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同色异谱二三事,教你如何对不同显示技术的显示设备之间的色彩进行匹配!

2016/7/5 12:07:18点击:
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感谢大家观看本节关于显示设备色彩匹配的视频讲座我叫Bram Desmet,是尊正美国公司FSI的CEO兼总经理本讲座的目的是介绍显示设备色彩匹配的一些重要概念尤其是不同显示技术的显示设备之间的匹配

相同显示技术的显示设备之间的匹配,如果具备足够的校正工具的话,其实是很简单的。我们的目标是显示设 备对于所有的测试序列都显示相同的色彩和亮度。达到这点,就可以做到显示设备之间的完美匹配。只有一组测试序列匹配(比如白场信号的匹配)是远远不够的, 我们要的是显示设备各个方面的设置都对应。专业的显示设备,只要支持3D LUT,经过校正后,是很容易达到匹配的。因为你可以用某些软件来同时将两台显示设备的色彩校正到同一水平,比如LightSpace或Spectral Calman,这些软件基本上在整个流程中都是自动的。

有时还需要校正同一种或类似的显示技术的不同型号的显示设备。这样的两台设备,经过校正仍然可以达到视 觉上的基本匹配,在全信号范围内都可以显示相同的色彩和亮度。但究竟怎样才叫类似的显示技术呢?同一厂商生产的就可以吗?或者技术参数相同的显示设备就可 以吗?当然不是。真正能让我们判断两台显示设备是否相同的关键因素是显示设备的光谱能量分布,分布情况要相同或近似。换句话说,就是基本类似的显示设备。
图中所示的两台显示设备是尊正的CM172和CM250的OLED监视器,尽管型号不同,但两者都用的是RGB顶部发光的OLED技术,因为它们的光谱能量分布相同,所以是可以达到视觉匹配的。

如果你之前对这个问题没有什么了解,可以先想想,什么叫做“光谱能量分布”?它是测量光源发出可见光范 围内每个波长的光谱能量。光谱能量分布就像是显示设备的指纹一样,每种显示设备都有其独特的内在光谱分布。现在大家看到的是几种常用显示设备的光谱分布, 可以看到不同的显示设备之间光谱分布差异多么大。即使是相同的显示技术,光谱分布也存在差别,比如,现在大家看到的是同一品牌的两台OLED监视器。可以 看到,左边的WRGB监视器和右边的RGB顶部发光监视器的光谱分布差别很大。就像我刚才所说, 具有相同或近似的光谱分布的显示设备之间的校正匹配是不难的,但是两台光谱特征差异如此之大的显示设备该怎么匹配呢?

这时就要引入“同色异谱”这个概念了。同色异谱是一个科学术语,是指只要人眼的每组视锥细胞所吸收的亮 度的总和相同,不同光源之间就可达到视觉匹配。想要更好地了解同色异谱这个概念,我们就需要仔细探究一下人类的视觉色彩系统的工作原理。人眼的组成包括对 亮度敏感的视杆和视锥细胞。视杆细胞主要控制低照度灵敏度,而视锥细胞主要决定色彩的印象和细节。大部分人都可被归类为三色视者,也就是说,他们拥有三种 视锥感知器。这三种视锥感知器中的每一种都有截然不同的色素,可吸收各种光源发出的所有波长的光。尽管这样归纳未免有些过于简单,但我们仔细研究视锥对于 色彩的响应,就会发现可以将其分为:
(短波)蓝色敏感光,吸收峰值约为445nm;
(中波)绿色敏感光,吸收峰值约为535nm;
(长波)红色敏感光,吸收峰值约为570nm。

1931年,国际照明委员会,简称CIE(源于法语缩写),首先尝试更精确地描绘视锥细胞的响应曲线。 CIE于1931年定义的这条特殊的反应曲线是基于William David Wright和John Guild 在1920年代后期各自所做的实验。实验数据来自于受测的具有一般正常视力的观察者的平均值——我们称之为“标准观察者”。这个实验不在我们今天讲座的范 围内,但重要的是我们要知道:早在十九世纪初,人们就已经发现视角对于色彩的感知会产生一定影响。由于2⁰视角的变量较为中性(该实验采用2⁰观察视 角),因此标准观察者模型也常被称为CIE 1931 2⁰标准观察者。

CIE规定在实际应用中,视锥细胞对于光谱的敏感性可与实际应用中的多种色彩空间相匹配。CIE XYZ便是其中的一种色彩空间。设计CIEXYZ的初衷很多,包括描述Y值所代表的亮度和避免使用负值来表示三刺激值。CIE包含标准观察者所能观测到的 所有色彩,所以与设备无关。换句话说,任何显示设备所能显示出来的所有色彩,在CIE XYZ色度图中都有体现。关于XYZ的内容很多,但对于我们来说重要的是,它在色彩匹配方面的意义就在于CIE XY色度图。

