Læs med, når gæsteskribent Lars Østerballe kaster sig over en omfattende kalibrering af et LG OLED-tv i en artikelserie i 6 dele. Lars giver dig undervejs indblik i nogle af de fundamentale elementer i billedgengivelse og kalibrering samt billedstandarder, herunder HDR. Alt sammen illustreret i grafer og med billedeksempler. God fornøjelse!
- Forord af Rasmus Larsen, redaktør.

Indholdsfortegnelse:
Luma, gamma, kontrast, skyggedetaljer og farver
Synet, tolerance og adaptering
Udbrænding/WtW
HDR og udbrænding
Kalibrering til mørke og lyse omgivelser
Problemer introduceret ved kalibrering & afrunding


Indledning

Artikelserien her, som jeg på opfordring fra Rasmus Larsen/flatpanels.dk, bringer her, er oprindeligt udgivet som en række indlæg skrevet i en diskussionstråd om kalibrering af LGs 2016-model af deres OLED-TV-serie. Tråden blev oprindeligt startet af brugeren “TV Kalibrering” på recordere.dk, men udviklede sig i mine indlæg til at blive en case-baseret indføring i både simple og avancerede kalibreringsprincipper af både TV og omgivelser. Der blev inddraget erfaringer fra og resultater af eksperimenter med både LGs OLED-TV og andre TV-modeller for at indføre læseren i anvendelsen af de grundlæggende teorier for farvegengivelse og farveopfattelse.

Dermed håber jeg at åbne op for indsigt i både den teoretiske og håndværksmæssige kompleksitet i en godt udført kalibrering af hjemmebiografen - men samtidigt give en forståelse af, at der ikke er tale om en “magisk” operation - blot et grundigt håndværk og forståelse af billedgengivelse.

Jeg valgte oprindeligt at opdele det samlede indlæg i et antal kapitler fordelt over en lille uges tid, da jeg vurderede, at det ellers kunne blive en alt for stor mundfuld at favne på én gang - men jeg håber under alle omstændigheder, at der er noget at hente omkring kalibrering for de interesserede i de følgende delartikler. Selv forbeholder jeg mig altid retten til at blive klogere, for det som jeg “doserer” i det følgende er blot det, som jeg har samlet op gennem praktiske erfaringer, eksperimenter, læsning og refleksioner over det hele gennem nogle år - og dermed er det ikke nødvendigvis sandheden, men det er det mest sande, som jeg ved om farvegengivelsen indtil videre. Der er meget mere at sige om f.eks. de-interlacing o.l., men det er ikke en del af denne artikelserie.

Artikelserien tager i praksis udgangspunkt i luma-kurven, som beskriver rigtig mange aspekter ved farvegengivelsen gennem afbildning af lysstyrken som funktion af signalet, der sendes ind til TV’et.


1. Luma, gamma, kontrast, skyggedetaljer og farver

Lad os komme i gang: For en god ordens skyld må vi hellere lige få luma-kurven på skærmen (for Rec.709(HD/SD, ikke HDR) på LG OLED-TV’et):

Luma-kurve for LG OLED-TV
(kun lysstyrke som funktion af stimuli)

Luma-kurven beskriver, hvor meget lys der kommer ud af TV’et (op ad Y-aksen) i forhold til, hvad der kommer ind (stimulus). Hvis vi f.eks. sender et 50% stimulus ind (IRE50 ~ 50% grå), sendes der i dette tilfælde lys ud med lysstyrken 22.24 nits. Enheden “nits” kaldes også “cd/m^2” og ofte benævnes output’et/lysstyrken Y’.

Nu er tricket, at lyset, der måles på, er hvidt lys (eller “gråt”, afh. af lysstyrken, grå = svagere hvid), men husk her på, at hvidt lys består af rødt, grønt og blåt lys. Vi kan derfor splitte luma-kurven op i disse tre primærfarver (som så hedder R’, G’ og B’):

Luma-kurve for LG OLED-TV opsplittet i RGB

Der er altså tale om den samme kurve (mens den stiplede linje er målet/referencen, der sigtes efter).

Det ser ikke helt tosset ud, for luma-kurverne for de tre primærfarver (R’, B’ og G’) følges ad. Vi skal senere se, hvad der kan ske, hvis dette ikke er tilfældet, og man kan blive snydt af det, som man kan se i måling af hvidbalancen.

