Maksymalna ilość kolorów i tabele Look-Up: Dwa zagadnienia istotne przy wyborze monitora

Opublikowano: Listopad 30, 2012

W tym artykule przyjrzymy się gradacjom wynikającym z maksymalnej ilości możliwych do wyświetlenia kolorów oraz tabelom Look-Up (LUT). Podczas gdy cechy te wykraczają poza czynniki brane pod uwagę przez przeciętnego użytkownika podczas wyboru monitora, to mają one istotny wpływ na reprodukcję kolorów. Bardzo zaleca się zrozumienie tych zagadnień użytkownikom poszukującym monitora LCD do zastosowań w aplikacjach wymagających precyzji w zakresie kolorów, takich jak obróbka fotografii czy prace projektowe.

* Uwaga: Poniższy tekst jest tłumaczeniem z japońskiego, artykułu zamieszczonego w ITmedia „Maksymalna ilość kolorów i tabele Look-Up: Dwa zagadnienia istotne przy wyborze monitora” („Maximum Display Colors and Look-Up Tables: Two Things to Consider When Choosing a Monitor”) opublikowanego 13 lutego 2009r. Copyright 2011 ITmedia Inc. All Rights Reserved.

Zwróć szczególną uwagę na maksymalną liczbę kolorów, jakie może wyświetlić monitor LCD

Podczas gdy większość katalogów informacyjnych z monitorami LCD zawiera informację o maksymalnej liczbie kolorów możliwej do wyświetlenia przez dany model, niewiele osób zwraca na to wystarczającą uwagę. Wynika to z tego, że większość współczesnych monitorów może wyświetlać oszałamiającą liczbę kolorów – ponad 16 milionów. Jest mało prawdopodobne, żeby użytkownik nie czuł się usatysfakcjonowany tylko z tego powodu, że monitor może wyświetlić zbyt mało kolorów. Jednak informacja o maksymalnej ilości kolorów ciągnie za sobą kilka nieoczekiwanych pułapek.

Współczesne monitory LCD przeznaczone do komputerów muszą prawidłowo wyświetlać pełnokolorowe (tzw. Full-Color) sygnały wideo o liczbie kolorów wynikającej z użycia ośmiu bitów na każdą składową RGB (razem 24 bity) generowanych przez komputer. W ten sposób można wygenerować około 16,77 milionów kolorów, co wynika z poniższych obliczeń:

lut_01

 

Powinniśmy pamiętać o dwóch sprawach. Po pierwsze, nie wszystkie wiodące monitory LCD są w stanie wyświetlić pełną paletę około 16,77 milionów kolorów. Po drugie, te pełen zakres 16,77 miliona kolorów może być osiągany różnymi metodami. Biorąc pod uwagę maksymalną liczbę kolorów i metodę ich reprodukcji, współcześnie dostępne monitory LCD można ogólnie podzielić na następujące trzy kategorie.

lut_02

 

W powyższej tabeli, tylko pierwszą kategorię monitorów LCD można określić jako pełno-kolorowy (Full-Color) w prawdziwym znaczeniu tego terminu, odtwarzający z ośmiobitową dokładnością każdy kolor RGB na panelu LCD pracującym ośmiobitowo.  Monitory z 2 i 3 kategorii oferują tzw. wirtualną pełnię kolorów (Virtual Full-Color). Produkty z tych grup są tańsze w produkcji i ogólnie rzecz biorąc mają mniejszą zdolność do poprawnego wyświetlania gradacji odcieni niż prawdziwie ośmiobitowe panele LCD.

lut_03

22-calowy panoramiczny monitor FlexScan S2243W pracujący ośmiobitowo i wyświetlający około 16,77 milionów kolorów.

Przeglądając specyfikację monitora łatwo jest zidentyfikować modele z kategorii 3. Poznamy je po liczbie kolorów – 16,19 lub 16,20 milionów. Jednak ze względu na to, że monitory zarówno z 1, jak i z 2 kategorii wyświetlają około 16,77 milionów kolorów, to może być trudno zakwalifikować badany model do którejś z nich, korzystając z informacji  z katalogu. Panel LCD pracujący ośmiobitowo ma w wielu elementach przewagę, jeśli chodzi o jakość obrazu i użytkownikom zaleca się ostrożność podczas wyboru monitora do zastosowań graficznych. (Pamiętaj, że terminy „24 bity” i „8 bitów na każdą składową RGB” są często używane zamiennie, ale oznaczają to samo).

