监视器校准初探 ——北京冠华荣信系统工程股份有限公司 裴琼、郝迎春

　　提要：

　　在电视节目的制播流程中，监视器的应用不可或缺。在超高清时代，RAW格式的后期调色工艺使得作为图像显示标准的监视器地位愈加显要，需要对所使用的监视器进行相应的校准。本文仅就监视器的校准应用进行初步的探讨。

　　关键词：

　　监视器 色域 色彩校正 3D LUT

　　正文：

　　在电视节目的制播流程中，监视器的应用不可或缺。监视器不同于电视机，它所起的作用与电视机完全不同。电视机是用来欣赏电视节目的，要显示出更亮丽、更鲜艳的色彩。而监视器的作用是用来进行信号质量评价，要求精确、可靠和可信。不管是以前的高清监视器还是标清监视器，还是今天用到的超高清监视器，都需要忠实地重放原始信号。从这个意义上说，监视器应属于测量仪器的范畴。

　　随着电视制作进入超高清时代，以传感器原始信息直接记录的RAW格式文件成为一种重要的电视节目生产模式。这一模式使得电视摄像的技术品质脱离了摄像机的信号处理功能而只和图像传感系统相关，视频图像的调色在后期制作中完成，标准的和信赖的电视监视器成为后期图像处理的主要的技术和艺术依据，高端监视器只用于技术的时代过去了，其在电视节目的制作中的地位也由此凸显。

　　向前追寻，不难发现，其实在电视技术进入数字化时代以后，依托仪器进行的信号品质测量逐渐加入了不同成分的主观评价内容。作为对电视信号的终极评判者，监视器从那时起就已经在电视测量中充当了越来越重要的角色。

　　监视器应当符合广播电视的相关标准，能够被定位为监视器的产品，不管是哪个厂家、哪种规格的产品，它们放在一起，对同一个信号的显示结果应该是一样的。这就是所说的视频制作的标准图像，只有通过监视器才可以鉴别所需的图像。因此，监视器是制作过程中非常重要的一部分。

　　在实际中，经常会发现：同一个信号在电视墙上多台监视器(或显示器)上重放，会有不同的结果。监视器需要真实地重放图像，就必须符合广播电视相应的标准、具有精确的指标并进行校准。未经专业技术校准的监视器，不能用作基准监视器。

　　监视器的完全校准是一个复杂的流程。对于应用领域而言，我们通常需要进行的是白平衡和色域的校准。在这两者之间，白平衡是基础，白平衡是用来校准监视器色温的。当光源发射光的色谱与黑体在某一温度下产生的色谱相同时，黑体的温度称为该光源的色温。对于一台监视器来说，只有首先建立正确的白平衡，在此基础上，监视器才有可能显示正确的色域。根据标准，监视器的白色显示需要符合D65或D93色温。

　　色相、饱和度、亮度是色彩的三要素，色相差别是由光波波长的长短产生的，即便是同一类颜色也能分为几种色相，人眼可以分辨出约180钟不同色相的颜色。饱和度是指色彩的鲜艳程度，也称色彩的纯度，饱和度取决于该色中含色成分和消色成本的比例，含色成分越大，饱和度越大，消色成分越大，饱和度越小。亮度是指发光体表面发光强弱的物理量，人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼索见到的光源面积之比。

　　人眼看到的是反射光，光源的色温不同，其颜色也就不同。对监视器来说，我们也把它视为一个光源，因而也就必须定义它的色温。监视器的色温不同，同一图像颜色也就不同。因此，广播电视标准中也有了色温的标准，D65标准一般用于美国、欧洲和除日本以外的亚洲地区，D93用于日本。D65标准光源又称国际标准人工日光(Artificial Daylight)，其色温为6500K，对应色域表中的值为：X：0.3127 Y：0.3290。

　　作为监视器色彩的显示标准，业内通常会使用上面的CIE图(Commission Internationale de L'Eclairage国际照明委员会)。

　　左边马蹄形的图形是人眼可以看到的区域。通过RGB三基色来感知人眼所看到的绝大多数颜色。红基色(波长为700nm)，绿基色(波长为546.1 nm)，蓝基色(波长为435.8nm)三基色相互独立，任何一种颜色都不能通过其他颜色合成，而三基色按不同的比例相混合叠加可以得到色域图中的绝大多数颜色。三基色和由它们混合而得到的其他彩色组成马蹄形曲线边缘(光谱轨迹)形成色域图。在色域图中颜色越靠近边界饱和度越高，越靠近中心，饱和度越低。此色域图中不包含亮度信号。

