Jak interpretować wykresy graficzne w testach sprzętu video

Jak interpretować wykresy graficzne w testach sprzętu video?

Dlaczego prawidłowa reprodukcja kolorów jest tak istotna?

Wszystkie kolory jakie postrzegamy w naturze są kombinacją kolorów podstawowych: czerwonego, zielonego i niebieskiego. Dotyczy to także koloru białego, szarego i czarnego, gdzie biały jest mieszanką wszystkich trzech kolorów podstawowych w jednakowych proporcjach, a odcienie szarości bielą przy różnych natężeniach jasności.

Obrazy, jakie widzimy na ekranie, identycznie jak te oglądane w naturze, zawierają: kolory podstawowe w różnych kombinacjach, natężenie jasności oraz intensywność. Jeśli kombinacja tych wszystkich elementów nie będzie precyzyjna – obraz nie będzie wyglądał naturalnie.
 
W celu prawidłowej reprodukcji obrazu, urządzenie musi zostać odpowiednio skalibrowane. Obraz powinien wyglądać w identyczny sposób jak na monitorach studyjnych w procesie postprodukcyjnym (podczas którego dokonywany jest transfer video), co jest ideą każdej kalibracji urządzenia. W naszych testach będziemy starać się odpowiedzieć na pytanie, w jakim stopniu sprzęt potrafi wyświetlić prawidłowy obraz.

Poniżej opisujemy jak należy interpretować wykresy i dane techniczne.

1. Precyzyjność kolorów.
Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa (Comission Internationale de Eclairage) stworzyła system, w którym barwy wyrażane są za pomocą trzech współrzędnych  chromatycznych: x, y, z. Współrzędne x i y to współrzędne chromatyczności nasycenia koloru, a z - jasności. Wartości tych współrzędnych dobrano w taki sposób, aby zawsze spełniały równanie: x + y + z = 1, dzięki czemu znając 2 współrzędne możemy bez problemu wyznaczyć wartość trzeciej. Ponadto używanie tylko 2 współrzędnych daje możliwość przedstawienia barwy na wykresie.

Diagram chromatyczności CIE (Rysunek 1. Diagram chromatyczności CIE.), opracowany przez MKO, reprezentuje wszystkie kolory dostrzegane przez oko ludzkie. Chociaż na wykresie pokazano wszystkie barwy, to jednak przedstawiono tylko jedną cechę światła – jakościową. Umożliwia ona odróżnienie np. barwy zielonej od czerwonej, fioletowej od błękitnej, nie umożliwia jednak odróżnienia bieli od czerni (ani tego, co byśmy zobaczyli na ekranie czarno-białego telewizora). Na takim urządzeniu wszystko, co moglibyśmy zobaczyć miałoby na wykresie identyczne współrzędne x i y. Wykres dwuwymiarowy nie pozwala ukazać różnic ilości natężenia światła – różnic między jasnym a ciemnym. Do tego potrzebny byłby trzeci wymiar.

 
Rysunek 1. Diagram chromatyczności CIE.

Potencjał urządzenia w zakresie wyświetlania barw można jednak przedstawić właśnie za pomocą diagramu CIE.

Jeśli wewnątrz omawianego diagramu wyznaczymy 3 punkty, a następnie połączymy je ze sobą – będziemy mogli stworzyć dowolną barwę znajdującą się wewnątrz zakreślonego trójkąta poprzez zmieszanie odpowiedniej ilości kolorów wyznaczonych przez jego wierzchołki. W oparciu o tę zasadę działa świat obrazu video. Wyświetlane kolory powstają w skutek mieszania w różnych ilościach kolorów określonych przez 3 wierzchołki odpowiadające za kolory podstawowe: czerwony, zielony i niebieski.

Wewnątrz diagramu chromatyczności znajdziemy też trzy punkty wyznaczające trójkąt w kolorze szarym. Punkty znajdujące się wewnątrz tego trójkąta odpowiadają za wszystkie barwy, jakie mieszczą się w ramach testowanego standardu video. Trójkąt wyznaczony przez białe ramiona oznacza możliwości testowanego urządzenia w zakresie reprodukcji poszczególnych kolorów. W sposób stosunkowo prosty można stwierdzić, czy wyświetlacz (telewizor, projektor) jest w stanie oddać wszystkie kolory opisane w ramach standardu PAL, NTSC czy też ATSC.

Zawieranie się trójkąta białego w trójkącie szarym oznacza, że kolory podstawowe są źle zdefiniowane, a urządzenie nie ma możliwości wyświetlenia barw nie pokrywających się z trójkątem wyznaczonym przez badany standard video. Jeśli trójkąty pokrywają się – testowane urządzenie będzie mogło wyświetlić wszystkie zdefiniowane przez system kolory.