Niektóre telewizory i monitory LCD przeznaczone do zastosowań profesjonalnych, wykorzystują panele LCD zdolne do odtwarzania każdej składowej RGB z 10-bitową rozdzielczością. Teoretycznie, takie monitory mogą wygenerować 1 073 741 824 (lub inaczej ok. 1,073 miliardów) kolorów, ale też wymagają one specjalistycznej karty graficznej i oprogramowania zdolnych do przetwarzania 10-bitowego koloru.  Z tych powodów nie są one jeszcze powszechne w przemyśle komputerowym.

Przybliżmy teraz trochę pojęcie kontroli częstotliwości wyświetlania (FRC – Frame Rate Control). FRC jest systemem, którego zadaniem jest zwiększenie ilości widocznych kolorów poprzez manipulowanie częstotliwością wyświetlania obrazu, czerpiąc korzyść z efektu powidoku (kontrast następczy) ludzkiego oka. Np. przy szybkim przełączaniu kolorów czerwonego i białego oko odbierze obraz w kolorze różowym.

Panel LCD z sześciobitowym przetwarzaniem może wygenerować tylko 262 144 kolorów (sześć bitów [26 = 64] do trzeciej potęgi [dla każdej składowej RGB]). Po zastosowaniu FRC do każdej składowej RGB i zmienieniu częstotliwości wyświetlania oryginalnych kolorów panelu LCD (w tym przypadku czterobitowe FRC) uzyskamy trzy symulowane kolory pomiędzy każdą parą poszczególnych kolorów. W ten sposób dla każdej składowej RGB dodawana jest następująca ilość symulowanych kolorów: (6 bitów – 1) * 3 = 189 kolorów. W rezultacie otrzymujemy ogólną ilość kolorów: (6 bitów + 189 = 253) do trzeciej potęgi (dla każdej składowej RGB) = 16 194 277 kolorów (w przybliżeniu 16,19 lub 16,20 milionów).

W coraz większej ilości współczesnych monitorów zaczyna się wykorzystywać technologie, w których rozwinięto FRC jeszcze bardziej. Umożliwiają one wygenerowanie około 16,77 milionów kolorów przez wykorzystanie wyższej liczby bitów niż w tradycyjnym FRC i uzyskanie większej ilości symulowanych kolorów, osiągając ośmiobitową skalę (256-stopniową gradację) Full-Color na ekranie LCD.

W rzeczywistości jednak na jakość obrazu w znacznym stopniu mają wpływ jeszcze czynniki inne niż sam panel, takie jak np. jakość obwodów IC kontrolera obrazu. Różnica w jakości obrazu pomiędzy panelami ośmiobitowymi a sześciobitowymi z FRC jest często nawet trudna do zauważenia. Aby ułatwić sobie ich wykrycie, wystarczy jednak np. przyciemnić oświetlenie w pomieszczeniu z monitorem. Wyświetlenie na ekranie tablicy z liniowym gradientem od czerni do bieli również pomoże uwypuklić te różnice. Wady te dotyczą zarówno jakości wyświetlania zdjęć, filmów, w grach i w innych zastosowaniach.

lut_04

Przykład gradientu wyświetlanego na ośmiobitowym ekranie Full-Color (po lewej) i Virtual Full-Color na ekranie sześciobitowym z FRC (po prawej). Na tej ilustracji uwypuklono różnice, aby łatwiej je było dostrzec. Generalnie ośmiobitowe przetwarzanie daje lepsze możliwości odtwarzania gradientów.

Znaczenie stosowania więcej niż ośmiobitowych tabel Look-Up

Wykazaliśmy, że przetwarzanie sześciobitowe z FRC jest gorsze od ośmiobitowego w odniesieniu do zdolności wyświetlania gradientów. Jednak nie oznacza to, że przetwarzanie ośmiobitowe jest zawsze tak doskonałe przy reprodukcji kolorów i gradientów. Tabele Look-Up (LUT) są kluczowym czynnikiem wpływającym na zdolność monitorów LCD do wyświetlania tonalnych gradientów i przejść.

LUT jest tabelą zawierającą wyniki obliczeń. Kiedy system potrzebuje przeprowadzić standardowe kalkulacje, to możemy poprawić wydajność przez zaczerpnięcie gotowych wyników przechowywanych LUT, zamiast przeprowadzania tych obliczeń.

