Kalibracja kolorymetryczna monitorów wielkoformatowych

Kalibracja monitorów, w szczególności wielkoformatowych, jest od dłuższego czasu dość popularnym trendem wśród producentów chcących wyróżnić swoje produkty na rynku. Niestety pojęcie sprzętowej kalibracji kolorów jest równie często nadużywane do funkcjonalności jedynie imitującej tę ciekawą funkcję. W poniższym materiale przybliżymy Państwu pojęcie sprzętowej kalibracji kolorów oraz postaramy się wyjaśnić, na czym polega.

Sprzętowa kalibracja kolorów w oryginalnym znaczeniu oznacza możliwość zaprogramowania wewnętrznego procesora kolorów, tak zwanej tablicy LUT (look up table) monitora. Wielu producentów używa zwrotu „sprzętowa kalibracja kolorów” do określenia marketingowej nazwy funkcjonalności pozwalającej w większym lub mniejszym zakresie wyregulować podstawowe parametry obrazu, często przy użyciu kolorymetru lub aparatu fotograficznego, skomunikowanego z monitorami za pomocą oprogramowania do tego przeznaczonego. Pełna kalibracja sprzętowa powinna umożliwić wyregulowanie następujących parametrów monitora lub zestawu monitorów, np. ściany wideo: • skorelowanej temperatury barwowej • koordynatów chromatycznych punktu bieli • jasności bieli • jasności czerni • krzywej półtonalnej. Dodatkowo w bardzo nowoczesnych monitorach dysponujących tablicami 3D LUT możliwa jest fizyczna zmiana maksymalnej rozpiętości gamutu barwowego, a co za tym idzie – maksymalnej saturacji poszczególnych barw składowych. W większości przypadków za skalibrowany gamut barwowy uznaje się natywny gamut barwowy cechujący się następującymi wartościami kolorantów R,G,B, zgodnie z diagramem CIExy:
• skorelowanej temperatury barwowej
• koordynatów chromatycznych punktu bieli
• jasności bieli
• jasności czerni
• krzywej półtonalnej.
Dodatkowo w bardzo nowoczesnych monitorach dysponujących tablicami 3D LUT możliwa jest fizyczna zmiana maksymalnej rozpiętości gamutu barwowego, a co za tym idzie – maksymalnej saturacji poszczególnych barw składowych. W większości przypadków za skalibrowany gamut barwowy uznaje się natywny gamut barwowy cechujący się następującymi wartościami kolorantów R,G,B, zgodnie z diagramem CIExy:
R = x:0,653 +/-0,005, y:0,333 +/- 0,005
G = x:0,338 +/-0,005, y:0,603 +/-0,005
B = x:0,168 +/-0,005, y:0,072 +/-0,005
Żeby dobrze zrozumieć sprzętową kalibrację kolorów, musimy zrozumieć podstawowe pojęcia z nią związane:
Temperatura bieli
Poprawne wyświetlanie barw na monitorze ciekłokrystalicznym wiąże się z poprawnym odwzorowaniem temperatury bieli – skorelowanej temperatury barwowej. Temperatura barwowa to temperatura ciała doskonale czarnego, w której wysyła ono promieniowanie tej samej chromatyczności co promieniowanie rozpatrywane. Skorelowana temperatura bieli określa zabarwienie barwy białej na ekranie monitora. Im temperatura bieli jest wyższa, tym biel staje się bardziej niebieskawa, a więc chłodna. Jeżeli temperatura bieli jest niska, biel jest bardziej czerwonawa, a jej zabarwienie kolorów na ekranie monitora staje się ciepłe. W większości monitorów wielkoformatowych LCD podświetlenie ekranu emituje światło o skorelowanej temperaturze bieli z zakresu 10 000–11 000 K.