标准观察者对光谱敏感性和CIE XYZ三刺激值之间的关系——叫做“配色函数”,简称CMF。绝大多数显示设备的色彩标准都是建立在CIE 1931  2⁰标准观察者配色函数的基础上的。CIE XYZ是一种合理布局的三维色彩空间,但在易于观察的二维色度图中,CIE x,y Y模型应用更为广泛。其中Y代表亮度,x,y代表二维CIE xy色度图上的色度坐标。代表亮度的Y就是X、Y、Z三刺激值中的Y。Y值很容易得到,而x,y色度值则是通过公式计算得出x=X/X+Y+Z,y=Y /X+Y+Z。Y值在色度表上没有直接显示,但是,Y值一般都以数字形式包含在色度信息中。CIE XYZ 2⁰标准观察者配色函数是目前最新的视频显示设备标准。该标准中规定的实际目标值都是来自于CIE x,y,Y的值。比如,ST-2080标准中规定的参考白点色度坐标为x=0.3127,y=0.3290,Y=100cd/m2。

这就又回到我们一开始提到的同色异谱问题。当两种光谱分布不同的色彩,在观察者看来却是相同色彩,这种 现象就叫做同色异谱。当两台显示设备的CIE x,y,Y值相同时,理论上应该是同色异谱,在这里事情就变得有趣了,因为多数的实际情况是:两台显示设备的光谱分布不同,虽然其x,y,Y的值相同,但 是视觉上却不匹配。这种情况我们就称之为同色异谱失败。这里我要简要的说几句:对于全世界范围内的色彩专家来说,在抽象的色彩科学中使用“同色异谱失败” 这个词其实是不恰当的,这也是“同色异谱失败”存在争议的地方。我们所讲的同色异谱失败其实是与观察者相关的。大家刚才也看到,我们的问题实际上跟所应用 的色彩模型相关。所以如果能给同色异谱一个更为学术性的定义,则可以完全解决这个问题。本来应该符合同色异谱的情况,却出现了同色异谱失败。因此我们来探 讨一下这个问题产生的理论条件也无可厚非。所以综合来说,我们使用“同色异谱失败”这个词是很合理的。

说到这里,我们不得不区别一下,我们这里讨论的显示设备色彩难以匹配的问题跟测量设备性能不好而造成的 无法匹配,二者是不同的概念。比如说,低端的测量设备可能测出CIE x,y,Y是匹配的,而高端测量设备测到两台显示设备的x,y,Y值却明显不匹配。即使是高端的分色色度计,它的准确性也无法与分光光度计相比。这些实际 情况(设备测量结果不准)会使显示设备匹配更加困难。但即便采用最高端的分光光度计测量,同色异谱的问题也仍然存在,这就无法解释了。其本质原因就 是:CIE1931标准观察者模型本身无法准确预测后来出现了如此多的不同显示设备之间的同色异谱问题。

既然我们知道了CIE1931模型在不同的显示设备之间经常是无法完全匹配的,你可能会问:那为什么还 要用这个模型呢?事实证明,目前还没有创造出优于CIE 1931的模型。业内也曾考虑并试图采用新的实验数据、新的视角等等,但效果却不明显,并没有比目前的标准好多少。部分原因是由于观察者的个体差异,让建 立新标准这个事变得更难了。由于每个观察者的三种视锥细胞比例、分布情况、以及敏感度都各有不同,所以每个人看到的色彩都多少会有差异。尽管如此,我们已 经从CRT的主流时代步入到了近年来的显示设备多样化的时代,有人也开始采用色彩学的其它方法,来帮助进行某些显示设备的色彩匹配工作。
CIE1931 2⁰标准观察者配色函数不是唯一的CMF,之后还出现了很多其他的配色函数来弥补CIE1931的不足。其中,在某些显示技术中应用最广泛的要数 Judd-Vos修正版的配色函数了(尊正OLED监视器内置了这个选项)。这个配色函数有针对性地解决了CIE1931的不足,解决了可见光范围内的短 波长光的光谱响应问题。在大多数波长都在460nm以下的显示设备上,使用Judd配色函数可与显示技术不同的显示设备达到更好的配色效果。该配色函数基 本用在OLED显示设备上。在OLED显示设备上,一般认为Judd-Vos修正版的配色函数的表现要比CIE1931好。起码看起来与其他显示技术的显 示设备更接近。