W kontekście monitorów LCD, termin LUT odnosi się do układu, który przelicza dane wejściowe z komputera (po osiem bitów na każdą składową RGB) i mapuje je na dane wyjściowe odpowiednio dobrane do monitora LCD (również po osiem bitów na każdą składową RGB). W niedrogich monitorach stosuje się tabele LUT o ośmiu bitach na każdą składową RGB. Monitory LCD zaprojektowane do profesjonalnej reprodukcji kolorów wykorzystują LUT o większej ilości bitów (np. 10 lub 12 bitów) na każdą składową RGB i stosują wewnętrzne obliczenia z 10 lub więcej bitową dokładnością, aby przemapować sygnały wejściowe na wyjściowe.

lut_05

Diagram przepływu danych obrazu od wejścia do wyświetlenia na ekranie w monitorze z LUT o wewnętrznej dokładności większej niż 8 bitów. Docelowa wartość parametru gamma (np. 1,8 lub 2,2) jest ustalana wstępnie, w oparciu o obliczenia przeprowadzane przy założeniu, że nie ma różnic pomiędzy różnymi panelami LCD. Ponieważ samo ustalenie wartości gamma nie wystarczy do uzyskania poprawnej temperatury barwowej, przestrzeń kolorów jest obliczana z dokładnością wyższą niż 8 bitów, i konfigurowana jest paleta kolorów zgodna z temperaturą barwną bieli. Korekcje po stronie wyjściowej równoważą różnice pomiędzy poszczególnymi panelami LCD, dając w wyniku gładkie przejścia tonalne. LUT więcej niż ośmiobitowe pozwalają na wyświetlenie kolorów o większej ilości subtelnie zróżnicowanych odcieni.

Jak LUT o większej ilości bitów wpływa na na polepszenie jakości wyświetlanych obrazów? Jeśli w specyfikacji monitora LCD znajduje się wpis, że jest on zdolny do wyświetlenia „około 16,77 milionów (spośród 1 064 330 000)” kolorów, to wskazuje to na to, że korzysta on z LUT o dokładności 10 bitów na każdą składową RGB (1024 odcieni do 3 potęgi = 1 073 741 824 kolorów). Dane z komputera zawierające po 8 bitów na składową RGB, są poddawane w monitorze LCD multigradacji do 10 bitów na każdą składową RGB, a następnie wypuszczane z optymalnie dobranymi kolorami z palety o ośmiu bitach na każdą składową. Skutkuje to wyraźnie gładszymi przejściami tonalnymi i zmniejsza rozbieżności barwowe poprzez poprawienie krzywej gamma dla każdej składowej RGB na wyjściu. 12-bitowe LUT generuje około 16,77 milionów optymalnie dobranych kolorów spośród w przybliżeniu 68 miliardów, poprawiając reprodukcję kolorów i odcieni, nawet jeszcze lepiej, niż w przypadku 10-bitowych LUT.

Przyjrzyjmy się teraz przeliczeniom multigradacyjnym, kiedy monitor LCD zamienia 8 bitowe dane na 10 i więcej bitowe dla każdej składowej RGB. Nawet jeśli używamy 10- czy 12-bitowej LUT, przeprowadzanie multigradacji z dokładnością 14 lub 16 bitów spowoduje jeszcze większą precyzję wynikowych przejść tonalnych. Potrzeba prowadzenia obliczeń z 16-bitową dokładnością, kiedy dane wyjściowe mają być tylko 8-bitowe, może się nie wydawać taka oczywista na pierwszy rzut oka, ale zwłaszcza jeśli zależy nam na oddaniu subtelnych różnic między kolorami z palety o niskiej gradacji, to precyzja wewnętrznych obliczeń staje się szczególnie istotna. W istocie, im wyższa ilość bitów używanych do przeprowadzania wewnętrznych obliczeń, tym krzywa gamma w niskiej gradacji odcieni bliższa jest do teoretycznej krzywej.

Jeśli przyjrzeć się ofercie współczesnych monitorów LCD, to można zauważyć, że nawet w niższych kategoriach cenowych rośnie ilość modeli posiadających 10-bitowe LUT.  Jednakże tylko z wyższych kategorii przeprowadzają obliczenia na większej liczbie bitów niż liczba bitów LUT. W szczególności, modele mające spełnić najsurowsze wymagania dotyczące przetwarzania kolorów, korzystające z 12-bitowych LUT i prowadzące wewnętrzne obliczenia z 14- lub 16-bitową dokładnością, nadają się idealnie do zarządzania kolorami i do zastosowań wymagających wysokiej wydajności w dziedzinie kolorów.

