Zaawansowana stabilizacja obrazu w monitorach ColorEdge

1. Wprowadzenie

Profesjonalni graficy, twórcy i projektanci, którzy potrzebują wiernej reprodukcji barw, mogą wybierać spośród wielu graficznych monitorów LCD dostępnych obecnie na rynku. Producenci tego rodzaju urządzeń lubią podkreślać, że ich monitory są poddawane fabrycznej kalibracji, aby zapewnić prawidłowe wyświetlanie kolorów. Problem polega na tym, że sama regulacja monitora LCD na etapie produkcji wcale nie gwarantuje zachowania dobrej reprodukcji barw i odcieni po opuszczeniu fabryki.

W poniższym artykule opisujemy podstawowe właściwości paneli LCD ze szczególnym uwzględnieniem jakości obrazu, omawiamy sposoby na zapewnienie stałej jakości obrazu w monitorach LCD, a także wyjaśniamy, jak monitory EIZO z serii ColorEdge wykorzystują te technologie i co odróżnia je od innych monitorów z funkcją kalibracji.

2. Naturalne różnice między panelami LCD i ich kompensacja w fabryce

Każdy monitor EIZO ColorEdge jest poddawany regulacji w fabryce. Taki proces jest kosztowny i czasochłonny, ale jednocześnie niezbędny, by zapewnić wierną reprodukcję barw i odcieni. W tym rozdziale skupimy się na różnicach w jakości obrazu między panelami LCD, jak również wyjaśnimy przyczyny ich występowania i sposób, w jaki kalibracja fabryczna pomaga je wyeliminować.

2.1 Różnice w jakości obrazu wynikające ze struktury panelu LCD

Panel LCD odtwarza światła i cienie, kontrolując przepuszczanie światła pochodzącego z podświetlenia. Obecnie prym wiedzie podświetlenie LED, które ze względu na swoją specyfikę ma istotny wpływ na właściwości optyczne panelu LCD. Trzeba jednak pamiętać, że panel LCD składa się nie tylko z podświetlenia, ale i z wielu innych warstw optycznych takich jak warstwa odbijająca, warstwa rozpraszająca, płytka polaryzacyjna, filtr koloru i warstwa ciekłego kryształu. Każdy z tych materiałów ma własne odchylenia w zakresie optyki, dlatego złożenie wszystkich elementów w jeden moduł – nawet przy zastosowaniu ścisłej kontroli jakości dla poszczególnych komponentów – powoduje nieuniknione różnice optyczne w ramach jednego panelu LCD.

(1) Struktura panelu ciekłokrystalicznego (LCD)

2.2 Przykłady różnic optycznych w panelach LCD

Wiemy już, że nawet w ramach jednego panelu LCD występują różnice właściwości optycznych. Przyjrzymy się więc elementom mającym największy wpływ na ostateczną jakość obrazu. Są to chromatyczność (2), własności odcieni (3) oraz jednorodność luminancji (4), która cechuje się stosunkowo dużymi odchyleniami po opuszczeniu fabryki.

(2) Różnice chromatyczności

(3) Różnice odcieni (gammy)

(4) Różnice jednorodności luminancji na powierzchni ekranu (1023 odcienie)

Powyższe odchylenia powodują zauważalne różnice koloru i odcieni, nawet gdy porównujemy dwa jednakowe moduły LCD (5).

(5) Porównanie dwóch nieskalibrowanych paneli LCD

Aby zapewnić prawidłową reprodukcję kolorów i stałą jakość obrazu, w fabryce trzeba więc przeprowadzić regulację każdego urządzenia z osobna. W przypadku monitorów EIZO z serii ColorEdge mierzone i poprawiane są m.in. poziom luminancji, chromatyczność, wszystkie odcienie kanałów RGB oraz jednorodność luminancji i chromatyczności. Dzięki temu monitory opuszczające fabrykę wykazują minimalne odchylenia.

(6) Fabryczna regulacja monitorów EIZO ColorEdge

3. Stabilizacja wyświetlanego obrazu

W ostatnich latach trend kalibrowania monitorów graficznych na etapie produkcji stał się niezwykle popularny. Często zapomina się jednak o tym, że właściwości optyczne monitorów LCD zmieniają się wraz z upływem czasu i w miarę użytkowania – i bywa, że są to bardzo wyraźne zmiany. Jedną z najważniejszych przyczyn tych wahań jest temperatura.

Poniżej opisujemy, jak temperatura wpływa na wahania jakości obrazu, wyróżniając dwa etapy: dryft podczas nagrzewania oraz dryft po nagrzaniu.

3.1 Dryft podczas nagrzewania

Wiadomo, że po włączeniu monitora musi upłynąć trochę czasu, zanim ustabilizuje się poziom jasności. Zmiana temperatury (wynikająca z nagrzania monitora) wpływa nie tylko na jasność, ale też na chromatyczność i własności gamma – one również potrzebują czasu na stabilizację.

