Kalibrering af LG OLED 2016

Plan/indholdsfortegnelse:

1. Luma, gamma, kontrast, skyggedetaljer og farver

2. Synet, tolerance og adaptering

3. Udbrænding/WtW

4. HDR og udbrænding

5. Kalibrering til mørke og lyse omgivelser

6. Problemer introduceret ved kalibrering

7. Afrunding

4. HDR og udbrænding

Pointen er nu, at hvis man tilpasser HDR-indholdet til at kræve f.eks. 4000 nits og TV’et kun kan levere 500 til 600 nits (OLED) eller måske det dobbelte (LCD), så vil der komme nogle farvegengivelsesproblemer især i highlights i stil med de, som er illustreret ovenfor (men måske mere udtalte, da OLED-TV’et jo “løber ud for lys” allerede omkring 70% stimulus. Vi ved også fra gennemgangen af sammenhæng mellem f.eks. farvemætningen og luma-kurven, at vi kan forvente mindre mættede farver i highlights, når der klippes i lyset i den høje ende af stimulus.

Igen - det ser nok ikke så slemt ud, men det er slemt nok til at TV-producenten vil være nødt til at gøre noget - f.eks. via tone-mapping. Udføres en simpel global tone-mapping, vil billedet miste punch, fordi den maksimale lysstyrke sættes lig med TV’ets øvre lyskapacitet for at få alle lyse detaljer med, og alle andre lysstyrker skaleres tilsvarende nedad, hvilket giver et mørkere billede som angiveligt kan miste shadow-details. Alternativet er lokal tone-mapping, hvor man kun udfører en operation alá den nævnte omkring highlights - men hvor man så er nødt til at “glatte” effekten ud mod resten af billedet, hvilket ikke kan være omkostningsfrit hverken mht. beregningskapacitet eller artefakter i billedet. Dette er et område, som bliver interessant at følge udviklingen af. Mon ikke Rasmus Larsen fra Flatpanels ligger inde med en del viden omkring udviklingen af tone-mapping?

Jeg skal have målt på luma-kurven for OLED-TV’et ved lejlighed - men jeg ved allerede fra nogle udokumenterede målinger, som jeg lavede (læs: gemte ikke data), at der er for meget lys på luma-kurven i forhold til det, som LG selv specificerer i deres HDR-10-kalibreringsvejledning, som er vist herunder:

Anbefalet lysstyrke afbilledet som funktion af stimulus

Når luma-kurven ligger over den anbefalede (som materialet er/forventes at være mastered efter), vil vi få mindre mættede farver og lavere kontrast pga. den lavere gamma. En lavere lysstyrke end forventet ud fra stimulus vil endvidere betyde, at nogle farver ikke kan repræsenteres i gamut’en ved høje lysstyrker, da gamut’en ikke “stikker lige langt ud af skærmen” for alle farver. Dette er en grund til, at nogle kalibratorer vælger at bruge farvemønstre med 75% lysstyrke til måling af gamut'en.

Vi ser kun grundplanet/“trekanten” i CIE-diagrammet (2D-diagram med gamut’en), som i virkeligheden mere ligner et bjerg/en vulkan, som bøjer opad og indad mod hvidpunktet. Det betyder, at f.eks. en meget mættet rød farve ved høj lysstyrke vil virke som havende en lavere farvestyrke end den kunne have haft, hvis luma-kurven ikke blev klippet/knækket i toppen. I praksis bliver tværsnitarealet af gamut’en altid mindre når lysstyrken stiger - men begrænsninger i den anvendte teknologi i displayet kan betyde, at der skæres farver endnu hurtigere væk, fordi panelets “farvegenerator” (f.eks. OLED’erne, baggrundslys etc.) går i mætning. Herunder ses en 3D-repræsentation af en idéel gamut:

Komplet 3D-gamut: © Bruce Lindbloom

Man kan tale om, “farvevolumen” (colour volume) som er det rumfang, 3D-gamut’en udfylder på det aktuelle TV, og evt. sætte dette rumfang i forhold til det idéelle rumfang (reference-gamut’en) for et givent farverum (f.eks. Rec.2020 eller DCI-P3), og dermed med ét tal (typisk angivet i procent) fortælle noget om, hvor stor en grad af opfyldelse TV’et kan levere i forhold til reference-gamut’en. Dette ses nogle gange i de mere omfattende anmeldelser på nettet.

