KALIBRACJA OBRAZU ISF

Kalibracja obrazu

Na początku września 2006 przeszliśmy specjalny kurs organizowany przez organizację Imaging Science Foundation (ISF), a następnie zdaliśmy pozytywnie egzamin i uzyskaliśmy tym samym certyfikat ISF. Tego typu dokument jest potwierdzeniem posiadania wysoce specjalistycznej wiedzy na temat zagadnień związanych z wizją. Wiedzy teoretycznej na temat samego obrazu i jego powstawania, a także praktycznej – co należy zrobić aby obraz z naszych telewizorów i projektorów wyglądał tak, jak to sobie zaplanował reżyser, czy też nadawca telewizyjny.

Kurs ISF jest podzielony na część teoretyczną i praktyczną. W części praktycznej uczestnik ma za zadanie dokonać profesjonalnej kalibracji na powierzonych mu urządzeniach. W naszym przypadku były to projektory do kina domowego.

Szkolenie było prowadzone przez Toma Vanthuyne. Tom przez wiele lat pracował w firmie Barco. Stworzył i zarządzał specjalnie wydzielonym oddziałem Barco Home Cinema, odpowiedzialnym za urządzenia do kina domowego. Bezpośrednio odpowiada za sukces legendarnych projektorów CRT z serii Cine – CINE 6, CINE 7, CINE 8, CINE 9, a także w późniejszym okresie za serię Cineversum projektorów DLP (CineVERSUM 60, 70, 80, 110 oraz 120). Po tym jak Barco zdecydowało się wycofać z rynku kina domowego i odsprzedało oddział Home Cinema, Tom zdecydował się całkowicie poświęcić i skoncentrować na profesjonalnym rynku Business-to-Business. Mieliśmy szczęście skorzystać z olbrzymiej wiedzy osoby, która zna temat z wielu lat praktyki.

Dzięki m.in. temu szkoleniu jesteśmy w stanie zaprojektować i skonfigurować najlepszy system wizyjny do kina domowego. Nasz klient będzie miał pewność, że sprzęt będzie pracował na miarę swoich możliwości.

Kalibracja obrazu – sens kalibracji

Prawdopodobnie wszyscy zdajemy sobie sprawę, że większość telewizorów kupowanych jest w dużych sklepach RTV. Na olbrzymich ścianach ustawione są dziesiątki telewizorów, które mają skusić potencjalnego nabywcę. Klient wchodząc do takiego miejsca nie jest w stanie obejrzeć i sprawdzić każdy telewizor oddzielenie. Zwykle przechodzimy wzdłuż ściany na której są wystawione odbiorniki i zwracamy uwagę, na ten z najciekawszym i najładniejszym (naszym zdaniem) obrazem. Najczęściej zwracamy uwagę nie na najbardziej naturalny, ale na najbardziej „krzykliwy” i przykuwający naszą uwagę.

Zaraz po pojawieniu się dużych sklepów sieciowych, producenci zauważyli że klient musi być czymś zaintrygowany aby wybrał akurat ich produkt, a nie stojący obok konkurencyjny model. Ponieważ pomieszczenia handlowe są z reguły mocno oświetlone, dużo większym zainteresowaniem cieszą się odbiorniki „jasne” z bardzo wysoko ustawionym kontrastem i zimnymi kolorami. Na dużej hali taki telewizor będzie wyglądał efektownie, natomiast nie będzie miał nic wspólnego z naturalnym obrazem.

Producenci szybko zorientowali się, że przygotowując obraz specjalnie pod projekcję sklepową zaczęli sprzedawać więcej urządzeń od producentów ignorujących to zjawisko.
Po jakimś czasie obudzili się kolejni producenci i od tego czasu praktyki te stały się normą. Z czasem producenci doszli do kolejnego wniosku – najlepiej stworzyć jakieś unikalne cechy obrazu dające im przewagę nad innymi odbiornikami. Dlatego też, każdy z producentów stara się na swój unikalny sposób skupić uwagę potencjalnego klienta odpowiednio manipulując elementami mającymi wpływ na wyświetlany obraz.

Idea kalibracji polega na tym, aby po pierwsze obraz był naturalny, po drugie wyglądał w taki sposób w jaki widział go reżyser podczas procesu produkcyjnego, a po trzecie aby był pozbawiony jakichkolwiek artefaktów.

Kalibracja projektora i telewizora jest jednym z najbardziej efektywnych i najtańszych zmian jakie możesz wprowadzić w swoim systemie kina domowego. 

Twój skalibrowany system kina domowego będzie:

• posiadał ostry, ale naturalny obraz
• wyświetlał wszystkie szczegóły zarówno w najjaśniejszych jak i najciemniejszych scenach, z dużym zakresem dynamiki
• idealnie dopasowany do warunków pomieszczenia
• posiadał precyzyjne i naturalne kolory
• wyświetlał „kinowy” obraz
• posiadał zminimalizowane artefakty video (zniekształcenia i niedoskonałości)
• naturalny dla Twojego wzroku

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 (dlatego tak istotna jest kalibracja projektora i telewizora). 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 testach i pomiarach staramy się zawsze odpowiadać na pytanie, w jakim stopniu sprzęt potrafi wyświetlić prawidłowy obraz.

UWAGA – w tekście poniżej nie uwzględniamy standardu UHD, odnosimy się do standardów DVD i Blu-ray.

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.

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 barwowa

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.

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 barwowej wzdłuż całej skali szarości (0-100IRE)

Rysunek 3. Wykres temperatury barwowej 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

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.

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)

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

Rysunek 7. Rozkład krzywej Gamma przy wartości 2.12

Odniesieniem referencyjnym jest Gamma znana z urządzeń CRT. Według standardów video gamma powinna wynosić 2.2/2.4. 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.

Dlaczego urządzenia nie są skalibrowane?

W celu prawidłowej reprodukcji obrazu, urządzenie musi zostać odpowiednio skalibrowane. Obraz powinien wyglądać w identyczny sposób jak na monitorach studyjnych w procesie post-produkcyjnym (podczas którego dokonywany jest transfer video), co jest ideą każdej kalibracji urządzenia.
Niestety rzadko kiedy urządzenie wyświetlające (telewizor, projektor) jest fabrycznie ustawione w sposób profesjonalny. Wynika to przede wszystkim z faktu, że producent nie wie w jakich warunkach (jasne, ciemne pomieszczenie) ani w jakiej konfiguracji sprzętowej będzie jego urządzenie działało. Część z tych urządzeń jest specjalnie projektowana pod kątem uzyskania naturalnego obrazu – dając możliwość osobom profesjonalnie zajmujących się obrazem, dostęp do wyrafinowanych ustawień poszczególnych składowych obrazu. Bywają również urządzenia, które są bardzo problematyczne w kalibracji i nie jest możliwe na nich wyświetlenie prawidłowego obrazu.

Urządzenie wyświetlające (projektor kinowy / telewizor) musi mieć opcje umożliwiające nam dostęp do zaawansowanych regulacji obrazu. Często producenci ustawienia te chowają przed użytkownikami, aby Ci niepotrzebnie lub przez przypadek (ciekawość) nie zmieniali ustawień fabrycznych. Nieumiejętne korzystanie z tych funkcji często może doprowadzić do uszkodzenia urządzenia. Jeśli z poziomu użytkownika zaawansowane regulacje są niedostępne, musimy zdobyć dokumentację oraz dostęp do usług serwisowych.

CINEMATIC