Standard PAL obowiązujący w Europie określa kolory w sposób następujący:
Czerwony (x=0.64, y=0.33)
Zielony (x=0.29, y=0.60)
Niebieski (x=0.15, y=0.06)
Biały (x=0.313, y=0.329)

2. Temperatura barw
Istnieje cała paleta kolorów, która może zostać opisana jako „kolor biały”. Światło widziane przez człowieka jako białe, może mieć różne natężenie każdego z podstawowych kolorów, zależnie od źródła, z którego pochodzi. Oko ludzkie łatwo przystosowuje się do tych subtelnych różnic w natężeniu kolorów składowych i w efekcie biel postrzega jako biel, niezależnie od nadmiaru któregoś z podstawowych kolorów.

Ponieważ taka sytuacja wprowadza spore zamieszanie, zostały ustalone metodą laboratoryjną referencyjne punkty bieli. W tym celu posłużono się temperaturą barw. Odnosi się ona do temperatury, do jakiej podgrzane jest ciało doskonale czarne. Podgrzewając coraz mocniej czarny metal, będzie on zmieniał swój kolor, począwszy od czerwonego (przy niższych temperaturach), aż do niebieskiego (przy wyższych temperaturach). Temperatura kolorów mierzona jest w Kelvinach (K).
Przy temperaturze 0K ciało nie jest podgrzane i jest całkowicie czarne.

Aby ustawić prawidłowo temperaturę barw w urządzeniu, należy w pierwszej kolejności wiedzieć, w jakim standardzie został zakodowany materiał źródłowy. Zarówno film, jak i materiał video jest kalibrowany do jednej konkretnej temperatury kolorów. W świecie obrazu, produkcja odbywa się w standardzie 6500K. Bez wyjątków, wszystkie neutralne odcienie szarości obrazu powinny ściśle odpowiadać temperaturze 6500K.

 
Rysunek 2. Kolor biały o temperaturze 6502K.

Niestety zdecydowana większość telewizorów i projektorów jest fabrycznie przygotowana na pracę w temperaturach pomiędzy 8.000K a 10.000K.
Dzieje się tak, ponieważ obraz w wyższej temperaturze wydaje się w pierwszym kontakcie atrakcyjniejszy dla oka i posiada wyższą stopę kontrastu niż na referencyjnych ustawieniach. Wprowadza to oczywiście nienaturalne ochłodzenie kolorów i niebieskawe zabarwienie.

Gołym okiem niesłychanie ciężko jest ocenić temperaturę barw osobie niedoświadczonej. Podczas oglądania filmu można stwierdzić, że twarz głównego bohatera wygląda podejrzanie blado, ale nigdy nie będziemy pewni, czy aktor rzeczywiście tak wyglądał podczas kręcenia scen, czy to nasz sprzęt przedstawia go w taki sposób. Mając precyzyjnie ustawiony wyświetlacz będziemy mogli być spokojni, że oglądamy aktora w taki sposób, w jaki widział go reżyser podczas montażu filmu.

 
Rysunek 3. Wykres temperatury barw wzdłuż całej skali szarości (0-100IRE).

Osoby wprawione mogą w sposób przybliżony ocenić zgodność temperatury barw na podstawie plansz testowych (Rysunek 5) lub wiedząc jak w rzeczywistości czy na urządzeniu referencyjnym wyglądał obraz.

Wiele urządzeń ma możliwość regulacji temperatury barw. Niestety nigdy nie mamy pewności, na ile te ustawienia predefiniowane są zgodne z rzeczywistością. Najwięcej pola manewru daje możliwość manualnego ustawienia wszystkich 3 składowych w trybach typu „user” (inaczej tryb użytkownika – samodzielnie definiowalny).

3. Skala szarości
Skala szarości jest jedną z najbardziej kluczowych informacji o jakości obrazu. Mówi nam ona, na ile precyzyjnie urządzenie jest w stanie wyświetlić prawidłowy kolor szary przy różnych natężeniach jasności. Skala szarości obejmuje cały zakres przejścia od poziomu czerni (czarna plansza) do poziomu bieli (biała plansza). W każdym przypadku obrazu mieszczącego się w zakresie skali szarości, wszystkie 3 składowe RGB powinny być mieszane w idealnych proporcjach - do wyświetlenia planszy idealnie czarnej musimy zużyć takiej samej ilości koloru czerwonego, zielonego jak i niebieskiego.

 
Rysunek 4 Idealnie zbalansowane składowe RGB

Czerń jest określana przez napięcie 0 IRE w systemie analogowym i kod 16 w systemie cyfrowym. Biel z kolei jest określana przez napięcie 100 IRE i odpowiednio wartość 235 w systemie cyfrowym.
Na wielu płytach testowych znajduje się plansza przedstawiająca skalę szarości (gray ramps), która przedstawia w sposób wizualny przejście pomiędzy 0 IRE, a 100 IRE (Rysunek 5).

 
Rysunek 5. Plansza przedstawiająca skalę szarości.

Skala szarości to nic innego jak zbliżenie na wykresie chromatyczności CIE w okolicy punktu D65. D65 jest nazywany inaczej punktem bieli. W odróżnieniu od temperatury 6500K punkt D65 ma konkretne współrzędne jednoznacznie określający barwę wewnątrz diagramu CIE.