Jeg har lånt et par billeder fra HDTVtest, som viser deres måling af luma-kurven for HDR-10 på LGs OLED-TV, og jeg har sammen med grafen indsat et par miniaturebilleder fra samme test, der viser (2D-)måling af DCI-P3-opfyldelse af farvegengivelsen/mætningsforløbet og en sammenligning af farvegengivelsen i en scene fra filmen Mad Max mellem OLED-TV’et og et HDR-LCD-TV, som kan levere noget mere lys (1000 nits):

HDR-undersøgelse af LG OLED-TV:

Luma-kurve, DCI-P3-gamut (indsat), specular highlight for OLED (tv.) vs. LCD-TV (th.)

(kilde: HDTVtest)

Vi kan se, at der er en synlig forskel i farvegengivelsen mellem de to TV (med alle mulige forbehold for fejlkilder i fotografering af observationen etc., men det illustrerer pointen): Farverne er ikke mættet i samme grad på OLED-TV’et som på LCD-TV’et. Bemærk, at det kun er farvemætningen, der er fokus på her.

Jeg har for eksperimentets skyld taget et billede af samme scene mastered til HD/Rec.709 på Pioneer 9G, hvor jeg af gode grunde ikke forventer at finde tilsvarende problemer med klipning af høje lysstyrker:

Mad Max highlight, Rec.709 (HD)

Igen: Med forbehold for alle mulige fejl i fotograferingen kan man sammenligne med HDR-billederne ovenfor. Det fremgår, at farvegengivelsen ligger tættere på LCD-TV’et, da der ikke klippes lige så alvorligt i “højlyset” på Pio’en som på OLED-TV’et (Pio’en klipper/komprimerer faktisk WtW mere end man kunne ønske sig). Billedet afspejler i øvrigt meget godt, det som man så på skærmen i virkeligheden, selvom mit kamera ikke kunne bringes til at lave så mørkt et billede, som HDTVtest fik lavet med HDR-versionen. Jeg forsøgte også at frembringe et billede, der var mere undermættet/orange, men uden held.

Nedenfor har jeg overlejret HDTVtest-målingerne af LG OLED-TV vs. LCD-TV (begge jo med HDR-10-understøttelse) med referencen (HDR-10 (AKA “PQ EOTF”)) og LG’s egne specifikationer for, hvordan luma-kurven/EOTF skal kalibreres:

Forskellige luma-kurver

Når man kalibrerer et TV, er der flere muligheder for at introducere nye fejl - og som nævnt tidligere kan gode og nøjagtige måledata maskere problemer, som kun kan opdages ved at undersøge noget materiale, som man ved, hvordan skal opføre sige - altså noget referencemateriale.

Jeg bruger ikke ordet “reference” i betydningen “bedst” her: Jeg anvender ordet i betydningen “det, som jeg bruger, som mit faste holdepunkt, det som jeg kender”. I denne betydning behøver referencematerialet eller reference-TV’et ikke at være perfekte - men de skal naturligvis opføre sig temmeligt pænt.

I det følgende viser jeg et par eksempler på, hvordan man kan introducere billede-artefakter i forbindelse med kalibreringen.

6.1. Problemer efter kalibrering af gamut/farvestyring

Jeg har tidligere nævnt, at LG’s OLED-TV, der refereres til i denne tråd, er følsomt over for kalibrering af gamut’en via FARVESTYRING-indstillingerne (“CMS”, Colour Management System). Mit første forsøg på at udføre denne operation gav rigtig gode måledata efter kalibreringen - men allerede ved første gennemsyn af testmateriale kunne man se, at noget var grueligt galt:

Øverst: Kalibreret gamut (CMS, FARVESTYRING)
Nederst: Ukalibreret gamut

Prøv at kigge lige midt i billederne: Der er fyldt med artefakter stammende fra kalibreringen - og de kommer til udtryk i farveovergange - og tilsyneladende specielt, hvis der er filmgrain, som der skal arbejdes med af TV’et. Ovenstående billeder viser et blot nogenlunde alvorligt tilfælde - undervej fik jeg fremstillet noget meget værre, men det har jeg desværre ikke noget billede af - men tænk på noget, der næsten (næsten) lignede en flok fluer eller fugle-silhuetter på himmelen…

De andre (bølgende) artefakter i billedet stammer fra moirè-/interferens-effekter pga. forskellig opløsning i kamera og TV anvendt til at fange disse fotos.