　　在CIE系统中，为红基色、绿基色、蓝基色匹配一个相对大小的三色刺激值，分别用X、Y、Z表示，混合色可通过三色刺激值来表示：x=X/(X+Y+Z);y=Y/(X+Y+Z);z=Z/(X+Y+Z)，x，y，z坐标轴被称之为色度坐标轴，通常他们的和为1，因此可以用x、y来表示z。所以在色域图内每一个点通过x，y坐标值来标识，因此可以使用以上的二维的色域图来表示。当此混合色与可见光谱中的白色等能时，此三刺激值恰好相等。在监视器中，通过(x，y)坐标来定义所使用的三基色，(x，y)坐标生成的三角形，涵盖了监视器能再生的色域，三角形的地方是监视器可以重现的区域。可以看出，无论是以前的ITU-R709还是目前在超高清使用的ITU-R2020均未能涵盖全部的区域，因而监视器并不能重现人眼看到的全部色彩，只能使加接近人眼看到的真实画面。

　　CIE1931色域顶点坐标

　　彩色矩阵是专业监视器与普通电视机的重要区别，在用摄像机拍摄时，光信号被转换成RGB电信号，然后通过摄像机的矩阵电路部分转换为Y/R-Y/B-Y或Y/Pb/Pr信号。监视器通过一个反过程来重现图像，如果相应的矩阵电路和摄像机的矩阵电路不一样，就不能忠实地重现原始信号。因此，监视器和摄像机的矩阵转换要有相同的标准。在标清PAL制系统中，一般用国际电联的ITU601标准;在高清系统中，用ITU709标准;在超高清系统中，用ITU2020标准;在电影系统中，用DCI-P3标准。

　　从色域图中可以看出，ITU2020的色域远大于ITU709，也就是说：4K标准的监视器比高清监视器显示的色彩内容要丰富得多(ITU-R BT.2020  比ITU-R BT.709 色域空间增加约70%)。

　　电视机厂家会通过改变矩阵以重现更好的图像，监视器则必须使用符合标准的色彩矩阵来重现真实的画面。由于各生产厂家会选用不同等级的显示器件和不同的电路结构，因而并不是所有的监视器都是可以符合相应色域标准的。

　　应用在专业制作系统中的技术型监视器，对色彩的高精度、高标准的要求，比其它视频监视器会更加严格、更加苛刻。

　　当我们把监视器这一设备作为测量仪器或后期制作调色监看进行管理和应用时，其校准也就自然而然地被提到议事日程上来了。

　　无论何种仪器，在使用过程中，由于环境、器件、时间等因素的影响，总会逐渐偏离其预设标准，调整和校准也就成为了重要的工作内容。可以想象当作为标准的仪器不能提供正确和精准的参考，其后果可能是灾难性的。

　　以往的监视器调教会选用专业的分色色度计对监视器的参数进行拾取，参照CIE1931中对应的RGB标准值，对监视器参数进行反复调整，来调校监视器的色差。

　　随着对监视器校准的迫切需求，沿用IT行业的显示调整技术，针对矫正所要求的相应的参数对照，对监视器显示的各项指标进行自动分析与校准，已经成为一种行业趋势。

　　计算机监视器的调校通常使用外加的调校系统，首先设置相应的参照标准，由计算机发生相应的校准测试图，以色度计或分光光度计等仪器拾取屏幕显示的信息获取作为调校依据。校正软件通过传感器获取屏幕显示的主要信息值，支持包括灰阶测试、色域测试、饱和度测试、色阶测试、色卡测试等。通过灰阶测试拾取屏幕一系列的白点、亮度、GAMMA值、色温值，通过色域测试可以拾取到三基色(红、蓝、绿)及三补色(黄、青、品红)及白色的对应值，支持对三基色(红、蓝、绿)及三补色(黄、青、品红)饱和度及色阶进行拾取，以及对屏幕上主要的颜色色相进行拾取。之后计算测试值与目标色域值之间的差距，通过生成LUT文件来矫正，达到最终的显示效果。

　　调校系统其实并不能调校监视器本身的颜色显示，而靠调校计算机内显卡所加载的LUT文件来达到希望得到的颜色。

　　显示查找表(Look-Up-Table)简称为LUT，其内容就是一些转换模型，或者是不同的组合，它主要分支是1D LUT和3D LUT。LUT文件设定了一个特定的R、G、B输入值所对应特定的输出值。从本质上来说，LUT的作用就是每一组RGB的输入值到输出值的映射数值表。这一点很像监视器中的彩色转换矩阵。

　　下图为1D LUT，严格的来说是3个1D LUT。从下面的图中可以看出，变动某个颜色输入值只会影响到该颜色的输出值，RBG的数据之间是互相独立的。其能控制gamma值、RGB平衡(灰阶)和白场(white point)。

　　gamma值是指监视器的输出图像对输入信号的失真的具体数值，输入值和监视输出时的亮度之间的关系是非线性的，gamma校正指计算机的系统gamma，使输入文件的gamma、监视器输出信号的gamma、计算机的系统gamma三者变换的叠加得1。

