對畫面的意義時，
我們應該用〝畫面〞對比（Intra-Image Contrast) 來評量實際播放時畫面對比的高低，而不是用 FOFO 對比
（在實際的觀賞經驗中，畫面很少會從全黑突然轉到全白或全白突然轉到全黑吧！ 而且一黑ㄧ白閃來閃去產生的對比感對大家應該沒什麼意義。）

然而就量測 ANSI 對比的圖形來看，他代表的只是各種〝畫面〞對比的一種狀況，白的佔50%、黑的佔50%。但在實際的觀賞經驗中，有多少時候畫面中的黑、白會比比相鄰，還各佔50%呢?

正因 ANSI 對比是一種〝畫面〞對比，在實際的觀賞中，〝畫面〞對比的組合是千變萬化的，亮、暗場景及物件的位置也不是一成不變，
僅用50%：50%的圖形量測到的值來作判斷也不能完全有代表性。

我們舉個例 ，假設現在有兩台投影機 ...
(兩台的假設皆參考實際市售機台的量測值，價格剛好差不多，B 比 A 貴一些)

A: 是高 FOFO 對比的機型 - FOFO 對比為：12,000:1、ANSI 對比為：350:1
B: 是高 ANSI 對比的機型 -  FOFO 對比為：  4,000:1、ANSI 對比為：650:1

如果我們用電影蜘蛛人變成黑色的時候，當他倒吊在黑暗的大樓前的畫面的場景來舉個例子，在這樣幾乎全是暗場的畫面中，我們用上述兩台投影機來看，整個畫面比較起來，
A 應該會較佔優勢，兩機一比，B的整體暗場畫面會較 A 浮一些，但如果畫面中出現較大片的燈光或鏡頭帶到遠處較亮的一片天空時，我們就可以感覺出來，
B 的明暗對比會較佳，明暗交接處也會較明顯，換句話說就是轉的比較乾淨。當然，這也不過是一個例子而已，我現在沒辦法把各種可能的畫面一個一個的叫出來測。

故網路上有人做了一個 Checkerboard Contrast Calculator 來模擬在不同的黑、白、灰階的組合下所能得到的〝畫面〞對比。

我們將 A、B 兩台投影機的實量數字套到以下的Checkerboard Contrast Calculator：
http://home1.gte.net/res18h39/contrast.htm

假設設定的 Gamma 為2.2，房間的反射增益為 0.01，用投影機來投ANSI的棋盤（Checkerboard pattern）畫面，
在Checkerboard的百分比中我們填入：1、5、10、30、50、80、及100（這些數字代表Checkerboard中白色部份訊號的強度，100為全白、30為暗灰，依此類推。）

所計算出的畫面對比值各為：

A:                                       
1% : 3.14
5:%: 22.45
10%: 54.26
30%: 107.26
50%: 116.33
80%: 119.62
100%: 120.36

B:
1%: 2.13
5%: 11.24
10%: 30.66
30%: 106.15
50%: 135.92
80%: 149.99
100%: 153.33

兩者在各階對比的差異百分比為：
1%: 46.9%
5%: 99.7%
10%: 76%
30%: 1%
50%: -14.4%
80%: -20%
100%: -21.5%

我們可以看到，A 在棋盤圖形的白色部份變暗了以後（模擬暗場較多的畫面），Checkerboard 的畫面對比（Intra-Image Contrast Ratio），從 30% ~ 1% 就會高於B，
而 B 在亮場較多較亮的場合（30% ~ 100%）畫面中對比會較佔優勢。ANSI 對比高的投影機在大部分的場合中的畫面對比皆有較好的表現。

可是從兩者的差距來看 A 型的投影機在暗場較多的畫面具有更明顯的優勢，在 1% 、5%、10% 各為 46.9%、99.7%、及76%，
而 B 型的投影機在明暗對比較大的畫面，雖有較好的對比，兩者相對的差距卻頂多在 20% 左右。在亮場 20% 的對比差異在人類眼睛看起來較不明顯。

