`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

О свете, цвете и цветовых пространствах

0 
 

Проблема корректной цветопередачи на ЖК-мониторах возникла одновременно с выпуском первых полноцветных LCD-панелей, но актуальна и по сей день. Скорость, с которой совершенствуются ЖК-дисплеи, очень высока, однако уже сегодня сказываются принципиальные ограничения, заложенные в саму технологию, и для последующего увеличения точности отображения нужны специальные методы. В настоящей статье мы попробуем разобраться в этой проблеме и описать способы ее эффективного решения.

Наверное, любой пользователь ПК по собственному опыту знает, что каждый отдельно взятый монитор отображает одну и ту же картинку по-своему – не так, как остальные устройства. В чем же причина такого несоответствия? В индивидуальных особенностях человека или в аппаратных отличиях разных дисплеев?

Попробуем разобраться поэтапно. Итак, для визуального восприятия изображения на дисплее нам прежде всего нужен...

Свет

В повседневной жизни мы чаще всего видим солнечный свет (точнее то, что от него остается после прохождения земной атмосферы). Спектральный состав такого света достаточно точно можно описать распределением Планка:

О свете, цвете и цветовых пространствах

Кроме мировых констант, в формулу входит единый управляющий параметр – температура некоего абстрактного излучающего объекта – абсолютно черного тела. Спектральный состав излучения полностью определяется этим параметром. Отсюда берет свое начало понятие цветовой температуры, и оно применимо лишь для планковских источников. Когда цветовая температура высока (больше 7000 К), в спектре преобладают синие тона (коротковолновая часть видимого диапазона), когда низка (меньше 5000 К) – красно-желтые (длинноволновая часть).

О свете, цвете и цветовых пространствах
Типичная передаточная функция ЖК-ячейки

Источником света в большинстве современных ЖК-мониторов является ртутная люминесцентная лампа с холодным катодом. Ее спектр существенно отличается от распределения Планка. Однако с помощью светофильтров из него можно выделить отдельные составляющие так, чтобы огибающий контур соответствовал планковской кривой. Отфильтрованный таким образом свет будет казаться белым, а изменение относительной интенсивности его спектральных компонентов сформирует...

Цвет

Как известно, цветовое зрение человека обусловлено наличием трех видов световосприимчивых рецепторов на сетчатке глаза, максимумы спектральной чувствительности которых локализованы в области 450, 550 и 630 нм, что соответствует синему, зеленому и красному цветам. Они являются базовыми, все остальные тона воспринимаются как их смешение в определенной пропорции. Например, чтобы получить желтый цвет, совсем необязательно воспроизводить его истинную длину волны 570–590 нм, достаточно создать бихроматическое поле, содержащее моды с длинами волн, которые соответствуют красному и зеленому цветам. Именно так построены современные мониторы, в том числе и ЖК.

Один пиксел ЖК-матрицы содержит три независимых субпиксела, каждому из которых соответвуют R (красный), G (зеленый) или B (синий) светофильтры. Для воспроизведения оттенков и полутонов коэффициент пропускания каждого субпиксела регулируется ступенчато (обычно до 28=256 градаций). Однако задача постепенного изменения пропускания пиксела (субпиксела) сама по себе сопряжена с целым рядом проблем.

Во-первых, передаточная функция LCD-матрицы имеет S-образную форму с узкой линейной зоной и широкими областями насыщения. Однако именно в области линейности необходимо выделить нужное количество потенциальных уровней управляющего электрического поля. Причем если шаг между ступенями будет слишком мал, то управление усложнится (в частности, из-за взаимных межпиксельных и внешних электрических помех), а если слишком велик – рабочая область захватит зоны нелинейности передаточной кривой. Это приводит к так называемому клипингу – пересвеченности и неразличимости оттенков в светлых участках изображения и «проглатыванию» теней.

Во-вторых, технологически сложно достичь большого количества промежуточных состояний из-за инертности и гистерезиса ЖК-ячейки. Скорость изменения коэффициента пропускания зависит от величины изменения управляющего поля (переключение из черного в белый зачастую происходит быстрее, чем между градациями серого). При одном и том же значении управляющего поля Е прозрачность ячейки T после завершения переходного процесса может отличаться в зависимости от того, с какой стороны (сверху или снизу) достигнут уровень E. На сегодня максимальное число промежуточных состояний (одного субпиксела) для полноцветных панелей составляет 210=1024.

Вдумчивый читатель задаст вопрос: «Каким образом весь диапазон цветов (как комбинаций базовых тонов), воспроизводимый монитором, привязан к множеству воспринимаемых человеком оттенков? Как описать цвет на дисплее в терминах нейронных сигналов, формируемых на сетчатке глаза?»

Для этого комитет CIE принял стандарт описания цвета тремя числовыми значениями, которые соответствуют интенсивности каждого из синего, зеленого и красного спектральных компонентов – цветовое пространство XYZ. Его также называют абсолютным цветовым пространством, поскольку цифры привязаны непосредственно к реальным физическим величинам – длине волны и интенсивности. Таким образом, мы вплотную подошли к понятию...

Цветовое пространство

Определим его как способ представления цвета тремя числами (координатами), когда каждому уникальному цвету соответствует точка в пространстве. Замкнутая поверхность, внутри которой находятся все доступные цвета и оттенки в данном цветовом пространстве, называется цветовым охватом.