经验告诉我们,想要完美地解决同色异谱失败问题是很难的。采用其他的配色函数起码存在两个问题:首先, 大多数的测量设备测得的值都是基于CIE1931的值,而不是基于其他的CMF。虽然有些测量设备也支持或者本身就是基于其他的配色函数,也可使用软件在 二者之间转换,但这都不是普遍情况。其次,显示设备设置的参考值都是基于CIE1931的x,y,Y值。在采用Judd配色函数的情况下,专门针对 OLED显示设备的一般解决方法,是将给定视频标准的CIE1931的x,y,Y值转换为另一组经修正的其他配色函数中与CIE1931的x,y,Y的值 等效的值。这样的话,我们就可以利用现有的设备,来校正和重新换算修正后的配色函数中x,y,Y的目标值。使用其他配色函数近年来得到了一些最新的视频显 示标准的承认和肯定。
现在有了除CIE1931之外的其他配色函数,尽管这可能是一大进步,但是对于很 多公司来说,他们可能一个工作室里同时摆放了多种不同显示技术的显示设备,因此他们就希望有一种能将这些显示设备互相匹配的方法。幸运的是,的确有这样一 种工作流程,比其它任何方法的效果都好。而且整个流程很简明。首先要确定哪台显示设备是主显示设备(一般称为参考监视器或者主控级监视器)——在后期制作 流程中,一般都是调色师或剪辑师的显示设备。这台主显示设备要校正到符合一般的客观标准。第二个步骤是将另一台显示设备(比如客户的显示设备)校正到与主 显示设备匹配。如果客户的显示设备支持3D LUT校正,或连接了外置的LUT box,那么使用LightSpace或CalMAN这类软件就可以很简单的完成这个校正。因为这类软件在生成LUT时可自定义目标值。FSI网站有相关 的白皮书,更为详尽地介绍了这个校正过程。前提是在主显示设备和客户的显示设备上都生成标准的白色测试序列,然后再手动调整副显示设备的白平衡,直到它与 主显示设备匹配为止。必须要确保这种白平衡的调整只是影响副显示设备,而主显示设备的白平衡是保持不变的。FSI(尊正)及其他一些品牌都有相关服务,来 帮助使用者更为方便地通过软件进行匹配。当达到视觉上的匹配之后,测量副显示设备的x,y,Y值,然后将这个值作为副显示设备生成校正LUT的目标值。这 样做不仅可以做到与主显示设备的视觉匹配,而且还可以将副显示设备按照你所定义的参数值进行校正。

视觉校正的结果可能很好,但还是有一些不足之处。首先就是校正结果会因观察者的不同而不同。对一个观察 者来说完美的匹配,对于其他的观察者则未必。目前的色彩学发展对这个问题还没有什么解决办法。只有在光谱功率分布完全相同的显示设备之间所做的视觉匹配, 在所有观察者看来才都完全一致。其他的不足与显示设备的相对性能有关,对比度较强、色域较宽的显示设备可与对比度较弱、色域较窄的显示设备匹配,但反过来 不行。对于多数用户来说,如果可达到不错的色彩匹配,一些类似于对比度差异的问题也可忽略。但是不同的显示设备对比度表现方面的差异很大,所以你可能会 想,如果将对比度加以限制,使显示设备表现更好,是否能获得更好的视觉匹配效果呢?其他差异,如视角差异和显示设备一致性等问题,则更难解释,所以我推荐 您选择好的产品并合理设置房间,这样有助于解决相关问题。

大家应该知道,将显示设备色彩匹配好不是一件简单的事,但也有人过于夸大了它的难度。色彩匹配问题起源 于同一个工作环境中摆放了不同显示技术的显示设备。我们刚才讲的这些可用的方法都有助于解决这个问题,但是如果你的确是使用了不同显示技术的显示设备,但 它们不摆放在同一个环境中,除了按照一般客观标准的规定,做必要的校正之外,并不需要特别地进行匹配。原因就在于人眼是很优秀、很精密的测量仪器,但它测 量的客观性却很差。换句话说,如果你把两台显示设备并排摆放,哪怕是极小的差别都能看得出。但是如果你把它们放在不同的房间,必须要有很大差别,观察者才 能在走出一个房间,进入另一个房间之后看得出两者之间的差别。

最后,在理解了前面所讲知识的基础上,我们就来回顾一下,看看该如何合理设置房间。有的工作室的设置是 一台显示设备的工作环境。也就是说,调色师和剪辑师工作的显示设备就是客户看的显示设备。很显然,这样设置就没有显示设备匹配的顾虑了。但不是所有的工作 室都能这样设置,也不是所有人在这样的房间工作都能感觉自如。另一个比较好的设置方法是将调色师的主显示设备从客户的视线中移开,这也能缓和客户观看时的 显示设备匹配问题。但这些方法都不是万能钥匙。

如果大家遇到显示设备匹配的问题,希望这个讲座对你有帮助,因为这里讲到了造成该问题的本质原因和一些解决问题的实用技巧。如果您有感兴趣的话题,希望我们解答,可联系我们。也欢迎大家登录官网学习更多相关知识。谢谢!