Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék. Gamma görbe

Átírás

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék Gamma görbe LCD Monitor gamma karakterisztikáinak mérése OM2

2 Elméleti háttér 2017 LCD /Liquid Crystal Display/: Folyadékkristályos megjelenítő, a képernyő képpont mátrixból áll. A képpont /pixel/ a legkisebb képernyőn megjeleníthető információ. Egy-egy képpont 3, piros(r), zöld(g) és kék(b) alap színingert, más néven primert színszűrőkkel előállító szegmensből /szubpixelből/ áll (1.ábra). Ezen hármasság miatt a képpontot tripletnek is nevezik. A szubpixelek elhelyezkedése többféle lehet. (2., 3., 4.ábra) 1.ábra kiragadott LCD pixel 2.ábra Hitachi AS-IPS 3.ábra Samsung PLS (Apple Ipad) 4.ábra Sharp ASV X-GEN Az LCD-k háttérvilágítása megvalósítható direktben a teljes képernyő felületén, vagy él mentén bevilágítva (ekkor a fényt külön réteg oszlatja el és irányítja az LCD panel felé) (5. ábra) 5.ábra Direkt és él menti háttérvilágítás Az, hogy a képernyő háttérvilágításának fénye melyik szubpixelt mennyire világítson át, az LCD panelban elhelyezkedő folyadékkristályokra kapcsolt feszültség módosításával szabályozható. Egy tripleten belül a három, R, G és B szubpixel fizikai kiterjedése olyan kicsi, hogy megfelelő távolságból nézve a képernyőt, bőven szemünk szögfeloldási határa alatt vannak. Mivel a megfigyelő nem tudja megkülönböztetni egymástól a szubpixelelket, az egyes tripletek 1

3 primerjei összekeverednek, additív színkeverés jön létre. Így adódik egy-egy képpont kevert színe. A 6. ábra az additív színkeverés elvét mutatja, az egyes halmazrészek színét adó pixelmátrix-képekkel. 6.ábra Additív színkeverés A fényáteresztés kívánt szintjét a számítógép vagy televízió grafikus alrendszere csak bináris, digitális formában tudja megadni. Ezt a digitális információt viszont analóg feszültségértékké kell alakítani, amit röviden D/A-átalakításnak hívunk. Leggyakrabban 8 bites az átalakítás, ami 2 8 =256 lépcsőben teszi lehetővé a feszültség és ezen keresztül a fényáram változtatást. Színes kijelző esetén az átalakítás mindhárom primer esetében megtörténik, ami 2 8 *2 8 *2 8 =256 3 =16,7 millió kombinációt és ezáltal ugyanennyi különböző, additív színkeveréssel létrehozott megjeleníthető színárnyalatot eredményez. Ezt (8(R)+8(G)+8(R)=) 24 bites színmélységnek is nevezik. A feszültség, valamint fényáram változtatásának legkisebb egységét DAC /Digital to Analog Converter/ egységnek nevezzük, melynek értéke mindhárom primerre külön külön 0 és 255 között változtatható. Gamma-karakterisztika A valóságos rendszerek gyakran nem lineáris viselkedésűek. Általánosan a nemlinearitás közelítésére gamma (γ) kitevőjű exponenciális függvényt használhatunk: = A gamma karakterisztika egy rendszer, vagy annak egy elemének ki-és bemenete közötti kapcsolatot jellemzi, gyakorlatilag egy átviteli-, vagy transzfer karakterisztika. Több, sorba kapcsolt elemből álló rendszer esetén az eredő kimenet a bemenetnek az egyes rendszerelemek gammáinak szorzatára emelve adódik: =. = A lineáris rendszerelemek hatását (mikor a kimenet a bemenettel együtt változik, tehát a függvénykapcsolat x=y típusú) γ = 1-es kitevővel vesszük figyelembe. 2