另外從這個模擬我們也可以看出來，ANSI 對比高的機型相對的對環境的要求也較高。當我們試著把 Room Gain 調高時， B 型投影機的優勢也就漸漸消失了，
A 型的投影機相對的還是能維持在暗階的優勢。B 的高 ANSI 對比則要在全黑的環境才能顯現。

從上面的說明我們可以知道，FOFO 對比和 ANSI 對比其實各自代表著不同層面的意義，數字好並不代表絕對的優勢。當我們在客觀的評估或選擇一台投影機時，
實測的數據、測試時訊源的內容、投影機當時的調整及設定、銀幕的增益，都會成為影響對比的因素。

從技術層面來看，LCoS 及 LCD 型的投影機要去增強 FOFO 對比較為容易，想去增加 ANSI 對比，會受到顯示晶片上液晶反應特性的影響而受限較多，成本也較高。
透過 FOFO 對比的增加，產生出來的數字效益也較大（平均一年多則增加一倍，少則30% ~ 50%，增加ANSI可沒那麼容易），這是大部分廠商只標FOFO對比的原因，
也是近年來大部分的廠商一直往提高 FOFO 對比努力的原因吧。



投影機亮度的祕密:

亮度的祕密:
既然之前談了對比，接下來就來談談 "亮度"，請注意，我們還沒要談到投影機或電視裡的畫面調整功能中的 "亮度"，而是投影機或電視的 "光輸出" 強度的 "亮度"。

亮度?
"亮度" 往往是玩家在選購投影機或電視機較不會注意到的一個規格。視訊器材的 "光" 輸出或強度，依器材的不同會有不同的標示，投影機往往會用 ANSI 流明 (ANSI lumen) 表示，而平面電視卻使用 nits (cd/m2) 表示，這是為什麼呢?

其實投影機和平面電視所標的這兩個單位所代表的意義完全不同。主要的差異在於，平面電視的 "照明系統" 被一定尺寸的面板所遮蓋起來 (或說用來照明一定尺寸的面板、或說從一定尺寸的範圍發射出來)。而投影機燈泡的光經由鏡頭輸出後，會被使用在不同尺寸的銀幕上，故從銀幕反射出來的“亮度”視銀幕的不同，須計入銀幕尺寸和銀幕特性的變數，故兩者有不同的標示。

輝度 (Luminance)
平面電視用的單位 cd/m2 (請注意，m2 指的是 "平方公尺")，是一種 "輝度" 單位，從單位的特性我們可以說它是: 每平方公尺所發出的 "光度"。

"光度" 的單位符號就是 cd，也就是燭光。

光通量
投影機用的單位是 Lumen，中文稱流明，是一種 "光通量" 單位。就正式一點的說法是: 每單位時間內由光源所發出的光的總能量。

到目前為止，沒問題吧 ...?
本文剛開始的前兩段一直會把亮度兩個字用引號括起來，是想要讓大家在了解正式的名稱前先不要搞混了。就查到有關照明的各種名詞中，正式中文名稱好像沒有用 "亮度" 做正式名稱的。但許多媒體會將輝度 (Luminance) 稱為顯示器產生的亮度 (Brightness)。

可是既然 "亮度" 常被使用來作為形容顯示器材的 "光通量" 或 "輝度"，我們也只好沿用，只是各位要知道 "亮度" 的單位在電視上和投影機所標示的規格上有不同的意義。"輝度" 的定義是現在大家所講的 "亮度" ，而投影機的 "流明" 多被稱為: 光輸出強度。

