Czy „ładny” kształt krzywej gamma świadczy o prawidłowej reprodukcji kolorów? Nauczmy się, jak interpretować gammę monitorów LCD

Opublikowano: Listopad 30, 2012

Problemy takie, jak złe odwzorowanie obrazu w ciemnych obszarach, przepalone obszary jasne czy obrazy przygotowane na komputerach Mac wyglądające zbyt ciemno na komputerach z Windows, są bardzo często spowodowane nieodpowiednimi charakterystykami gamma. W tym artykule omówimy parametr gamma, który ma istotny wpływ na reprodukcję kolorów na monitorach LCD. Zrozumienie, jak działa gamma jest przydatne zarówno w zarządzaniu kolorami (color management), jak i przy wyborze monitora. Wszyscy, którzy doceniają wysoką jakość kolorów, powinni zapoznać się z tą informacją.

* Uwaga: Poniższy tekst jest tłumaczeniem z japońskiego, artykułu zamieszczonego w ITmedia „Czy ładny kształt krzywej gamma świadczy o prawidłowej reprodukcji kolorów? Nauczmy się jak interpretować gammę monitorów LCD.” („Is the Beauty of a Curve Decisive for Color Reproduction? Learning About LCD Monitor Gamma”) opublikowanego 13 lipca 2009r. Copyright 2011 ITmedia Inc. All Rights Reserved.

Czym jest więc ta gamma monitora?

Słowo gamma pochodzi od trzeciej litery alfabetu greckiego, pisana dużą literą wygląda tak – Γ, a małą literą tak – γ. Słowo gamma możemy też często spotkać w życiu codziennym, w nazwach i zwrotach takich jak „promieniowanie gamma”, gwiazda o nazwie Gamma Velorum, czy gamma-GTP (transpeptydaza gamma-glutamylowa – enzym wskaźnikowy związany z przemianą aminokwasów). W terminologii związanej z przetwarzaniem obrazu, słowo to ogólnie odnosi się do jasności wyświetlania tonów pośrednich (szarości).

Omówmy nieco więcej szczegółów. W środowisku PC przy pracy z kolorami współpracują ze sobą różne urządzenia, takie jak monitory, drukarki czy skanery. Urządzenia te wprowadzają i generują informacje o kolorach do i z każdego z nich. Ponieważ każde z tych urządzeń ma swoją własną, unikalną charakterystykę przetwarzania kolorów, to dane o kolorach nie mogą być takie same na wyjściu, jak na i na wejściu. Sposób przetwarzania kolorów pomiędzy wejściem a wyjściem z urządzenia, jest właśnie nazywany charakterystyką gamma.

Kolor wyświetlany na monitorze komputera powstaje w wyniku połączenia trzech składowych kolorów podstawowych: czerwonego (R – red), zielonego (G – green) i niebieskiego (B – blue). Do zapisu każdej składowej koloru (RGB) jest używanych 8 bitów (28 = 256 odcieni) danych. Często spotykana wartość około 16,77 milionów kolorów (znana również pod nazwą „full color”),\ jest wynikiem pomnożenia przez siebie ilości odcieni w każdej składowej – 2563 (256 odcieni R * 256 odcieni G * 256 odcieni B).

O ile niektóre monitory potrafią również przetwarzać kolory z 10-bitową dokłądnością na każdą składową RGB (210 = 1024 odcieni) lub 10243 (około 1 064 330 000 kolorów), to niestety brakuje wsparcia dla takich monitorów ze strony systemu operacyjnego i oprogramowania. Obecnie standardowym środowiskiem dla monitorów komputerowych jest właśnie 16,77 milionów kolorów, po 8 bitów na każdą składową RGB.

Kiedy komputer i monitor wymieniają między sobą dane o kolorach, to idealna relacja między nimi byłaby, gdyby każdy z 8 bitów składowych kolorów RGB wysyłanych z komputera mógł być odbierany 1:1 przez monitor – relacja liniowa między wyjściem a wejściem. Jednak ponieważ komputer i monitor mają różne charakterystyki gamma, to  informacja o kolorach nie jest przesyłana w zależności 1:1.

