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最高显示色彩和查找表: 选择显示器时的两个考虑因素

在本文中,我们将一起了解可以显示的最高显示色彩和查找表(LUT)的色阶效果。 虽然这些因素普通用户在选择产品时不会考虑,但它们对于色彩还原具有显著影响。 用户最好能够了解这些因素,尤其是在选择液晶显示器用于色彩处理应用时,例如照片润饰或设计工作。

 

注: 以下是2009年2月18日在ITmedia上发表的日文文章“最高显示色彩和查找表:选择显示器时应考虑的两个因素”的翻译。 版权所有2011 ITmedia公司。保留所有权利。

仔细查看液晶显示器能够显示的最大颜色数

虽然大多数液晶显示器的目录显示了各个型号可显示的最高颜色数量,但很少有人会注意这个数字。 这是因为当今大多数产品显示的颜色数量都非常惊人—超过1600万色。 用户不太可能会因为产品显示的颜色太少而不满意。 然而,最高颜色数量与一些意想不到的缺陷存在关系。

 

目前可用于PC的液晶显示器需要以PC的8位RGB色(总共24位)输入所产生的颜色数量来精确显示全色视频信号。 根据以下计算,对每种RGB色使用8位,就可以产生大约1677万色:

色彩还原

我们需要注意两点: 首先,并不是所有主流的液晶显示器都能还原约1677万色全色范围。 其次,1677万色全色范围可以以不同的方式来实现。 目前市面上的液晶显示器一般可以按照最高颜色数量和色彩还原方法分成以下三类。

液晶显示器的最高颜色数量和色彩还原方法

上面的表中只有第1类液晶显示器实现了真正意义的全色,能够在8位液晶面板上以8位还原每种RGB色。 第2或第3类产品提供的是所谓的虚拟全色。 虚拟全色产品的成本较低,但所提供的色阶表现弱于真正的8位液晶面板。

照片: 22英寸宽屏FlexScan S2243W以8位运行,显示约1677万色
照片: 22英寸宽屏FlexScan S2243W以8位运行,显示约1677万色

 

当我们查看显示器规格时,很容易识别第3类显示器: 颜色数量的规格标为1619或1620万。 但是,由于第1和第2类的颜色数量均为约1677万色,仅从目录中可能难以识别适用的类型。 8位运行的液晶面板在画面质量方面更加优异,建议用户在选择用于图形应用的显示器时要加以注意。 (注意,在某些情况下,规格中会以24位代替,同样代表每种RGB色8位。)

 

某些用于商业用途的液晶电视和液晶显示器采用的是10位RGB色的液晶面板。 从理论上讲,这些显示器可以实现1073741824(或约10.73亿)色;但它们还需要配合能够处理10位色彩的图形加速器和软件。 由于这些原因,它们还没有在PC行业普及。

 

让我们来看看关于帧速率控制 (FRC) 的简单描述。 FRC是通过控制帧速率,利用人眼的余像效应,以增加表观颜色数量的系统。 例如,快速切换白色和红色将让人的眼睛产生粉红色的感觉。

 

6位+FRC的液晶面板实际只能显示262,144种颜色(6位[26=64]的3次方[对每种RGB色])。 我们可以对每种RGB颜色运用FRC,并改变每个液晶面板的原始颜色之间的显示间隔(对于4位FRC),在每对颜色之间生成三个模拟色。 对于每种RGB色,这增加了以下模拟色: (6位 - 1)*3=189种颜色。 我们通过计算(6位+189= 253)的三次方(每种RGB色)得到颜色总数=16194277色(≈约1619或1620万色)。

 

近年来,越来越多的产品采用了将FRC进一步发扬光大的技术。 这些技术以超过传统FRC的位数来生成更多模拟色,然后以这些8位(256阶)色在液晶显示器上实现全色显示,还原约1677万色。

 

根据实际情况,面板以外的因素,例如用于图像控制的集成电路的质量,也会显著影响图像质量。 8位和6位+FRC之间的图像质量差异往往无法用肉眼识别。 尽量减少环境照明(例如,通过调暗灯光)可以使这种差异更容易被发现。 使用从阴影到高光线性改变的色阶图案能够突出这种差异。 这种显示特性同样适用于静止图像、运动图像、游戏和其他应用程序。

8位和6位对比
采用8位全色显示(左)和6位+FRC虚拟全色显示(右)的样本色阶显示。 虽然这种显示夸大了差异,以方便人们辨识,但8位显示一般能够提供更高的色阶显示能力。
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8位以上查找表的重要性

我们注意到,6位+FRC在色阶显示能力方面不如8位显示。 然而,这并不意味着8位显示在色彩还原和色阶方面总是更好。 查找表(LUT)是液晶显示器的色调等级和色彩过渡显示能力的关键因素。

 

LUT是一个包含计算结果的表。 当一个系统需要处理标准化的计算时,我们可以查找它的LUT值,而不需要进行计算,从而提高性能。

 

在液晶显示器领域,术语LUT是指计算PC的输入信号(每种RGB色8位),并将它们映射到适合于液晶显示器的输出信号(也是每种RGB色8位)的一个元件。 廉价的液晶显示器采用的是每种RGB色8位的LUT表;而设计用于色彩还原应用的液晶显示器采用的LUT每种RGB色多于8位(即,10或12位),并使用10位或更高的内部计算将输入信号映射到输出信号。