電視的輝度很明確會被標在電視的規格中，現在的電視大概都有個 400 ~ 500 cd/m2 的輝度。用這個標準買電視大概還差不了多遠就是了。

但投影機的輝度怎麼算呢? 在解說之前，先說明一下，投影機流明的量測就如同對比值的量測般，投影機的廠商也常常在投影機的流明規格上動手腳，而且也成了業界慣例。既然是慣例，有人也許會說那知道就好了，又不會怎樣。一般第一次裝投影機的用家，通常是高興的不得了，忙這把用報紙包起來的 Blu-ray 翻出來看都來不及了，哪管得了這些。偏偏要命的是，因為這個規格的標示所產生的問題，會隨著時間慢慢浮現。

在對比值動手腳，頂多是畫面感覺沒想像中那麼好，或是沒實際進行量測前，我們也不知道罷了。若在投影機的出力上動手腳，就可能讓一個家庭劇院的規劃失敗。若在做家庭劇院規劃時，沒考慮到這些相關因素，家庭劇院做好後，爽度就持續不久了。不爽，不就是大家一直換器材的原動力嗎? 當然，就促進經濟的角度來說，這也不錯…

fL, foot Lambert
言歸正傳，一般來說，電影院中畫面“亮度”的標準，慣例上會採用 SMPTE (美國動畫與電視工程協會) 的建議值 12 ~ 16fL  (fL: 是 foot Lambert 的縮寫)，我們可以把它說成英制的輝度單位。它代表的意義是，在如電影院般沒有外界的光源干擾下 (逃生門的燈號是例外 …)，在播放電影時，SMPTE 建議電影院應維持的畫面亮度範圍。這可是 SMPTE 經科學研究而得到的值。簡而言之，這個範圍對全暗的環境是一個適中的標準，畫面亮度超過時，會不 "酥福"，看不久， 畫面亮度低於 12 fL 時，畫面太暗會看起來不爽 (畫面沒力道、矇矇的)!

可是話說奸商處處有，電影院為了省下更換昂貴的燈泡成本 (一般的電影院都用氙氣燈，不知道氙氣燈好處的人，可以去看看Sony VW-200 投影機的文宣吧！順便了解一下，氙氣燈的價格。) 而言後換燈泡的時機，使得電影院的畫面亮度往往是不足的。

講回到家庭劇院來，我們在規劃家庭劇院時，對畫面亮度的基本要求是不是也至少要符合 SMPTE 的要求呢? 因為家庭劇院往往無法做到全暗，也不會總是播電影，故畫面亮度的要求應該還要比電影院高，以經驗來說希望至少要有 16fL ~ 24fL 的水準才較適用於家庭劇院。這是規劃家庭劇院的第一個也是最重要的標準，為什麼? 待會兒為各位分曉!

好現在我們要搬出第一個計算式了，假設我們要裝的投影機的光輸出強度規格為: 900 ANSI Lumen (會用 ANSI Lumen 標規格的廠商或會這樣刊的雜誌，算是有 sense 的，原因待會而補充)，如果我要用上 123" (對角；16:9) 的幕，會夠亮嗎? 在採購前如果可以先算算，就是踏出正確的第一步了。 (＊為什麼要用在這麼少見的尺寸，容後再表。)

算法如下
1. 先算銀幕面積：
    123" (對角) = 107" x 60" = 44.583 平方呎  
    (＊有沒有看到? 123" (對角) = 107" x 60" 尺寸的銀幕，
      在英制的世界中，123" 對角，16:9 的幕，長寬會較接近整數。)

2. 姑且先相信廠商的規格 900 ANSI lumen，將 900 除以 44.583 平方呎會得到:
    900/44.583 = 20.19 fc (fc = foot candela，呎燭光，是一種照度單位）

    如果廠商的數據是確實的話，這表示該投影機在這個銀幕的面積上會有
    20.19 foot candela的 "照度" (Illuminance)。

    什麼是照度？就將它想成投影機的光輸出"照" 在這個尺寸銀幕上的強度。

3. 再來，如果你有銀幕的增益值的話，
    (這可以寫另一個迷思的文章，也是個充滿無知廠商的唬爛值，以後再寫。)
    用步驟 2 算出來數字乘上銀幕增益值，就可以得到投影機和這個銀幕搭配出來的 "輝度" 值了。
    假設我們銀幕的增益是 1.3 的話 ...
    20.19 fc x 1.3 = 26.247 fL