W całej skali szarości temperatura barw musi pozostać na poziomie 6500K. Ironiczne może się wydawać, że precyzja kolorów uzależniona jest od precyzji odcieni szarości. Jednak, jeśli temperatura szarych odcieni jest za wysoka to obraz będzie miał wyraźnie niebieskie zabarwienie. W przypadku za niskiej temperatury, obraz będzie posiadał czerwone zabarwienie. 
 


Rysunek 6. Zbieżność kolorów RGB wzdłuż całej skali szarości (0-100IRE)

Kolorowe linie, które są przedstawione na skali szarości (Rysunek 6) odzwierciedlają punkty, które uzyskujemy przy pomiarze różnych poziomów natężenia jasności plansz (IRE 0-100) z zakresu czerń-biel. Im bliżej punkt znajduje się referencyjnego D65, tym bliżej wszystkie 3 kolory są zlokalizowane środka (100% - biała przerywana linia).

W zdecydowanej większości projektorów istnieje możliwość wpływu na skalę szarości poprzez regulacje temperatury barw w menu urządzenia. Opcja te niestety jest bardzo rzadko obecna w menu telewizorów.

4. Gamma
Gamma jest relacją pomiędzy napięciem podawanym do urządzenia, a wyświetlaną jasnością. Ma ona charakter nieliniowy, co odpowiada właściwościom ludzkiego oka. Ponieważ oko reaguje w sposób logarytmiczny, jasność musi się istotnie się zmienić, aby zostało to zauważone. Dlatego też metodą „na oko” bardzo ciężko jest ocenić urządzenia o zbliżonej jasności.
 

Rysunek 7. Rozkład krzywej Gamma przy wartości 2.12

Odniesieniem referencyjnym jest Gamma znana z urządzeń CRT. Według standardów video gamma powinna wynosić 2,2. W idealnie zaciemnionych pomieszczeniach przyjemniejsza dla oka bywa gamma wynosząca nawet 2,5. Jeśli urządzenie ma zdolność do pracy w zakresie 2,2-2,5 – użytkownik ma możliwość dostosowania parametru do swoich preferencji, nie martwiąc się o utratę wyświetlanych informacji.

POMIARY

Amerykańska organizacja SMPTE (Society of Motion Picture and Televisions Engineers) zajmująca się opracowywaniem standardów związanych z kinematografią zaleca dla kina jasność obrazu w okolicach 12-14ftL (foot lamberts). Są to wartości wzorcowe i nie należy się martwić, jeśli nasza konfiguracja posiada jasność z przedziału 10-20 ftL. W pomieszczeniu idealnie zaciemnionym wartości te powinny być z dolnego zakresu, w pomieszczeniach jasnych najlepiej, aby oscylowały w górnych wartościach.

Wiedząc jaka jest jasność projektora (lumeny), powierzchnia projekcyjna (gain – współczynnik odbicia) oraz wielkość powierzchni ekranu (w stopach kwadratowych) – możemy obliczyć, czy jasność projektora spełni oczekiwania i sprawdzi się w naszym kinie domowym.

Do obliczenia jasności obrazu najlepiej posłużyć się następującym wzorem:
jasność obrazu (ftL) = jasność projektora (lumeny) / obszar ekranu (stopy kwadratowe) x współczynnik odbicia (gain powierzchni ekranu)

Poziom czerni jest kontrolowany w urządzeniach elektronicznych przez suwak „jasność”. Musi ona być ustawiona w sposób umożliwiający odróżnienie detali w bardzo ciemnych scenach. Jeśli ustawimy jasność za nisko – utracimy możliwość zobaczenia detali w ciemnych scenach. Ustawiając z kolei jasność za wysoko – elementy, które powinny być czarne będą na ekranie szare.
W przypadku, kiedy jasność jest ustawiona za nisko mówimy, że „czerń jest łamana”
(crushing blacks).

Poziom bieli jest kontrolowany przez potencjometr kontrastu, który określa, jaka może być maksymalna biel na wyświetlanym urządzeniu. Używając specjalistycznej terminologii kontrast to poziom bieli. Zwykle potencjometr kontrastu używa się, aby zaznaczyć duże różnice pomiędzy poziomem bieli, a poziomem czerni.
Identycznie jak w przypadku jasności, kontrast zawsze jest uzależniony od warunków panujących w pomieszczeniu i ilości rozproszonego światła. Zbyt nisko ustawiony kontrast powoduje, że obraz jest za ciemny, przez co ma ograniczoną dynamikę.

Za wysoko ustawiony kontrast spowoduje, że maksymalna biel będzie na tyle wysoka, że nie będziemy w stanie rozróżnić elementów w wysokich zakresach. W przypadku, kiedy kontrast jest ustawiony za wysoko mówimy, że „biel jest łamana” (crushing whites).

Stopa kontrastu (potocznie - kontrast) - kontrast urządzenia to inaczej stosunek poziomu bieli do poziomu czerni. Istnieje wiele metod i sposobów mierzenia kontrastu, dlatego podawane przez nas wartości nie należy bezpośrednio porównywać do wartości podawanych przez inne czasopisma i strony WWW. Informacje mogą być porównywalne tylko w przypadku, gdy pomiary są dokonywane według identycznej metodologii.