Стоит отметить, что физические свойства сетчатки глаза не определяют полностью цветовое восприятие человека. Исследования показали, что информация о цвете обрабатывается в головном мозге не раздельно по базовым цветовым «каналам», а в некотором интегральном виде. При этом формируются пары противоположных цветов: синий – желтый, красный – зеленый. Эти сочетания являются для человека самыми резкими. Такое положение дел наиболее точно описывает система представления цвета CIE Lab, также называемая «психологическим» цветовым пространством. Lab позволяет описать наибольшее количество различимых для человека оттенков цвета при сохранении 24-битовой разрядности представления.

Уже на этом этапе виден некий разрыв между способом кодирования цвета на мониторе – через RGB-триаду, не привязанную к длине волны и интенсивности, – и описанием цвета в абсолютном цветовом пространстве. Это является первопричиной цветовых искажений на дисплее. Для ее устранения используются две процедуры: калибровка и профилирование.

Калибровка подразумевает установку должного уровня взаимного соотношения коэффициентов пропускания каждого из субпикселов. Соотношение выбирается из соображений соответствия некоторой цветовой температуре. После его установки при одинаковых значениях координат RGB пиксел будет восприниматься как нейтрально серый без цветового окраса.

Значение яркости пиксела/субпиксела в некотором приближении можно описать формулой

О свете, цвете и цветовых пространствах

где b – яркость черного; с – коэффициент контраста; γ – параметр «гамма», описывающий нелинейность передаточной функции ЭЛТ-монитора. Да-да, именно его, потому как характер нелинейности передаточной функции у ЖК-дисплея не параболический, а S-образный. Однако изображения так долго оптимизировались для просмотра на ЭЛТ-устройствах, что теперь разработчики сочли более удобным проимитировать характеристику ЭЛТ-монитора на ЖК-панели, нежели по-другому оптимизировать изображения.

На сегодня наиболее распространены стандартные значения гаммы 1,8 и 2,2. Если реальная гамма монитора не соответствует им, то в ходе калибровки необходимо ввести гамма-коррекцию посредством управляющей электроники ЖК-панели или источника сигнала (видеокарты).

О свете, цвете и цветовых пространствах
Стандартные тональные кривые, соответствующие gamma=1,8 и gamma=2,2
О свете, цвете и цветовых пространствах
Схематический частотный спектр дневного света и света монитора

Какая же гамма является наиболее «правильной», и почему бы с помощью корректировочных таблиц не линеаризировать передаточную функцию? Как видно из формулы, угол наклона передаточной функции невелик в области малых значений управляющего параметра x, что соответствует теневым областям, и по мере увеличения x возрастает (яркие области). Это означает, что в светлых областях яркость больше изменяется, чем в темных, при равных приростах управляющего параметра x. И чем выше гамма, тем более существенна эта разница. Таким образом, динамическое разрешение (яркостная детальность) в темных зонах получается выше, чем в светлых. Такое неравенство введено намеренно, и оно вполне целесообразно, поскольку человек лучше различает именно теневые градации.

Однако специально завышать гамму монитора при калибровке не стоит: если изображение изначально оптимизировано под 2,2, то в случае отображения этой картинки на дисплее со значением 2,5 она покажется слишком темной, потому что при увеличении гаммы передаточная кривая не только приобретает больший изгиб, но и ее средняя точка смещается вниз (в область меньшей яркости).

Профилирование – второй важный этап в достижении точности цветопередачи. Упрощенно цветовой профиль – это таблица соответствия управляющего RGB-кода реальному тону, описываемому координатами в абсолютном цветовом пространстве CIE XYZ или Lab. Одна и та же RGB-триада на разных мониторах может выглядеть по-разному. Однако если имеется цветовой профиль конкретного дисплея, то непосредственно перед формированием кадра управляющий RGB-код можно «подкрутить» так, чтобы в результате получить максимально приближенный к желаемому цвет. Для этого современные операционные системы с графической оболочкой имеют специальный программный компонент – CMS (Color Management System).

О свете, цвете и цветовых пространствах
Контуры цветового охвата стандартных моделей sRGB (черная линия) и AdobeRGB (белая линия) в плоскости L=50 пространства Lab

Но можно ли посредством CMS, имея профиль монитора, отобразить на нем любой желаемый цвет? Ответ, конечно, отрицательный. Цветовой охват ЖК-дисплея зависит от максимально достижимого диапазона значений коэффициента пропускания каждого из субпикселов и от спектрального состава лампы подсветки. CMS способна лишь корректировать управляющий RGB-код, «подменять» один цвет другим, но она не влияет на диапазон изменения коэффициента пропускания и спектральный состав подсветки.

Поскольку цветовые охваты даже калиброванных мониторов отличаются, то как добиться того, чтобы одна и та же картинка на разных дисплеях выглядела одинаково? Один из возможных способов напрашивается сам собой: искусственно ограничить цветовой охват до такой степени, чтобы большинство дисплеев могло с ним «справиться». Так родился стандарт sRGB. Он содержит лишь ~35% доступных зрению уникальных цветов, зато практически все устройства способны более или менее корректно их отобразить. Для профессиональной работы существуют другие цветовые модели – например AdobeRGB или NTSC. Они охватывают более 50% видимых оттенков. Но для нормальной визуализации изображений, записанных в AdobeRGB, понадобится гораздо более совершенный дисплей.

Таким образом, откалибровав монитор по некой целевой функции цветовой температуры и гаммы, а также построив его профиль, можно определить цветовой охват дисплея и судить о его пригодности для работы в стандартных цветовых моделях и о корректности отображения разных оттенков.

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT