[轉載]色同質差──深入LCD的顯示顏色數與LUT

clubaudition

本文章最後由 clubaudition 於 2011-6-25 23:48 編輯

轉載於：NMM視頻技術論壇 翻譯：dgwxx
原文：http://plusd.itmedia.co.jp/pcuser/articles/0902/16/news001.html

注意LCD的最大顏色數
雖然LCD的產品說明中都寫有“最大顏色數”，但似乎留意到該項的人並不是很多。因為現如今幾乎所有產品都能夠擁有1600萬色的顯示能力，所以應該沒人會對此有所不滿。
但是，一個“最大顏色數”中卻存在著意想不到的陷阱。PC用LCD的理想目標，是能夠完全顯示PC輸出的RGB每通道8bit（共計3*8bit=24bit）、即Full Color數據。
RGB每通道8bit就意味著需要具備顯示1677萬色的能力。
計算方法如下：

8bit=2^8=256色
256色（R）× 256色（G）× 256色（B）= 16,777,216色
16,777,216色 ≒ 約1677萬色



現在希望您記住兩點。
第一點，目前並非所有主流LCD都能夠實現1677萬色顯示。
第二點，1677萬色顯示的表現方式並不相同。目前消費級LCD的最大顏色數和實現方式主要有以下三種：



真正意義上實現1677萬色顯示的LCD，只有使用8bit驅動、顯示RGB每通道8bit數據的產品，即表格中的第1類產品。與原生8bit顯示相對，
表中的第2和第3類產品則是所謂的“偽Full Color”顯示，在降低生產成本的同時，理論上顏色的表現力要劣於8bit驅動的面板。
在產品性能標識上，第3類產品因其顏色數為約1619萬色／約1620萬色比較易於辨別。但第1、2類產品因為顏色數都是約1677萬色，比較難以區分。
因為前者在畫質表現上具有優勢，所以如果需要用於圖形處理等領域，選擇時就要特別留意。
在這裡插一句，液晶電視和商用領域所使用的LCD中有些產品是使用10bit驅動的液晶面板生產的。理論上可以顯示1,073,741,824色（約10億7300萬色）。
因為需要配合10bit輸出的圖形設備和專業的軟件使用，所以在PC領域還遠遠說不上普及。

下面簡單說說FRC這個東西。所謂FRC（Frame Rate Control）是指利用人眼的視覺暫留特性，通過操控畫面更新頻率（Frame Rate），
在視覺上增加顏色數量的技術。打個簡單的比方，如果用很高的頻率交叉顯示“白色”和“紅色”，那麼在人眼看來就成了“粉色”。
具體到“6bit驅動面板+FRC”的LCD，液晶面板能夠顯示的顏色數只有可憐的6bit(2^6=64)^3=262,144色。此時讓FRC作用於每個RGB通道，
通過改變液晶顯示每個顏色的間隔，在每兩種顏色中間再生成3種偽色（4bit驅動FRC）。以此，可以為RGB每通道都增加189種偽顏色（(6bit-1)×3=189色）。
把這189種顏色加上，就能實現(2^6+189)^3=16,194,277色（≒約1619萬色／約1620萬色）的顯示。

目前，在採用新一代FRC技術的產品在逐漸增多。通過比傳統FRC技術更多的bit數來生成更多的偽色，再從中選出“Full Color”範圍內的其他顏色，來實現1677萬色顯示。
話說回來，影響畫質的因素不只有液晶面板一項，其他因素（圖形處理芯片）對畫面的影響也非常大。因此“8bit驅動”和“6bit驅動+FRC”兩種顯示方式之間的差距有時候會比較難以分辨。
通過明暗線性變化的灰階圖來區別，應該會比較明顯。這種性質，無論是在靜止圖形中，還是在視頻、遊戲應用中都相同。



上圖為“8bit fullcolor”顯示（左）和“6bit驅動+FRC”的偽full color顯示的灰階對比示意圖。示意圖中為了強調二者之間的差距進行了可以的誇張，實際上前者的灰階表現力的確要高於後者。

大於8bit的LUT的重要性
雖然前面寫道“6bit驅動+FRC畫質不如8bit驅動好”，但也不能因此一概而論地說8bit驅動面板的顏色數和色階顯示就一定好。
在提升LCD顏色表現力的過程中，Lookup table（略作LUT）起著舉足輕重的地位。
所謂LUT，就是指將某些運算的結果事先存儲的列表。在某個系統中，當發生某些特定的運算時，通過查表取得事先計算好的結果，可以大幅提高效率。（註解：有點類似於我們熟悉的乘法口訣。）
具體到LCD中的LUT的話，就是將從PC端取得的訊號（RGB各8bit），和輸出到LCD端的輸出訊號（RGB各8bit）事先進行計算並一一反射的功能。
廉價液晶通常使用8bit的LUT，而註解重顏色表現能力的液晶則通常使用10bit、12bit等大於8bit的LUT，在輸入、輸出訊號之間的反射過程中，也採用10bit以上的內部計算精度。

先從大於8bit的LUT的效能說起。比如，某產品介紹中標有“約1677萬色（10億6433萬色中）”，就說明該產品具有RGB各10bit的LUT（1024^3=10億6433萬色）。
具體來說，顯示器會先將從PC端輸入的RGB各8bit訊號提升至顯示器內部處理用的10bit訊號，再按照10bit的LUT尋找找最合適的8bit輸出值，進行顯示輸出。
因此，Gamma曲線可以更加接近理論曲線，banding、色相偏移等問題的發生大幅度地減少。
若是12bit LUT，則是從680億種顏色中選取合適的1677萬色，比10bit LUT的顏色還原能力更加優秀。
接下來說說將RGB各8bit輸入訊號提升至顯示器內部10bit以上的精度的處理運算。
就算LUT只有10bit或12bit，若採用14bit或16bit的計算處理精度依舊可以獲得更好的結果。
可能有人會懷疑，反正最終輸出也只有8bit，是否有必要採用那麼高的計算精度。
但我要說的是，要展現正確的圖形暗部，顯示器內部的處理精度是非常重要的。
簡單說，內部處理的精度越高，暗部的Gamma曲線就越接近理論曲線。
縱觀當今的液晶顯示器，就算是比較廉價的產品中，採用10bit LUT的產品也越來越多。
但是，運算精度超過LUT精度的依舊僅限於少數高檔產品。



特別是12bit LUT+14/16bit內部運算的超高精度僅見於帶有顏色管理的高檔LCD。
實際上，8bit LUT+8bit運算產品和10bit以上LUT+10bit以上運算精度的產品之間的差異有時意外的明顯。具備這個等級精度的高檔產品通常也帶有高性能的圖形處理器，
比起畫質參差不齊的入門級產品，畫質的差別就更加明顯了。在顯示灰階時，具備高精度LUT/高精度計算的產品在暗部表現通常更加平滑。此類產品的banding和色相偏移幾乎為0，
灰階過渡自然，對比度也更加穩定。追求顏色還原性能的使用者自然不必說，對畫質稍微有些追求的使用者，也推薦選購具備10bit LUT的產品。



通過10bit以上LUT+10bit以上的運算精度改善灰階過渡的示意圖。可以使Gamma曲線更加接近理想狀態。

精度更高的3D-LUT
一些Hi-End級的LCD採用了下一代的LUT──3D-LUT。在傳統的LUT中，RGB每個通道都有單獨的LUT，
當需要表現某個顏色的時候，需要分別參照RGB每個顏色的LUT，使用從每個LUT中獲得的RGB顏色計算需要顯示的顏色。
而3D-LUT則將RGB三個顏色混合成為一個立體的LUT（可以理解為XYZ軸分別是RGB的立方體）。
因為LUT上具有RGB混合後的中層灰度，所以在中層灰度的表現性和Gray scale的正確性上具有進步。
以EIZO的寬屏液晶顯示器為例，ColorEdge CG242W就採用了3D-LUT。比起傳統LUT，這款產品在中層灰度的測定值和理論值之間相差極小。
3D-LUT在顏色管理環境中進行顏色空間轉換時也能發揮其威力。
將某個顏色空間中的1677萬種顏色轉換成其他顏色空間的時候，可以將源空間的損失降到最低，進行高精度的轉換。
不僅如此，由於在RGB混合（加法混色）的還原性上有所進步，在調整亮度、色度、色相的圖形編輯過程中，可以將使用者對各種參數的調節線性反應到顯示上。
與傳統LUT相比，3D-LUT的調色點更多，加法混色性能更加優秀。這點恐怕是最為重視顏色還原的顏色管理LCD最為重要的特性。



綜合以上，液晶面板的驅動bit數、LUT和內部計算精度在很大程度上影響著液晶的顏色還原。就算各項性能指標相同的顯示器（註解：指同為1677萬色），實際進行對比之後有時也會發現很大的不同。
所以，顯示器的性能決不是一張說明書所能夠說得清的，所以在此我再次建議您在選購前進行實際考察與對比。

len1978

這篇文章很實用啊，在進行PC(WINDOW XP)的校正前，仍然會想測看看自已這台32吋液晶電視的可顯示色階能力到那裡。

先前我用的這台低規格的VIZIO 32吋液晶電視(我都當顯示器用)，使用VGA介面時覺得PC上圖片的色彩表現還可以。
只要稍微調一下顯卡控制面板的亮度和對比，就能得到感覺正常的效果。
昨日開始改用DVI介面後，不論我怎麼調，整個畫面的色彩、GAMMA及灰階的色調等等都表現的非常奇怪，尤其是先前一些拍照的圖片，怎麼看都不順眼。
然後今天才用一些軟體工具及spyder 3 express來調整螢幕。

事前還是要先用工具測一下並調整亮度與對比，結果灰階變化情況的確就像樓主有提到的情況一樣，這台低階顯示器的色階表現很差....尤其在暗部0~10是呈現很不連續的色階過渡情況=.=

後續使用spyder 3內附的校正程式跑過一遍校正流程(程式內建的)後，馬上就可感覺到PC上圖片的色彩/GAMMA等看起來像正常的樣子了。
感想就是這個去年敗入的便宜校色計，對我來說夠值得啊~


有興趣調整/測試自已的LCD顯示器時，可以參考下面2個站外參考文章：

1.螢幕設定概念分享

2.[軟體分享]測試螢幕色階的小程式 GradientShower