Wizualne porównanie monitora wyposażonego w 8-bitową LUT i 8-bitowe wewnętrzne przetwarzanie z monitorem o 10 lub więcej bitowym LUT oraz prowadzącym obliczenia wewnętrzne z dokładnością 10 bitową, lub wyższą pokazuje niespodziewane różnice. Odkąd tą drugą kategorię monitorów zaczęto wyposażać w wysokiej wydajności układy IC do kontroli obrazu, różnice w jakości obrazu są jeszcze łatwiejsze do zauważenia  przez świadomego obserwatora, przy porównaniu z monitorami z dolnej półki o niewystarczającej wydajności. Kiedy przyjrzymy się wyświetlonej grafice przedstawiającej gradient odcieni szarości, to możemy zauważyć, że modele, w których LUT i obliczenia wewnętrzne mają wyższą liczbę bitów, generują gładsze tonalne przejścia i lepiej oddają odcienie w ciemnych obszarach obrazu. W takich modelach prawie nie spotyka się przeskoków tonalnych czy przebarwień oraz charakteryzują się stabilniejszym kontrastem, w którym zarówno jasności, jak i cienie oddane są w naturalny sposób. Z tych wszystkich powodów zalecamy modele z przynajmniej 10-bitową LUT – nie tylko w zastosowaniach, które wymagają wysokiej wierności reprodukcji kolorów, ale również dla zwykłych użytkowników doceniających lepszą jakość wyświetlania obrazów.

gamma_05

Ulepszenie w przedstawianiu gradientów, będących konsekwencją korekcji przeprowadzonych z użyciem 10- lub więcej bitowej LUT i obliczeniom wewnętrznym o dokładności 10 lub więcej bitów. Krzywa gamma jest bliższa ideałowi a przejścia tonalne płynniejsze.

3D-LUT – tabele Look-Up o jeszcze większej dokładności

Niektóre high-endowe monitory LCD są wyposażone w 3D-LUT, technologię, która rozwija koncepcję LUT jeszcze bardziej. Tradycyjny system LUT posiada po jednej tabeli dla każdej składowej RGB. Podczas wyświetlania konkretnego koloru i potrzeby wyliczenia koloru docelowego (zoptymalizowanego) pobiera dane o docelowych składowych właśnie z tych trzech tabel.

Dla odmiany, 3D-LUT przechowuje dane o składowych RGB w trzech wymiarach (trójwymiarowa tabela, w której każda składowa RGB ma swoją oś współrzędnych). Takie rozwiązanie oferuje dużo lepsze odwzorowanie gradacji i dokładniej oddaje skalę szarości, ponieważ 3D-LUT zawiera również dane o pośrednich gradacjach, zależne od trzech współrzędnych, będących pochodną trzech składowych R, G i B.

Jako przykładu, użyjmy panoramicznego monitora LCD EIZO. Model CG246 z serii ColorEdge jest wyposażony właśnie w 3D-LUT. Różnica pomiędzy teoretycznymi wartościami i wartościami uzyskanymi podczas pomiaru pośrednich gradacji okazują się w nim mniejsze niż w przypadku zastosowania tradycyjnych tabel LUT.

ColorEdge CG246

Panoramiczny monitor LCD EIZO ColorEdge CG246 przeznaczony do zastosowania w systemach zarządzania kolorami (wyposażony w 3D-LUT)

3D-LUT wykazuje swoje zalety również podczas konwertowania palet kolorów w systemach zarządzania kolorami. Umożliwia przemapowanie około 16,77 milionów kolorów z jednej palety kolorów do innej palety z wysoką dokładnością, minimalizując utratę danych z oryginalnej palety. Dodatkowo, ponieważ dzięki przechowywaniu danych pośrednich, 3D-LUT oferuje ulepszoną reprodukcję kolorów, użytkownik może osiągnąć oczekiwane rezultaty podczas wprowadzania własnych ustawień, takich jak jasność, chrominancja czy barwa. Prawdopodobnie właśnie to jest najważniejszym wyznacznikiem przydatności monitora LCD używanego do zarządzania kolorami, ponieważ poza wszystkimi innymi wymaganiami oczekuje się przede wszystkim dokładnej reprodukcji kolorów.

lut_08

Liczba bitów, na których operuje panel LCD, LUT i z jaką są dokonywane obliczenia wewnętrzne – wszystko to ma olbrzymi wpływ na zdolność do reprodukcji kolorów przez monitor LCD. Wcale nie tak rzadko, porównanie modeli, o na pierwszy rzut oka podobnych specyfikacjach, może ujawnić nieoczekiwane odchylenia w wyświetlaniu. Kompetentne ocenienie jakości obrazu uzyskiwanego przez monitor, tylko na podstawie jego specyfikacji jest nierealne. Przed dokonaniem zakupu, użytkownicy powinni osobiście sprawdzić konkretny monitor.