這表示這樣的輝度可以符合，我們剛剛設的 16 ~ 24 fL 的標準。

如果投影機廠商標的值較實際的為高，我們將它打個八折，也還有 21 fL 的輝度。

過一陣子後，通常是 100 個小時左右，投影機的亮度會再掉個兩成的話，我們還可以得到 13.44 fL 的亮度！

現在我們彙整一下剛剛的計算：

畫面輝度 (Luminance, fL) = 投影機的流明數 / 銀幕的面積 (平方英呎)＊ 銀幕的增益
以上例來說，如果這台投影機的燈泡用超過100個小時後，燈泡亮度會繼續下降，當畫面輝度低於 8 fL ~ 10 fL 時，多數人都會想換燈泡了。

如果這 900 流明是實際的出力，假設投影機燈泡的出力會在每個階段衰退 20%
在前 100 小時      : 畫面輝度約 = 26.25 fL
100 ~ 500 小時  : 畫面輝度約 = 21 fL
500 ~ 1000小時 : 畫面輝度約 = 16.8 fL

在這樣的狀況下，燈泡用到 1,000 小時的時候，通常還會有不錯的亮度，更何況，在投影機還是新的時候，將燈泡的輸出調低，同時可以將畫面亮度調至適當程度，還可以延長燈泡壽命。

假設我們很貪心，硬要用上 150" 對角，16:9 的銀幕，假設銀幕的增值仍是 1.3，會是怎樣的情形:
畫面的輝度剛開始會有 17.52 fL，
100 ~   500 小時 :畫面輝度約 = 14 fL
500 ~ 1,000小時 :畫面輝度約 = 11.2 fL

在這樣的狀況下，燈泡用到 1,000 小時的時候，亮度就差強人意了。這也是大部分人想換燈泡、或藉口要換投影機的時候。

另外要注意的是，我們剛剛的假設: "影機燈泡的出力會在每個階段衰退 20%"，在實際的狀況下，燈泡的衰退是更快速的，特別是在全開的狀況下。

結論
另外，剛剛也有提到 ANSI Lumen，一講到 ANSI，我們就會想到，它是一種被認可的、較公平的量測方法。我們都知道，投影機的投在銀幕上的亮度，在中間往往是最高的，亮度越往旁邊就越遞減。想在亮度作文章的投影機，就會取畫面中央的值來充當投影機的輸出。在“投影機對比值的迷思”文中提到的 ANSI  Contrast，也是在類似的思考中產生的，所以 ANSI 流明也是將畫面分割成九等份，再以這九個量測值進行平均所得到的值。

當然規劃使用投影機的家庭劇院，上面所述並不包含全部的層面，還要考慮房間的大小、座位的安排…等等。但請將畫面輝度當成是首要的考量，接下來我會用兩個case來討論一下這個主提的重要性。

如果各位有花時間看看這兩篇文，其實除了希望各位能對投影機相關的一些基本觀念有所了解外，更希望能藉由先了解技術的根本與科學背景，而後將 "影像重播" 的技術變成進入欣賞影像背後的創作藝術的基本工具，若再進一步的話還希望將 "影像重播" 變成藝術，進而與影像的創作相互輝映。有某影音界的重要人物在某雜誌社的論壇提到以下類似的言論:"影像的調整是一門藝術，數據和方法並不重要。" 這樣的說法只有在: 調整影像的人用了符合科學的方法時才成立。但是似是而非的論調卻將基本的影像調整的科學面 (是面，不是麵) 踐踏在地上。

希望在各位，新的一年可以發揮"精"、"研" 的精神，繼續更上一層樓。