4 Világosság-spektrumokon szemeltethetjük, milyen hatással van a teljes világosság-tartomány eloszlására a gamma értéke (γ=1 esetén folytonos lineáris spektrum, γ>1 esetén sötét, γ<1 esetén pedig világos kiemelés): 7.ábra Világosság spektrumok Az emberi szem egy nemlineáris rendszerelem, egyenletes érzetváltozásokat nem egyenletes ingerváltozás vált ki benne (8.ábra). Leegyszerűsítve ha 20W-os izzó helyett azonos típusú 40W-osat használunk, nem azt tapasztaljuk, hogy az adott helyiségben kétszer olyan világos lenne, csak sokkal kisebb mértékben. Ezt a jelenséget írja le a Weber-Fechnertörvény, ami logaritmikus kapcsolattal közelíti a szemünk inger-érzet karakterisztikáját. A szemünket jellemző gamma kitevő nem állandó érték, a kontrasztviszonyok, valamint a környezeti fényviszonyok hatására változik, γ = és γ = értékek között. 8. ábra Az emberi szem gamma karakterisztikája Gamma korrekció a képszerkesztésben Ha adott egy túl sötét, alulexponált kép, és csak a világosságát emeljük, akkor az összes képpont egyenlő mértékben világosodik, eltűnnek a legvilágosabb részletek, a sötétek pedig kifakulnak. A kontraszt növelésével a sötét árnyalatok visszahozhatók, azonban a világos árnyalatok még tovább világosodnak. Gamma korrekcióval viszont a sötét árnyalatokat úgy világosíthatjuk, hogy közben a világos árnyalatok közel változatlanok. Tehát összességében gamma korrekcióval érhetjük el a legtöbb részlet megjelenítését. Példa erre a 9. ábra. 3

5 9.ábra Alulexponált kép javítása gamma korrekcióval A monitorok a technológiából adódóan beépített nemlineáris transzfer karakterisztikákkal rendelkeznek. A 10.ábra LCD és CRT (katódsugárcsöves) monitorok bemenő feszültségképernyőn megjelenő fénysűrűség-karakterisztikáinak jellegét mutatja, a tényleges gamma értékek gyártónként, típusonként eltérők. 10.ábra LCD és CRT megjelenítők technológiából adódó gamma jelleggörbéi Láthatjuk, hogy képszerkesztéssel, de egyszerűen monitorok használatával is nemlinearitásokat viszünk be a képmegjelenítő rendszerbe, melyeket a kívánt eredő gamma eléréséhez szoftveresen kompenzálni kell, amit a számítógép videokártyája ún. LUT /Look Up Table/ alapján végez el. Ez egy táblázat, amely DAC-érték megfeleltetéseket (előre elvégzett számítási eredményeket) tartalmaz, a megjelenítendő képek eltárolt DAC-értékeit képpontoként módosítja úgy, hogy a monitoron a kép a kívánt eredő gammával jelenhessen meg. Jelen mérésben egy LCD monitor egyes primerekre vonatkozó DAC-értékeit fogjuk növelni állandó lépésközzel és a megjelenített, eredő gammát fogjuk fotodiódával megmérni. A monitorok eredő gamma értékét szoftveresen általában 1,8 és 2,4 között változtathatjuk, legelterjedtebb a 2,2-es gammájú profil használata. 4

6 A mérésben fotodiódát (11.ábra) használunk mérőeszközként. A fotodiódán a felületét érő megvilágítás hatására áram folyik, az áram jelet feldolgozva és a számítógépre továbbítva egy mérőprogram kijelzi a mért megvilágítást lux dimenzióban. A gammagörbék felvételéhez szükség van a fénysűrűség értékekre DAC-értékek függvényében (12.ábra). A fotodiódával mért megvilágítást kalibráció útján alakíthatjuk fénysűrűséggé. 11.ábra Fotodióda szenzor Fénysűrűség [cd/m 2 ] DAC [-] 12.ábra Spektroradiométerrel kimért gamma görbék Kalibráció során egy, a kalibrálandó mérőeszköztől nagyobb pontosságú, hitelesként elfogadott etalont veszünk alapul. A kalibrálandó és az etalon mérőeszközzel is megmérjük ugyanazokat a mintákat, azonos körülmények között. Etalonként egy Konica Minolta CS1000A típusú spektroradiométer (13.ábra) szolgált, mellyel adott DAC étékek mellett megmérhető a fénysűrűség. A fotodiódával pedig ugyan ezekben a pontokban megvilágítás mérhető. Végül a kapott két mérési adatsort (megvilágítás és fénysűrűség értékeket) megfeleltetjük egymásnak, egymás függvényében ábrázolva őket mindhárom primerre külön kalibrációs görbéket veszünk fel. A kalibrációs görbékre illesztett közelítő görbék (harmadfokú polinomok) egyenletei: kalibrációs egyenletek, melyek a későbbiekben a megvilágítás és fénysűrűség közötti átszámolást teszik lehetővé: 13.ábra - Konica Minolta CS1000A, = 0, E, +0, E, +0, E, 0, , = 0, E, +0, E, +0, E, 0, , = 6, E, +0, E, 0, E, +0, Ahol: (,, ) - az egyes primerekre számolandó fénysűrűség [cd/m 2 ], (,, ) - a fotodiódával mért megvilágítás az egyes primerek esetén [lx] 5