Wykres (7) pokazuje zmiany chromatyczności i jasności wyrażone parametrem Delta-E 2000*, obserwowane po włączeniu monitora LCD niewyposażonego w żaden mechanizm kompensujący dryft. Po 60 minutach od uruchomienia monitora różnica chromatyczności wynosi aż 5,6 Delta-E 2000 w porównaniu z poprzednim stanem monitora. Ogólnie przyjmuje się, że różnica większa niż 2 jest zauważalna dla ludzkiego oka. Oznacza to, że kolory są widocznie różne po ponad godzinie od włączenia monitora.

(7) Dryft chromatyczności i jasności w miarę upływu czasu

Wykres (8) pokazuje dryft właściwości gamma dla różnych poziomów sygnału. Jeśli kolory i odcienie mają być prawidłowo wyświetlane, wartość gamma powinna być stała od momentu włączenia monitora. W rzeczywistości właściwości gamma zmieniają się, co ma negatywny wpływ na reprodukcję barw. Biorąc jako przykład wartość gamma dla odcienia 640, możemy zaobserwować przesunięcie o 0,1 lub więcej w ciągu pierwszych 60 minut od uruchomienia monitora.

(8) Dryft wartości gamma w miarę upływu czasu

*Dokument referencyjny: ISO 11664-6/CIE 014-6 Colorimetry – Part 6: CIEDE2000 Color-Difference Formula 2013

Powyższe przykłady pokazują, że zmiany kolorów i odcieni wynikające z dryftu podczas nagrzewania są wyraźnie zauważalne, a więc niedopuszczalne w monitorach przeznaczonych do pracy z kolorami.

3.2 Dryft po nagrzaniu

Nawet gdy monitor LCD odpowiednio się nagrzeje, nadal pozostają czynniki mające wpływ na jego wewnętrzną temperaturę. Są to:

• Zmiany temperatury otoczenia
• Zmiany poziomu jasności (podświetlenia), np. wynikające ze zmiany trybu wyświetlania
• Włączanie i wyłączanie monitora, wejście i wyjście z trybu oszczędzania energii

Tabela nr 1 pokazuje na przykładzie, w jaki sposób temperatura otoczenia wpływa na reprodukcję kolorów. Podwyższenie temperatury powietrza o 10 stopni Celsjusza (z 15^oC na 25^oC) powoduje zmianę chromatyczności i jasności o 2,0 Delta-E 2000, zauważalną gołym okiem.

Tabela nr 1: Wahania jasności / chromatyczności

Jak wyjaśniliśmy wcześniej, sama fabryczna kalibracja nie wystarczy, aby osiągnąć wierną reprodukcję barw na monitorze LCD. Na stabilność kolorów wpływa również temperatura monitora (która zmienia się po jego włączeniu) oraz temperatura otoczenia (która wykazuje naturalne wahania w ciągu dnia). Aby uniknąć wynikających z tego rozbieżności barw, monitor musi być nie tylko skalibrowany na etapie produkcji, ale też wyposażony w funkcję stabilizacji obrazu.

(9) Graficzne przedstawienie stabilności obrazu

4. Unikalna funkcja zaawansowanej stabilizacji obrazu EIZO

Wiemy już, że podstawowe właściwości ekranu takie jak chromatyczność, jasność i reprodukcja odcieni ulegają ciągłym zmianom spowodowanym temperaturą otoczenia i wewnętrzną temperaturą monitora.

Monitory z serii ColorEdge mają funkcję stabilizacji obrazu, która kompensuje te wahania, poprawiając stabilność i wierność barw w czasie rzeczywistym. Poniżej wyjaśniamy, na jakiej zasadzie działa funkcja zaawansowanej stabilizacji obrazu EIZO.

Funkcja stabilizacji obrazu EIZO składa się z trzech głównych elementów:

• Precyzyjny pomiar temperatury wewnątrz monitora
• Szacowanie temperatury otoczenia wokół monitora w oparciu o unikalny algorytm
• Regulacja parametrów obrazu w czasie rzeczywistym

(10) Schemat działania funkcji stabilizacji obrazu

Technologia rejestrowania i szacowania temperatury umożliwia precyzyjną regulację parametrów obrazu w czasie rzeczywistym. Odpowiednia korekcja gwarantuje, że własności ekranu takie jak odcienie, jasność i chromatyczność nigdy nie odbiegają od ustawionych w fabryce wartości docelowych.

EIZO przetestowało działanie funkcji stabilizacji obrazu w różnych warunkach temperaturowych i dla różnych ustawień jasności, które zapewniły dobrą krzywą gamma i chromatyczność.