Kontrast
Kontrast monitora podawany jest w postaci stosunku określonej liczby do jedności, np. 1000:1. Stosunek ten oznacza, ile razy wyświetlana na ekranie monitora jaskrawa biel jest jaśniejsza od wyświetlanej czerni przy takiej samej mocy podświetlenia. Jest to tak zwany klasyczny kontrast statyczny, który jesteśmy w stanie zaobserwować przy praktycznie dowolnej scenie dysponującej dwoma barwami białą i czarną. Obecne monitory LCD cechuje kontrast na poziomie od 500:1 do 5000:1. Kontrast monitora zależy przede wszystkim od użytego do produkcji panelu; w przypadku paneli PVA lub MVA kontrastowość statyczna będzie zdecydowanie wyższa niż w panelach IPS. Tablica LUT Tablica LUT (look up table) w monitorze to układ elektroniczny służący do wykonywania dyskretnej funkcji konwersji sygnału wejściowego na dane wartości wyjściowe. Za pomocą tablicy LUT możliwa jest korekcja wyświetlanego obrazu. W przypadku, jeżeli monitor ma tablicę LUT tej samej rozdzielczość co sygnał wejściowy, korekcja nie jest możliwa i nie ma większego sensu, ponieważ układ elektroniczny nie ma możliwości wyboru dodatkowych wartości. Jeżeli F jest funkcją transformacji, W1 to wartość źródłowa, a W2 to wartość wynikowa, wówczas za pomocą tablicy LUT dyskretną funkcję transformacji wyznaczamy następująco:
W2=F(W1)=LUT[W1]
W monitorach spotykamy się z dwoma podstawowymi rodzajami tablic LUT. Tablicą LUT na stałe zaprogramowaną oraz taką która można przeprogramowywać za pomocą specjalnego oprogramowania. Tablica LUT jest wstępnie organizowana na poziomie produkcji danego monitora, jest ona programowana fabrycznie dla zestawu pomiarów dokonywanych w czasie produkcji danego modelu monitora. Bardziej zaawansowany model tablicy LUT umożliwia jej programowanie. Tego rodzaju tablice stosowane są zazwyczaj w monitorach profesjonalnych, graficznych oraz medycznych. Programowalna tablica LUT charakteryzuje się zazwyczaj rozdzielczością większą niż rozdzielczość sygnału wejściowego. Przykładowo dla monitora ośmiobitowego (po 8 bit na każdy kanał podstawowy R, G, B) programowalna tablica LUT jest zazwyczaj dwunastobitowa. W nowoczesnych rozwiązaniach graficznych stosowane są tablice LUT o rozdzielczości 14 bit na kanał, mogące zapisać po 16 384 odcieni każdej składowej palety R, G, B. Programowanie tablicy LUT jest koniecznością w przypadku chęci dostosowania monitora do indywidualnych potrzeb użytkownika. Tego typu tablice stosowane są w szczególności do monitorów z funkcją kalibracji sprzętowej.
Krzywa gamma
Krzywa gamma jest to funkcja odpowiedzi elektroniki monitora na zakres podanego napięcia wejściowego. Krzywa gamma związana jest z nieliniowym postrzeganiem przez człowieka zakresu liniowej zmiany jasności światła. Przykładowo, po wyświetleniu na ekranie monitorowym, charakteryzującym się współczynnikiem krzywej gamma równym 1, rozkład nasycenia i jasności prezentowany byłby liniowo. Obserwator zauważyłby bardzo mocne wypalenie obrazu, a kontrastowość w takim przypadku byłaby bardzo niska. Jeżeli wyobrazilibyśmy sobie wyświetlany na monitorze gradient (przejście tonalne) pomiędzy kolorem białym i czarnym i dokładnie w połowie wyświetlany byłby odcień o wartości R128, G128, B128, obserwator – zapytany o połowę przedziału lub połowę nasycenia – wskazałby punkt leżący całkowicie w innym miejscu. Krzywa gamma ma za zadanie kompensację nieliniowej charakterystyki czułości wzroku na natężenie światła. Zazwyczaj w informatyce oraz obróbce koloru stosuje się krzywą gamma o współczynniku 2.2. Gamma = V2.2.