7 A kalibráció fontos lépése az etalonnal és a kalibrálandó eszközzel mért, majd kalibrációs egyenletekbe helyettesítve átszámolt mérési eredmények közötti eltérés számítása. Ennek a kalibrációjának a hibája a nem túl alacsony fénysűrűség tartományban 5%, gyakran 1% alatti, ezért a kalibrációs egyenleteket elfogadhatjuk. A monitor gammájának meghatározásakor a bemenet a folyadékkristályokra kapcsolt feszültség: ( (,, )),kimenet pedig a fotodiódával és kalibrációs egyenletek segítségével kapott fénysűrűség érték: ( (,, )). Behelyettesítve a már ismert = összefüggésbe: L (,, ) L = DAC (,, ) (,, ) Ahol: (,, ) - az egyes primerekre kalibrációs egyenletekkel átszámolt fénysűrűség [cd/m 2 ], - ofszet fénysűrűség [cd/m 2 ], amikor a képernyő a lehető legfeketébb (mindhárom primer 0 DAC-ra állítva), ezt a kimenetből, mint állandó hibát le kell vonni - feszültségerősítésre jellemző állandó, a szoftveresen beállított DAC-értékeknek a feszültségerősítésszerese az a feszültség, ami az LCD-panel szubpixeleinek helyén ténylegesen a folyadékkristályokon esik (,, ) - az aktuális beállított DAC-érték adott primerre adott primerre vonatkozó gamma érték (,, ) Az egyenlet minden tagjának vegyük a természetes alapú logaritmusát, logaritmus azonosságokat alkalmazva a következőre jutunk: ln( L (,, ) L ) = ln + γ (,, ) ln(dac (,, ) ) A kifejezés tagjait helyettesítve az alábbi lineáris függvényt írhatjuk fel: Ahol: = ln( L (,, ) L ) B = ln = γ (,, ) = ( (,, )) = + X és Y minden egyes DAC értékre és mindhárom primer esetén ismert, mért értékek, Y ábrázolható X függvényében. Excelben a függvény grafikonjára könnyedén illeszthetünk lineáris trendvonalat, megjeleníthetjük az illesztett egyenes egyenletét. Az egyenlet meredeksége A, ezáltal az adott primerre vonatkozó gamma érték és az Y tengelymenti eltolás, a B érték is leolvasható. 6

8 A mérés menete 1. Kapcsoljuk be a számítógépet, indítsuk el az asztalról az RGB.exe, valamint az OAK Dat mérőprogramot 2. Helyezzük a fotodiódát a képernyő közvetlen közelébe úgy, hogy csak az RGB.exe program homogén felületét lássa, és minél kevesebb környezeti fény befolyásolja a mérés eredményét 3. Az RGB.exe programmal 15 DAC értékenként növeljük közvetetten a monitor R piros képpont-szegmenseire kapcsolt feszültséget, ezen keresztül pedig a képernyőn látható fénysűrűséget 4. Rögzítsük minden pontban a szenzorral mért megvilágítás értékeket, majd ezeket helyettesítsük be a kalibrációs egyenletbe, hogy fénysűrűség értékeket kapjunk 5. Számítsuk ki az X és Y mennyiségeket, ábrázoljuk függvényeket Excelben, illesszünk az egyenesre trendvonalat, jelenítsük meg az egyenes egyenletét 6. Olvassuk ki az egyenletből a piros primerre vonatkozó γ értéket és B értékét az egyenletből véve számoljuk ki a G feszültségerősítésre jellemző állandót 7. Ismételjük meg a 3-6. lépéseket kék és zöld primerekre, határozzuk meg γ és γ, valamint G és G értékeket, rögzítsük ezeket a jegyzőkönyvben 8. Ábrázoljuk a fénysűrűséget DAC-értékek függvényében mindhárom primerre vonatkozóan, közös diagramban Források LCD működés: Gamma karakterisztika általánosan: Gamma a képszerkesztésben: Technológiából adódó gamma karakterisztikák: D/A-átalakítás, Gamma értékének számolása lineáris helyettesítéssel: (BSC)/OM2_CRT_monitor_gamma_gorbe_felvetele.pdf Ábrák: [1.] [2.] [3.] [4.] [5] [6.] [7.] [8.] [9.] [10.] [13.] 7