Jak ostatecznie wyglądają kolory w związku pomiędzy wartościami gamma (γ), które numerycznie oddają charakterystykę gamma każdego z urządzeń. Jeśli wejściową informację o kolorze oznaczymy jako x, a wyjściową jako y, to związek pomiędzy nimi po zastosowaniu wartości gamma może być określony wzorem y = xγ.

gamma_01

Charakterystyka gamma jest reprezentowana przez równanie y = xγ. Idealna wartość gamma to 1,0, czyli y = x; ale ponieważ każdy monitor ma swoją własną unikalną charakterystykę gamma (wartość gamma), to zwykle y nie jest równe x. Powyższy rysunek przedstawia krzywą dostosowaną do standardowej dla systemu Windows wartości gamma =2,2 oraz dla systemu Mac OS wartości gamma = 1,8.

Zazwyczaj, natura gammy monitorów jest taka, że średnie tony mają tendencję do bycia ciemniejszymi niż powinny. W związku z tym, należy dołożyć starań, aby podczas wymiany informacji o kolorach, przesyłane na wejście monitora sygnały o tonach pośrednich zostały odpowiednio rozjaśnione i żeby porównanie obrazu wejściowego z wyjściowym dało stosunek 1:1. Modyfikowanie informacji o kolorach tak, aby charakterystyki gamma urządzeń pasowały do siebie jest nazywane korekcją gamma.

gamma_02

Prosty system korekcji gamma. Jeśli zestawimy ze sobą charakterystykę gamma monitora z wejściową informacją o kolorze, to przy odpowiednio dobranych wartościach korekcji gamma (np. rozjaśnione tony pośrednie), kolor wynikowy będzie zbliżony do ideału y = x. Ponieważ generalnie korekcja gamma jest przeprowadzana automatycznie, to zazwyczaj użytkownicy mogą otrzymać w miarę poprawny obraz na monitorze komputera, bez większej trudności. Jednakże dokładność korekcji gamma będzie różna u różnych producentów i między różnymi modelami monitorów (więcej szczegółów poniżej).

Gamma a związek pomiędzy systemem operacyjnym a monitorem LCD

W większości przypadków, jeśli komputer działa pod systemem operacyjnym Windows, to można osiągnąć bliskie ideałowi kolory, korzystając z monitora o wartości gamma 2,2. Wynika to z tego, że Windows zakłada właśnie taką gammę jako domyślną wartość. Większość monitorów LCD jest projektowanych w oparciu, o właśnie takie założenie.

W systemie Mac OS standardową wartością gamma dla monitorów jest 1,8. Działa tu dokładnie ta sama zasada, co w systemie Windows. Najbliższe ideałowi kolory osiągniemy, podłączając komputery z Mac OS do monitorów skonfigurowanych na wartość gamma na poziomie 1,8.

gamma_03

Przykład tego samego obrazu, wyświetlanego przy wartości gamma 2,2 (po lewej) i 1,8 (po prawej). Przy wartości 1,8 cały obraz jest jaśniejszy. Użyto 20-calowego panoramicznego monitora EIZO EV2023W FlexScan (za stroną ITmedia).

Aby usprawnić zarządzanie kolorami w mieszanym, Windowsowo – Makowskim środowisku, dobrym pomysłem jest ustandaryzowanie wartości gamma między obydwoma systemami. O ile w przypadku Mac OS jest to proste zadanie, to już system Windows nie posiada standardowo takiej funkcji. Ponieważ pod Windowsem użytkownicy mogą dokonywać ustawień kolorystycznych poprzez sterownik karty graficznej lub osobnego oprogramowania do takiej korekcji, zmiana wartości gamma może się okazać nieoczekiwanie złożonym zadaniem. Jeśli monitor używany w środowisku Windowsowym posiada możliwość zmiany wartości gamma, to osiągnięcie dokładniejszych rezultatów będzie znacznie łatwiejsze.