Korekcja krzywej gamma
Podczas gdy regulacja jasności monitora pozwala ustawić poziom luminescencji bieli w całym obrazie, istnieje możliwość osobnego ustawienia tego poziomu dla cieni średnich jasności i miejsc jasnych. W tym celu należy skorzystać z tzw. korekcji krzywej gamma. Taką korekcję można przeprowadzać dla obrazów szarych i kolorowych. Pozioma oś wykresu reprezentuje odcienie szarości występujące w obrabianym obrazie, od najjaśniejszego do najciemniejszego. Oś pionowa reprezentuje przedział odcieni występujący w obrazie już poddanym korekcji gamma. Poszczególne punkty na wykresie odzwierciedlają, jak dany odcień (czyli współrzędna X tego punktu) będzie reprezentowany (współrzędna Y) w nowej skali szarości – po korekcji. Brak korekcji jest zatem reprezentowany na wykresie jako linia prosta o kącie nachylenia 45°, gdyż wartości pionowe równają się poziomym, tj. wartość gamma równa się 1. Poniższy wykres nazywany jest krzywą gamma lub krzywą półtonalną. W analogiczny sposób można korygować kolory podstawowe: red – czerwony, green – zielony, blue – niebieski, lub RGB – wszystkie trzy jednocześnie. Trzy rodzaje kalibracji monitorów Zanim przejdziemy do opisu sposobów kalibracji monitorów, warto podkreślić, że monitory LCD, niezależnie od ich przeznaczenia, fabrycznie ustawiane są do parametrów spełniających ich specyfikację. Przeważnie wymagają dodatkowej regulacji w mniejszym lub większym zakresie, wszystko zależy od jakości monitora oraz sposobu jego wykorzystania. Inaczej ustawione powinny być monitory wielkoformatowe wykorzystywane w studiu TV, inaczej w pokoju kontrolnym czy też na witrynie sklepowej. Wiele zależy również od tego, w jakim standardzie zechce pracować użytkownik. Większość producentów pozwala na niewielką regulację w zakresie nasycenia trzech podstawowych składowych barw R, B, G. Możliwość sterowania kanałami nasycenia barw realizowana jest zazwyczaj za pomocą menu OSD. Bardziej zaawansowane monitory mają możliwość sześcioosiowego sterowania zarówno barwami podstawowymi R, G, B, jak i wtórnymi C, M, Y. Jest również grupa najtańszych produktów pozbawiona możliwości sterowania nasyceniem kanałów R, G, B. W takim przypadku użytkownik ma najczęściej do wyboru kilka zaprogramowanych wcześniej trybów pracy panelu. Jeżeli chodzi o możliwości regulacji monitora, dostępne są trzy techniki. Każda z nich wymaga użycia urządzenia mierzącego barwę, może być to kolorymetr, spektrofotometr lub spektroradiometr. Bez możliwości pomiaru rzeczywiście wyświetlanego koloru nie jesteśmy w stanie dokonać żadnej korekty monitora.
Adjustacja
Najbardziej podstawową metodą korekcji ustawień monitora jest jego adjustacja. Do adjustacji, oprócz monitora, potrzebny jest kalibrator (kolorymetr, spektrofotometr etc.) oraz oprogramowanie analizujące wyświetlany obraz. Za pomocą techniki adjustacji możemy dostosować następujące parametry monitora: jasność bieli, temperaturę kolorów, kontrast, poziom czerni. Adjustacja polega na regulacji trzech kanałów podstawowych R, G, B. Za pomocą oprogramowania ustawiamy żądane parametry świecenia monitora, a następnie wykonujemy szereg czynności dążących do odpowiedniego ustawienia monitora. Po pierwsze, regulacji podlega jasność świecenia panelu, w tym jasność czerni oraz jasność bieli, później regulowane są kanały R, G, B. Efektem adjustacji jest częściowa zmiana fizycznych ustawień monitora. Dzięki adjustacji jesteśmy w stanie skorygować ustawienia monitora. Jeżeli nie jest możliwa kalibracja sprzętowa, w celu prawidłowego ustawienia monitora powinniśmy wykonać adjustację, a następnie kalibrację programową. Co umożliwia adjustacja?