Øverst: Kalibreret gamut (CMS, FARVESTYRING)
Nederst: Ukalibreret gamut

Ovenfor ser vi samme problem lidt tættere på. Dette TV er følsomt over for ikke specielt store ændringer i CMS’ens parametre - og det virker som om ændring af specielt lysstyrken i CMS’en er problematiske.

Problemet kan stamme fra afrundingsfejl i signalvejen - ikke noget som er specielt underligt, da der skal laves millionvis af regneoperationer pr. frame, som derfor skal optimeres i forhold til hastighed.

Disse problemer skal naturligvis ikke afholde os fra at kalibrere via CMS'en - men det skal gøres med forsigtighed, og der skal anvendes referencemateriale til at kontrollere resultatet.

6.2. Problemer med farvemætning og klipning af shadow-details pga. forkert indstillet sortniveau

En af de grundlæggende parametre, som man skal have styr på ved kalibrering, er sortniveauet og/eller video-levels. Dette handler om, at et stimulus på 16 for SD og HD (eller 64 for HDR) skal levere det sorteste, som TV’et kan præstere, og at det næste stimulus skal være lige netop synligt.

LG OLED-TV’et har som så mange andre TV en indstilling, der hedder SORT NIVEAU(*), som bestemmer, om sort ligger på stimulus 16 (64 for HDR) eller 0. Computere kan typisk arbejde med sort som “0” (nul), og hvid som 255 i stedet for 235 (940 for HDR), som vi ved ellers tillader WtW.

Hvis signalkilde/afspiller/tuner/set top-boks etc. er forkert indstillet i forhold til TV’ets forventning til sortniveauet (altså 0 vs. 16(64)), kan billedet enten blive for lyst eller for mørkt, selvom gamma’en er urørt som i illustrationerne herunder.

Her ses en korrekt kalibreret luma-kurve:

Korrekt indstillet sortniveau

Hvis TV’et tror, at sort skal ligge højere, bliver luma-kurven løftet, og alt sort bliver gråt. Dette giver en lavere farvemætning (svarer lidt til en for lav gamma), og billedet bliver mælket:

For højt indstillet sortniveau:

Billedet er mælket, gråt og har undermættet farvegengivelse

Hvis der er klippet i sort,  vil det virke som en for høj gamma, hvorved farvemætningen bliver markant for stor. Derudover klippes der naturligvis i shadow-details, da de nederste 16(64) niveauer/stimuli alle bliver til samme farve (sort):

For lavt indstillet sortniveau:

Der klippes i shadow-details og farvemætningen er for høj

I de to følgende eksempler kan man se forskellen på korrekt indstillet video-levels eller sortniveau/black-level. Lad mig på forhånd advare om den tvivlsomme kvalitet af mit køkken-LCD-TV, som ved korrekt indstillede video-levels/sortniveau leverer et noget mælket udtryk pga. sit ringe absolutte sortniveau (og der måske netop derfor burde skrues lidt op for FARVE). Dette forhindrer dog ikke illustration af pointen omkring effekten på farvemætning og shadow-details:

Øverst: Klippet sortniveau/video-levels

Nederst: Korrekt sortniveau/video-levels

Det er tydeligt, at farvemætningen er større i det øverste billede, hvor shadow-details også er klippet væk. Til gengæld er signalvejen for det nederste billede indstillet korrekt, hvorved tøj- og hudfarver bliver mere troværdige, og detaljerne er tilbage i f.eks. mørkt hår og tøj.