Jeśli wiemy, że konkretny obraz został przygotowany w środowisku Mac OS z gamma o wartości 1,8 lub otrzymaliśmy obraz od użytkownika komputera Mac i jest on nienaturalnie ciemny, to po ustawieniu gammy monitora na wartość 1,8 powinniśmy zobaczyć obraz w kolorach, jakie były zamierzone przez jego twórcę.

gamma_04

Monitory LCD firmy Eizo Nanao pozwalają użytkownikom na łatwe konfigurowanie wartości gamma z poziomu ekranowego menu OSD. Standardowo monitory są skonfigurowane na wartość gamma 2,2, jednak do wyboru jest wiele gotowych ustawień, w tym standardowa dla Mac OS gamma 1,8.

Małą dygresja, różniące się między sobą standardowe wartości gamma w systemach Windows i Mac OS mają związek z różnymi ich historiami i koncepcjami w projektowaniu tych dwóch systemów.  Windows zaadoptował wartość gamma właściwą dla telewizji (2,2), podczas gdy w Mac OS przyjęto wartość odpowiednią dla komercyjnych drukarek (1,8). Mac OS ma długą historię współpracy z przemysłem drukarskim i aplikacjami DTP, w których to zastosowaniach gamma na poziomie 1,8 jest podstawową wartością, również teraz. Z drugiej zaś strony, gamma o wartości 2,2 jest standardem w przestrzeni kolorów  sRGB, dla Internetu i ogólnie dla cyfrowych treści oraz dla Adobe RGB, i której zastosowanie rozrosło się, pokrywając obszar wydruków szeroko-zakresowych (wide-gamut).

Wewnętrzna korekcja gamma poprawia wyświetlanie odcieni w monitorach LCD

Na poprzedniej stronie wspomnieliśmy, że standardową wartością gamma w systemie Windows jest 2,2 i że wiele monitorów może być ustawionych do tej wartości. Jednakże, każdy monitor LCD (lub panel LCD w nim użyty) ma swoje własne tendencje, utrudniając utworzenie gładkiej krzywej gamma o wartości 2,2.

Zwykle panele LCD mają pofalowane krzywe gamma, ze wzniesieniami i zagłębieniami tu i ówdzie, powodującymi odchylenia w składowych kolorów RGB. Zjawisko to jest głównie zauważalne w ciemnych i jasnych odcieniach, często odbierane okiem użytkownika jako tonalne przeskoki, odchylenia kolorów lub zacieranie różnic w kolorach.

Wbudowanie w monitory LCD funkcji wewnętrznej korekcji kolorów, pozwala na skorygowanie tych nieregularności krzywej gamma i osiągnięcie idealnej zależności y = xγ, a o monitorze takim możemy powiedzieć, że został stworzony z myślą o jakości obrazu. W specyfikacji monitora możemy znaleźć szczególnie przydatną pozycję, która pomoże nam ustalić, czy monitor posiada funkcję wewnętrznej korekcji gamma. Jeśli w pozycji mówiącej o maksymalnej ilości kolorów znajdziemy wartość około 1 064 330 000 lub 68 miliardów kolorów lub, jeśli specyfikacja podaje, że tablica look-up (LUT) jest 10- lub 12-bitowa, to możemy uznać, że monitor posiada wewnętrzną korekcję gamma.

Funkcja wewnętrznej korekcji gamma wykorzystuje multigradację i re-alokowanie kolorów.  Podczas gdy sygnał z komputera do monitora LCD zawiera informację o kolorze w formie 8 bitów na każdą składową RGB, to w monitorze LCD jest stosowana do niego multigradacja zwiększająca rozdzielczość do 10 bitów (dając około 1 064 330,000 kolorów) lub do 12 bitów (około 68 miliardów kolorów). Następnie w tabeli LUT jest odnajdywany optymalny 8 bitowy kolor RGB (około 16,77 milionów kolorów) i wyświetlany na ekranie. W ten sposób korygowane są nieregularności w krzywej gamma i odchylenia w składowych kolorów RGB, dając w rezultacie na ekranie obraz osiągający idealną zależność y = xγ.