1. Korekcję skorelowanej temperatury barwowej.
2. Korekcję jaskrawości.
3. Korekcję poziomu czerni.
4. Korekcję kontrastowości obrazu.
Kalibracja programowa Jeżeli dysponujemy monitorem pozbawionym możliwości programowania tablicy LUT (look up table), jedyne, co możemy wykonać, to kalibracja programowa lub adjustacja monitora oparta o dane pochodzące z analizy monitora za pomocą kolorymetru lub spektrofotometru. Analizator w czasie procesu kalibracji sprawdza wartości poszczególnych składowych kolorów w zakresie skorelowanej temperatury bieli, jaskrawości czy też jasności czerni. Ze względu na brak możliwości zmiany jakichkolwiek nastaw samego monitora, oprogramowanie dokonuje ingerencji w tablicę LUT karty graficznej komputera. Ingerencja programowa w ustawienia karty graficznej pozwala osiągnąć pożądany efekt. Dodatkowo za pomocą tablicy LUT regulowana jest jasność bieli monitora, poziom czerni, a co za tym idzie – również jego kontrast. Warto pamiętać, że kalibracja programowa dostępna jest jedynie wówczas, jeżeli monitor wielkoformatowy podłączony jest do komputera dysponującego systemem umożliwiającego zarządzenie kolorem za pomocą profili barwnych. Bez tej możliwości kalibracja programowa nie jest możliwa. 
Co umożliwia kalibracja programowa?
1. Korekcję skorelowanej temperatury barwowej z ograniczeniem palety kolorów.
2. Korekcję jaskrawości z ograniczeniem palety kolorów.
3. Korekcję poziomu czerni z ograniczeniem palety kolorów.
4. Korekcję kontrastowości obrazu z ograniczeniem palety kolorów.
5. Korekcję krzywej gamma karty graficznej w celu linearyzacji panelu LCD również z ograniczeniem palety kolorów.
Ogólnie rzecz biorąc, kalibracja programowa jest mocno niezalecana, a stosuje się ją jedynie w przypadku pojedynczych monitorów, zazwyczaj biurkowych. 
Kalibracja sprzętowa
Kalibracja sprzętowa jest dużo skuteczniejsza niż adjustacja oraz kalibracja programowa. Jej ideą jest możliwość korekcji parametrów wyświetlania wewnątrz samego monitora. Kalibracja sprzętowa to inaczej możliwość monitora do zaprogramowania nowych parametrów wewnętrznej tablicy LUT. Warunkiem dokonania takiej korekty jest wyższa rozdzielczość tablicy LUT niż wejściowego sygnału i samego panelu. Jeżeli zatem monitor przyjmuje sygnał wejściowy o rozdzielczości 8 bit na każdy kanał R, G, B i panel monitora jest ośmiobitowy, zatem tablica LUT powinna cechować się rozdzielczością co najmniej 10 bit na każdy kanał. Zaawansowane monitory wielkoformatowe z paletą 16,7 mln docierających do monitora kolorów mogą stworzyć rozrzedzoną paletę, składającą się już z ponad 1 mld barw, a następnie dokonać korekcji wynikowych. 
Co umożliwia kalibracja sprzętowa?
1. Pełną korekcję skorelowanej temperatury barwowej.
2. Pełną korekcję jaskrawości.
3. Pełną korekcję poziomu czerni.
4. Pełną korekcję kontrastowości obrazu.
5. Pełną korekcję krzywej gamma do dowolnej wartości np. 2.2.
6. W przypadku tablic 3D LUT korekcję gamutu barwowego monitora.
Podsumowanie
Kalibracja sprzętowa wśród wielu producentów nie oznacza standardowej kalibracji sprzętowej polegającej na możliwości zaprogramowania tablicy LUT monitora, a często jedną z opisanych w artykule metod regulacji panelu. Warto również pamiętać, że pełna kalibracja sprzętowa może być przeprowadzona tylko za pomocą oprogramowania tego samego producenta co monitor. Oczywistym jest, że producent monitora nie udostępnia informacji o dostępie do procesora sterującego firmom trzecim. Na rynku dostępnych jest wiele uniwersalnych zestawów kalibracyjnych umożliwiających w najlepszym wypadku precyzyjną adjustację monitora, niemniej w żadnym przypadku nie pozwalają one w pełni skalibrować wszystkich parametrów wyświetlania.

TEKST: Wojciech Kosek