Luma-kurven er hjertet i farvegengivelse såvel som i gråtoneskalaen, og den meget omtalte gamma for billedet kan findes som den afledte af luma-kurven - eller udtrykt simplere: Gamma’en er et udtryk for kurvens krumning i et givent punkt. Luma-kurven for LG OLED-TV’et med reference i BT.1886, som faktisk har en eksponent (“gamma”) på 2.4, ligger lidt for højt (og det kan der være mange grunde til), når der måles gråtoneskala på APL-testbilleder med en skærmbelastning i omegnen af 15%, jf. APL (average picture level):

Gamma-kurve for LG OLED-TV

Her ser vi, hvordan OLED-teknologien i dette LG-TV virkelig kan levere en “pæn”/flad gamma-kurve. Man kan diskutere om en flad gamma-kurve faktisk er målet altid, men med OLED-teknologien, som kan levere helt sort i praksis, reduceres BT-1886-gamma’en til en meget simpel overføringsfunktion, fordi der ikke er noget offset i forhold til sort. Dette offset (altså at sort ikke er helt sort i praksis for de felste TV) er netop en af de ting, som endelig blev specificeret med BT.1886, hvor Rec.709 kun omtaler kamera-gamma-funktionen og implicit den måde, som en CRT-skærm fungerede på, hvoraf “myten” om et gamma-mål på 2.2 stammer. Når offset’et er nul, er en flad gamma et godt mål i mørke omgivelser. Dette er som nævnt ikke nødvendigvis målet for en skærm, som ikke præsterer fuldstændigt sort, heller ikke Pioneers 9G plasma-TV, hvor der vil være et lille offset.

Som man kan se, præsteres i praksis en gamma på 2.15 for dette TV (og her skal retfærdigvis siges, at luma-kurven ikke er blevet kalibreret vha. gamma-equalizeren endnu). En lidt lav gamma gør dog, at TV’et kan performe bedre i et lysere rum (evt. sammen med en svagt hævet LYS-indstilling og/eller manipulation af shadow-details).

For lige at vende tilbage til gamma’ens betydning for farvegengivelsen, har jeg for nogle år siden lavet et par simple animationer ud fra et kalibreret Pioneer 9G, der viser forskellen på en lavere gamma (“flat gamma”) og en Rec.709-gamma (“Rec.709”) med en luma-kurve, som er lidt mere udbøjet/mere krum i mellemtonerne (lokalt højere gamma), og hvor der tages højde for shadow-details i den lave del af luma-kurven (lokalt lavere gamma), som beskrevet i Rec.709, hvilket giver en resulterende/gennemsnitlig gamma på ca. 2.3+ for Rec.709 mod ca. 2.2 for den flade gamma:

Fotografi af forskel i farvemætning for to forskellige gamma-forløb

Læg mærke til, at den simple gamma, som overordnet set er mindre end Rec.709-gamma’en, giver en mere mælket/undermættet farvegengivelse. Det er altså af betydning for farvegengivelsen, at luma-kurven har den korrekte form, da man på denne måde kan bringe både farver og detaljer frem i billedet. Dermed er det også klart, at LYS- og etv. FARVE-indstillingerne efterfølgende skal justeres i samspil med kalibrering af luma-kurven (og dermed gråtoneskala/gamma).

Billedet herover viser ikke korrekt, at shadow-details (nuancer meget tæt på sort) ikke kun er bevarede men også er forbedrede. Det ser man lettere på næste billede, som illustrerer forskellene i netop shadow-details:

Fotografi af forskel i farvemætning for to forskellige gamma-forløb

Læg specielt mærke til skyerne og detaljer på bygningerne. Dette er helt den samme kalibrering, som der er anvendt på billedet ovenfor, som demonstrerer farvegengivelsen.

For dem, der sidder og tænker på, hvordan det kan være, at farvegengivelsen påvirkes af lysstyrken, giver det måske mening at minde om, at luma-kurven består af røde, grønne og blå kurver, og summen af disse giver lyset. Måske giver det mening at eksemplificere:

Hvis man vil have en 100% mættet rød farve, kan dette udtrykkes som et tristimulus (R;G;B) = (100%;0%;0%), altså kun stimulus (x-aksen på luma-kurven) på den røde farve, som giver maksimal lysudsendelse(* her ses bort fra whiter-than-white, WtW) for den røde farve alene (y-aksen på luma-kurven). Læg mærke til, at et tristimulus (R;G;B) = (10%;0%;0%) også er 100% mættet rød - men med en meget lavere lysstyrke. Dette kan nogle gange være noget, man skal tænke over et par gange for at få ind på rygraden. Det får betydning for den oplevede farve (vi kan kalde det “farvestyrken”), hvis luma-kurven klippes ved høje stimuli (input-værdier). Dette kommer vi tilbage til i forbindelse med diskussion af LG-TV’ets HDR-10-luma-kurve og dennes betydning for farvegengivelsen.