4.1 Korekcja odcieni (gamma)

Wykresy 11 i 12 porównują wahania odcieni w różnych warunkach temperaturowych i dla różnych ustawień jasności z funkcją stabilizacji obrazu lub bez. Każda kolorowa linia przedstawia krzywą gamma dla innej temperatury i ustawienia jasności. Idealna gamma (2,4) bez jakichkolwiek wahań odcieni jest prostą linią na osi poziomej.

Wykres 11 pokazuje odchylenia krzywej gamma pod wpływem zmian temperatury, bez stabilizacji obrazu. Odchylenie od idealnej wartości 2,4 wynosi powyżej +/- 0,1 dla średnich i jasnych odcieni. Z kolei po zastosowaniu funkcji stabilizacji obrazu (wykres 12) odchylenie krzywej gamma wynosi +/- 0,05. Oznacza to, że stabilizacja obrazu skutecznie niweluje wahania odcieni spowodowane zmianami temperatury.

• Odchylenia krzywej gamma dla różnych temperatur i ustawień jasności (wartość docelowa γ=2,4)

(11) Odchylenia krzywej gamma bez stabilizacji obrazu

(12) Odchylenia krzywej gamma ze stabilizacją obrazu

4.2 Korekcja kolorów i jasności

Gdy temperatura otoczenia spadnie z 25^oC do 15^oC, różnica ΔE2000 wynosi 2,0 (patrz tabela nr 2). W przypadku podwyższenia temperatury z 25^oC do 35^oC odchylenie ΔE2000 wynosi natomiast 1,9. Po włączeniu funkcji stabilizacji obrazu różnica ΔE2000 zmniejsza się do 0,2 dla 15^oC i do 0,4 dla 35^oC. To dowodzi, że stabilizacja obrazu minimalizuje zmiany chromatyczności i jasności wynikające z wahań temperatury.

Tabela nr 2: Zmiany jasności i chromatyczności (ΔE2000, wartość pierwotna: 25^oC)

5. Stabilizacja obrazu wspomagana sztuczną inteligencją

Najnowsze monitory ColorEdge (CG3145, CG319X) mają specjalny algorytm bazujący na sztucznej inteligencji, który dodatkowo zwiększa skuteczność stabilizacji obrazu. Korzystając z pomieszczenia o kontrolowanej temperaturze i precyzyjnych urządzeń pomiarowych, EIZO gromadzi dane dotyczące subtelnych zmian właściwości monitora LCD spowodowanych wahaniami temperatury, a następnie używa ich do szkolenia i optymalizowania sztucznej inteligencji. Powstały w efekcie algorytm potrafi wyjątkowo dokładnie oszacować temperaturę otoczenia – dzięki temu jakość stabilizacji obrazu w monitorach ColorEdge jest na najwyższym poziomie.

(13) Schemat działania algorytmu do szacowania temperatury wspomaganego sztuczną inteligencją

6. Podsumowanie

Panele LCD wykazują różnice w jakości obrazu wynikające z optycznych właściwości poszczególnych elementów panelu oraz jego warstwowej struktury. Wobec tego konieczna jest fabryczna regulacja każdego egzemplarza z osobna, pozwalająca zminimalizować odchylenia i osiągnąć dobrą reprodukcję obrazu na graficznych monitorach LCD. Trzeba jednak pamiętać, że kluczowe właściwości obrazu takie jak chromatyczność, jasność i krzywa gamma zmieniają się podczas użytkowania monitora pod wpływem wahań temperatury. Są to zauważalne różnice, dlatego w monitorach przeznaczonych do pracy z kolorami niezbędne są funkcje stabilizujące obraz.

Monitory EIZO z serii ColorEdge wykorzystują zaawansowaną stabilizację obrazu, która niweluje wszelkie odchylenia i pomaga osiągnąć dobrą reprodukcję barw. Ponadto najnowsze modele EIZO wyposażono także w algorytm do szacowania temperatury otoczenia wspomagany sztuczną inteligencją. Pomaga on dodatkowo zwiększyć dokładność stabilizacji obrazu.

Podsumowując, kalibracja przeprowadzana na etapie produkcji nie wystarczy, by zapewnić dobrą reprodukcję kolorów w monitorach do zastosowań graficznych. Wszędzie tam, gdzie potrzebne jest dokładne odwzorowanie barw, konieczna jest również stabilizacja obrazu pozwalająca utrzymać parametry wyświetlania na stałym poziomie. W przeciwieństwie do innych monitorów graficznych modele ColorEdge nie tylko poddawane są precyzyjnej kalibracji w fabryce, ale też mają zaawansowaną funkcję stabilizacji obrazu, która wyróżnia je na tle innych produktów i sprawia, że są idealnym rozwiązaniem dla profesjonalistów wymagających najlepszej jakości obrazu i reprodukcji barw.

(14) Schemat działania funkcji stabilizacji obrazu

Wróć do początku