　　RGB平衡，可以通过看DeltaE值(在均匀颜色感觉空间中，人眼感觉色差的测试单位)来了解，通过观察直方图处于不同的水平位置，可以很直观的看出每种颜色的准确性。RGB平衡应该是越靠近零越好，哪种颜色偏离越多说明该颜色差异越大。

　　所谓灰阶，是将最亮与最暗之间的亮度变化，区分为若干份。以便于进行信号输入相对应的屏幕亮度管控。目前的显示器件，大部分进行是256(8bit)管控。也有一些高端显示器件进行1024(10bit)管控。

　　白场也叫白平衡，是用来指监视器白色还原的情况，它的纯洁度决定了在监视器上显示各种色彩的纯度。标准的预设值通常为6500K或9500K，9500K下显示器的颜色会偏蓝，6500K是比较白的白色。色温高表示短波成分多一些，偏蓝绿色，色温低长波成分多一些，偏红黄色。

　　颜色串扰(去耦)，去耦是指阻止从本电路回路交换或反馈能量到其他电路回路，在监视器显示上表现为防止颜色的串扰。

　　虽然这种方法能够做出校准，但是显示效果中的相关非线性属性仍然不能得到修正。

　　因为1D LUT的模型组合的色彩控制能力还是会有一些局限，所以在精确的色彩控制中还是会选择3D LUT。

　　下面的图就是所说的3D LUT的空间坐标模型，右图中三个色彩平面的相交点(代表某个输入值的LUT输出值)，可以看到某个输入颜色的改变都会对三个颜色值造成影响，也就是说任何一个颜色的改变都会对其他颜色做出改变。当颜色“平面”按照它们对应坐标轴的方向远离原点(0, 0, 0)时，它们的相应颜色也会增加。

　　由于3D LUT可以在立体色彩空间中描述所有颜色点的准确行为，所以它们可以处理任何显示的非线性属性，也可以准确地处理颜色突然的大幅变动等问题。

　　这样就让3D LUT非常适合用于精确的颜色校准工作，因为它们能够处理所有的显示校准的问题，从简单的gamma值、颜色范围和追踪错误，到修正高级的非线性属性、颜色串扰(去耦)、色相、饱和度、亮度等。基本上所有可能出现的显示校准的问题都可以通过3D LUT的方式进行处理。

　　在一些高端的监视器中，已经预置过一些工厂的3D LUT文件。监视器设置中的色域转换(比如从ITU709转换至DCI-P3或ITU2020)功能就是在调用不同的LUT文件。这些监视器的校准也都有相应的接口和规范。

　　对于大多数监视器，矩阵的控制调整只能是线性的，除了手动进行部分调整外，目前所采用的方式是信号预失真方式进行调校。这种方式也带来多种不同的看法，因为是对即将进入监视器的信号的处理，具体的方法是用一台外置的设备依据监视器的LUT将对应的信号按照其能够正确显示的参数进行预失真，这一过程类似预加重的工作思路。由此可能引入其它的技术问题，但仅从色彩校准方面考虑，也不失为一权宜之计，毕竟在进行后期调色工作时，我们对色彩精准显示的要求更加强烈一点。也符合“两害相权取其轻”的技术原则。

　　无论是采用具备校准功能的监视器或是外置预失真设备校准的普通监视器，其实，都是通过加载3D LUT文件的方式进行校准的。

　　根据计算机显示领域LUT的应用，可以推论其在监视器上的用途可分为校准、选取和创作三个方向。

　　校准功能主要是为了改善监视器的物理差异，用软件补偿的方式使其显示最大程度上逼近所对应的色彩标准，从而得到更加精准的图像显示，实现设备的校准。

　　选取则是根据目标进行不同色彩空间的转换，让监视器适应不同标准的显示要求，对标清使用601色域，高清则是709色域，超高清需要2020色域，而电影或电视电影则是DCI P3色域。监视器在被用于不同场合时会使用不同的色域标准，这些显示方式的转换则给LUT提供了表现的空间。

　　创作方向的应用是以监视器为基准对电视节目的外观创作。根据需要的渲染效果，使用后期调色系统生成一个LUT文件，将此文件加载于监视器以进行调色前的先期效果确认(用监视器观察调色后的效果)。

　　尽管外置LUT校准方式在视频监视器领域的应用仍存在争议，但其应用目前已经被众多的业内人士所接受。争议只限于当监视器被用于电视信号技术品质的主观评价领域。

　　随着信号质量越来越高，节目制作对技术品质的精准度也不断提升，监视器也越来越重要。在超高清电视节目的后期制作中，更多的环节有赖于监视器的精准显示，因而更要重视监视器的校准。

　　参考文献：

　　1、 《超高清电视系统节目制作和国际交换的参数数值》ITU-R BT.2020 建议书(08/2012)

　　2、 《生产和国际节目交换HDTV标准的参数值(Parameter Values for the HDTV Standards for Production and International Programme Exchange)》ITU-R BT.709-5-2002

　　3、  http://calman.spectracal.com