Et eksempel mere:

Øverst: Klippet sortniveau/video-levels

Nederst: Korrekt sortniveau/video-levels

Her gælder samme kommentarer som for eksemplet ovenfor. Man kan nemt blive forført af det farvemættede og meget kontrastfyldte billede - men man bliver træt af at se på det i det lange løb - og i spil vil man sikkert blive irriteret over, at man ikke kan se vigtige detaljer.

Hvordan kan man sikre sig, at video-levels/sortniveauet står korrekt for en kilde, hvor man ikke kan vise et testbillede (f.eks. en tuner eller en set-top boks)? Jeg har et par tips, som måske kan hjælpe:

Først indstiller man LYS med et passende testbillede, der viser om shadow-details vises korrekt ned til omkring niveau 16 på en indgang, hvor man kan koble en afspiller/signalkilde til, der kan vise sådan et prøvebillede (f.eks. en blu-ray-afspiller, en USB-stick eller lign.). Undervejs kan det være nødvendigt at eksperimentere med indstillingen af SORT NIVEAU-indstillingen, for at opnå den bedste kalibrering af shadow-details.

Derefter kopierer man sin kalibrering af shadow-details/sortniveau (LYS + SORT NIVEAU) til den kilde, som skal indstilles. Husk at alle andre indstillinger i princippet også skal med over. Når dette er på plads, skal man eksperimentere med SORT NIVEAU: Den indstilling af SORT NIVEAU, hvor sort stadig er helt sort, og billedet er “lysest”, og viser flest shadow-details er den korrekte indstilling. Man kan måske bruge et billede med sorte bjælker foroven og forneden som en slags guide til at identificere det sorteste TV’et kan levere.

Husk i øvrigt at være opmærksom på, at afspilleren, der bruges til at lave den første kalibrering af shadow-details, også kan have en indstilling af sortniveau/video-levels - så her skal man holde tungen lige i munden og systematisk prøve mulighederne af for at få en pålidelig kalibrering at arbejde videre med.

(*) Kan hedde noget andet på andre TV - eller f.eks. være omfattet af indstillingerne, der kan hedde noget med “begrænset”, “fuld”, “RGB” etc.

7. Afrunding

Det kan være lidt af en kunst (og tålmodighedstest) at kalibrere et TV - og som sagt ikke mindst til brug i dagslys. For at komplicere sagen yderligere, vil et TV i praksis næsten altid blive udsat for refleksioner fra omgivende lys, så man kan argumentere for, at kalibrering iflg. BT.1886 bør suppleres med hensyntagen til end-to-end-gamma - og især hvis skærmen ikke leverer noget nær absolut sort, som LG’s OLED-TV kan. Selv et ældre Pioneer plasma-TV kan kan som vist have nytte af denne modifikation for at give en bedre allround- eller dagslys-performance.

Alt dette kan lyde (og er langt hen ad vejen) meget akademisk - men i virkeligheden synes jeg, at kalibreringen skal udføres med en pragmatisk tilgang, hvor der ikke er så meget fokus på måledata som på billedgengivelsen. Man kan måle nok så nøjagtigt og bruge avanceret matematik til at finde det bedste mål, men hvis TV’ets kontroller alligevel ikke tillader lige så nøjagtig justering, kan man spilde megen tid.

Matematikken og teorierne er primært fundamentet for forståelsen af mekanismerne i billedgengivelsen og billedopfattelsen. Mit mål har været at vise, hvordan der er sammenhæng mellem teori og praksis, og jeg mener faktisk, at der kan findes en pragmatisk tilgang til kalibrering, der kan udføres med simple metoder, som giver et godt resultat, uden at det bliver rocket-science. Ofte er det dog sådan, at vi ved mere og bør vide mere om teknikken, end vi lige har brug for i en konkret kalibreringssituation for at komme hurtigt i mål - og derfor er teoretisk viden alligevel nyttig.

Til de, der vil vide mere om teorien bag farvereproduktion på TV etc., vil jeg foreslå at læse nogle af de artikler på nettet som Charles Poynton har skrevet, og derudover giver hans bog “Digital Video and HDTV - Algorithms and Interfaces” en god baggrundsviden:

På nettet findes desuden Bruce Lindblooms ressourcer (også nævnt tidligere i denne tråd) omkring matematikken, til de der vil vide og eksperimentere (meget) mere.

THE END