处理视频信号/伽马曲线图片
从视频信号输入到在液晶显示器(带有LUT并且内部精度超过8位)上显示的流程图。 假设各个液晶面板之间没有差别,基于计算预先确定目标伽马属性(即,1.8或2.2)。 因为仅仅确定目标伽马属性并不能获得正确的色温,所以还要以高于8位的精度计算色彩空间,并配置覆盖白色色温的色域。 在输出侧的校正可以抵消各个液晶面板之间的差异,并产生一个平滑的色调曲线。 超过8位的LUT能够以更细微的色调变化进行彩色显示。

 

超过8位的LUT如何提高显示质量? 如果目录声称液晶显示器能够显示“约1677万(共1064330000)”色,说明该设备采用的是每种RGB色10位(1024色阶的3次方=1064330000色)的LUT。 具体而言,从PC输入的信号,每种RGB色8位,取决于液晶显示器在每种RGB色10位的多色阶,然后以每种RGB色8位的最佳显示色彩输出。 这使得色调过渡变得更加平滑,并通过改善输出中每种RGB色的伽马曲线来改进色调差异。 12位LUT可从大约680亿色中生成约1677万最佳颜色,对色彩还原和色阶的改善甚至超过10位LUT。

 

接下来,让我们看看液晶显示器每种RGB色的10位或更高位LUT如何计算每种RGB色输入信号8位的多色阶。 即使我们使用一个10位或12位的LUT,计算14或16位多色阶也能够获得更精确的最终色调过渡。 最终输出只有8位时,对16位精度的需求可能还不是很明显,但当我们试图显示低色阶色域(阴影色域)上色彩之间的细微差别时,内部计算的精度就会非常重要。 本质上,在内部计算中使用的位数越高,低色阶色域的伽马曲线就越接近理论曲线。

 

纵观目前市场上的液晶显示器,即使是较低成本的类别,也有越来越多的产品提供10位LUT。 然而,在这些类别中,只有顶级的产品才提供大于LUT位数的内部计算位数。 特别是采用12位LUT和14或16位内部计算,色彩处理能力能够满足最严格要求的型号,才适合进行色彩管理,用于需要高性能色彩的应用。

 

采用8位LUT和8位内部计算的显示器与采用10位或更高位LUT和10位或更高位内部计算的显示器进行目视比较,表现出了令人意想不到的巨大差异。 由于后一类产品往往会配备用于图像控制的高性能芯片,对于挑剔的观众来说,在画面质量上与性能参差不齐的入门级产品的差别可能更为明显。 当我们查看灰阶图时,具有较高位LUT和内部计算的型号往往能够产生更平滑的色调过渡,更好地显示阴影区域的色调。 这样的产品几乎没有色调跳跃或差异,并且对比度稳定,色阶中的亮度和暗度表现自然。 出于所有这些原因,我们推荐使用LUT至少10位的产品,不仅适用于需要高保真色彩还原的应用,也适合寻求更高画面质量的普通PC用户。

色阶改善的体现
使用10位或更高位LUT和10位或更高位内部计算进行如下调整就能够体现出色阶的改善。 伽马曲线更接近于理想曲线,具有平滑的色阶表示。
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3D-LUT,进一步提高查找表精度

一些高端液晶显示器采用了3D-LUT,将LUT的概念大大向前推进了一步。 传统的LUT系统对每种RGB色有一个LUT,在显示特定颜色时查找每种RGB色的LUT,并使用每个LUT的三种RGB色计算目标色。

 

相比之下,3D-LUT是一个三维LUT,将每种RGB色混合(即三维表,将R、G、B分配到3个轴上)。 由于LUT包括中间色阶的点,将R、G和B相混合,所以能够改善中间色阶的色彩表现,改善色阶精度。

 

我们以艺卓的宽屏液晶显示器为例。 ColorEdge系列的CG242W型号采用了3D-LUT。 中间色阶等级的理论值和实际测量值之间的差异比使用传统LUT时更小。

ColorEdge CG242W是艺卓Nanao的一款24.1英寸宽屏液晶显示器,用于色彩管理应用(具备3D-LUT)
ColorEdge CG242W是艺卓Nanao的一款24.1英寸宽屏液晶显示器,用于色彩管理应用(具备3D-LUT)

 

3D-LUT也擅长在色彩管理环境中转换色域。 它们能够以极高的精度将分配给一个色域的大约1677万色重新分配到另一个色域,最大程度地减小原色域的信息丢失。 另外,由于3D-LUT通过RGB融合实现了更好的色彩还原,所以用户的操作和色彩调整通常能够在亮度、色度和色调等参数上获得预期的结果。 也许,这就是用于色彩管理的液晶显示器最重要的性能,对于这些显示器来说,精确的色彩还原就是重中之重。

3D-LUT提供了更多的色彩调整点

 

液晶显示面板的位数、LUT和内部计算精度都会显著影响液晶显示器的色彩还原能力。 在不少数情况下,即使乍看上去非常类似的产品规格也会带来显示特性的巨大差异。 单单依靠目录中的规格来评估显示器的图像质量并不切合实际;用户在购买显示器前应该亲眼对显示器进行检查。

 
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