Hvis man vil have en lidt mindre mættet rød farve, skal den indeholde noget grønt og noget blåt også (lige store dele), f.eks. (R;G;B) = (100%;50%;50%), og vi placerer dermed den resulterende farve et sted på den (vand-)rette linje mellem hvidpunktet (D65, i midten) og maksimal rød i gamut’ens røde hjørne.

På illustrationen herunder har jeg forsøgt at illustrere farvemætningsbegrebet (samt hue/tint) i forhold til CIE-diagrammet:

Gamut med illustration af betydningen af farvemætning og hue/tint

Hvis der ikke er samme mængde grønt og blåt i farvesammensætningen, bevæger farven sig væk fra linjen i en retning bestemt af forholdet mellem grønt og blåt indhold. Den røde farve får en hue eller tint. Samme logik gælder for alle andre farver.

Hvis vi kort vender tilbage til den røde mætning netop beskrevet, er den altså udtrykt en størrelse, der er i familie med forholdet mellem størrelsen af R’ og størrelsen af G’ (eller B’, som er det samme som B): Jo større forskel udtrykt ved d’ = R’/G’, jo større mætning og vice versa (AKA tone-alteration). 

Dette forhold påvirkes direkte af krumningen på luma-kurven (se eksemplet herunder...), på en måde som giver os, at d’ = R’/G’ er større for en højere gamma (større krumning) end for en lavere gamma. Dette stemmer overens med billedet med de to unge damer ovenfor, hvor den højere lokale gamma i mellemtoneområdet giver mere glød i hudfarverne og dybere farver i tøjet.

For de matematisk indstillede: Hvis vi forestiller os to forskellige luma-responsfunktioner med gamma på hhv. 1.7 og 2.35, vil de se således ud (som simple potensfunktioner):

Tone-alteration som funktion af ændret gamma

Jeg har på grafen aflæst lysstyrkerne for 30% og 60% stimuli for begge luma-kurver, og vi får kontrastforholdet mellem 60% grå og 30% grå for de to responser til at være:




Vi kan altså se, at vi har øget oplevelsen af kontrast ca. 4 gange internt i billedet uden at skrue på hverken den maksimale lysstyrke (vha. KONTRAST) eller sortniveauet (vha. LYS). Dette har også påvirket farvemætningen. Shadow-details kan lide under denne operation (fordi luma-kurven er fladere i bunden), hvis man ikke gøre noget aktivt for at løse det problem. 

På mit eget Pioneer 9G, har jeg løst denne opgave (sammen med ønsket om at lave en fungerende all-round profil til stuen) ved at sigte efter denne gamma-kurve, som er funderet i Rec.709 (pre. BT.1886) + teori for end-to-end-gamma for et lettere oplyst rum:

Target gamma-kurve til let oplyst rum

I praksis kom kalibreringen til at se således ud:

Faktisk kalibrering (gul kurve)

Denne form for kalibrering er ikke dækket af standarder som f.eks. BT.1886 o.l. men kan have relevans for rum med belysning (faktisk helt ned til meget lav belysning).

---

2. del af artikelserien bringes den 26. december. Den handler om "Synet, tolerance og adaptering"

×Om Lars Østerballe:
Jeg har de sidste godt 10 år beskæftiget mig med emnet “kalibrering af TV” - med udspring i en oplevelse, hvor jeg en dag kom til at indstille mit gode, gamle Philips billedrørs-TV på en måde, som gjorde, at jeg ikke vidste, hvordan jeg skulle indstille det tilbage til en lige så god indstilling som jeg mente det havde før jeg pillede ved det…

Denne oplevelse affødte hundredvis (hvis ikke tusindvis) af timers studier og eksperimenter med kalibrering af forskellige TV, hvor folk ville lægge udstyr og tid til. Mange tak for det - disse folk har også aktiver i denne artikelserie.

Min baggrund er uddannelser som programmør, svagstrømsingeniør og erhvervspædagog - og jeg oplever, at alle disse kompetencer kommer i spil i arbejdet med og formidlingen af TV-kalibrering i et eller andet omfang - men det er absolut ikke kompetencer, som er påkrævede for at kunne kalibrere et TV: Dertil kræves faktisk kun en brændende interesse for emnet.

Jeg håber at kunne videreformidle noget af denne entusiasme til dig som læser.