Rzućmy okiem na termin LUT. LUT jest tabelą zawierającą wyniki pewnych wcześniej wykonanych obliczeń wstępnych. Wyniki potrzebnych do przeprowadzenia na bieżąco obliczeń, mogą szybko i prosto zostać uzyskane przez odwołanie się do danych, znajdujących się w tablicy LUT, już bez wykonywania tych obliczeń. Przyspiesza to proces przetwarzania obrazu i zmniejsza obciążenie systemu. Tablice LUT w monitorach LCD zawierają optymalne dane ośmiobitowych składowych kolorów RGB powiązane z danymi kolorów zmultigradowanych do 10 lub więcej bitów.

gamma_05

Objaśnienie funkcji wewnętrznej korekcji gamma. Ośmiobitowe wejściowe informacje o kolorach wprowadzane z komputera są poddawane multigradacji do 10 lub więcej bitów. Następnie są przemapowywane do optymalnych ośmiobitowych odcieni RGB zawartych w tablicy LUT. W rezultacie wewnętrznej korekcji gamma osiągana jest idealna krzywa gamma i znacząco poprawiane wyświetlanie na ekranie gradacji odcieni i reprodukcja kolorów.

Monitory LCD firmy Eizo Nanao proaktywnie stosują funkcję wewnętrznej korekcji gamma. W modelach zaprojektowanych specjalnie do wyświetlania obrazów w najwyższej jakości i w niektórych modelach z serii ColorEdge, przeznaczonych do zarządzania kolorami, ośmiobitowe wejściowe sygnały RGB z komputera są poddawane multigradacji i obliczeniom wykonywanym z dokładnością 14 lub 16 bitową. Kluczowym powodem wykonywania tych obliczeń przy większej wartości bitowej niż dane w tabeli LUT, jest jeszcze większe poprawienie gradacji, szczególnie przy wyświetlaniu ciemnych odcieni. Użytkownicy wymagający najwyższej jakości odwzorowywania kolorów powinni najpewniej wybrać któryś z tych modeli.

Więcej informacji na temat LUT znajdziesz w artykule: Maksymalna ilość kolorów i tabele Look-Up: Dwa zagadnienia istotne przy wyborze monitora (Maximum Display Colors and Look-Up Tables: Two Considerations When Choosing a Monitor). http://www.eizo.com/global/library/basics/maximum_display_colors/index.html

Sprawdzanie wartości gamma monitora LCD

Kończąc, na podstawie omówionych powyżej zagadnień, przygotowaliśmy obraz ze wzorami ułatwiającymi sprawdzenie wartości gamma monitora LCD. Spójrz bezpośrednio na swój monitor LCD, odsuń się trochę od ekranu i przypatrz się obrazkowi przez na wpół przymknięte powieki. Porównaj wizualnie kwadratowe ramki z paskowanym polem wokół nich i znajdź taką ramkę, która wydaje się mieć ten sam odcień szarości (jasność) co otoczenie. Odczytaj wartość gamma przy wzorze, dla którego kwadratowa ramka i paskowane pole mają najbardziej zbliżone jasności. To właśnie przybliżona gamma, na jaką aktualnie jest skonfigurowany twój monitor.

gamma_06

Przy założeniu, że docelowa wartość gamma ma wynosić 2,2, jeśli kwadratowa ramka wydaje się ciemniejsza, to gamma monitora jest zbyt niska. Jeśli ramka wydaje się jaśniejsza, to gamma monitora jest zbyt wysoka. Możesz dostroić wartość gamma, zmieniając jasność monitora LCD lub ustawienie jasności w menu sterownika karty graficznej.

Naturalnie dostosowanie gammy jest jeszcze łatwiejsze, jeśli korzystasz z modelu monitora zaprojektowanego z myślą o takiej możliwości, jak w przypadku monitorów LCD EIZO. Aby uzyskać jeszcze lepsze odwzorowanie kolorów, możesz ustawić wartość gamma i zoptymalizować reprodukcję kolorów kalibrując swój monitor.