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La nuova misura di uniformità
La nuova misura di uniformità
Emidio Frattaroli - 28 Luglio 2017
“Tra gli aspetti che distinguono la qualità d'mmagine, sia che si tratti di un TV, di un monitor oppure di un videoproiettore, quello che riguarda l'uniformità della luminanza e del colore su tutta la superficie dello schermo, è tra i più importanti e delicati da analizzare e proporre al grande pubblico.”
Pagina 1 - Introduzione

 

 


Alcuni strumenti di misura: da sinistra, spettrometro OceanOptics,
fotometri Minolta LS100 ed LS150, analizzatore Minolta CA-2500
 
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Tra gli aspetti che distinguono la qualità d'mmagine, sia che si tratti di un TV, di un monitor oppure di un videoproiettore, quello che riguarda l'uniformità della luminanza e del colore su tutta la superficie dello schermo, è tra i più importanti e delicati da analizzare e proporre al grande pubblico. Standard di misura e di analisi ne esistono già da molto tempo e sono trattati con sapienza e anche con insospettabile leggerezza nella "bibbia" delle misurazioni video su display e proiettori, disponibile gratuitamente a questo link. Per l'acquisizione dei dati, esistono strumenti molto sofisticati come il Minolta CA-2500, presentato in occasione del NAB 2013 e che effettua una vera e propria "foto" alla superficie del display e che è in grado di analizzare più di 500.000 punti (per un display in 16:9), ciascuno con i valori di luminanza e coordinate cromatiche. Purtroppo il costo di simili strumenti al momento è al di fuori della nostra portata e nel tempo abbiamo cercato soluzioni decisamente più economiche, sfruttando la strumentazione già in nostro possesso, come il Minolta LS100, Minolta CS100 ed OceanOptics USB1000.

 
Due possibilità di misura: a sinistra con acquisizioni parallele al piano dello schermo,
oppure con riferimento al "vantage point" (prospettiva)
 
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La soluzione più utilizzata si basa sugli stessi strumenti che già impieghiamo per le normali indagini su luce e colore, analizzando un "certo" numero di zone, distribuite su tutta la superficie dell'immagine: più si aumenta il numero di zone, più si aumenta la "risoluzione" generale di tutta la misura, più aumenta il tempo necessario per la misura vera e propria e l'elaborazione dei dati. Per percorrere questa strada serve prima di tutto uno strumento con un angolo di campo sufficientemente piccolo, in modo da misurare soltanto l'area di nostro interesse, anche per display con diagonale più limitata. Questo però non basta. Serve anche un meccanismo di posizionamento molto preciso che garantisca la ripetibilità della misura, che permetta quindi allo strumento di "vedere" sempre la stessa area, con un angolo di incidenza ben preciso e da una distanza conosciuta. In questo caso un pantografo robotizzato a controllo numerico, con servo-motori per il controllo dell'angolo di incidenza, può essere un'ottima soluzione, dal costo tutto sommato accessibile.

  
Da sinistra segnale test con 9 punti, 45 punti e 135 punti
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La selezione dei punti di misura rappresenta uno dei passaggi più sensibili di tutta la faccenda. Come già indicato, il numero di punti deve essere abbastanza elevato in modo che la "risoluzione" sia adeguata alle necessità. D'altra parte bisogna considerare i tempi a disposizione per effettuare le rilevazioni e infine, cosa ancora più importante, bisogna evitare che la presentazione dei risultati sia troppo complessa e digeribile soltanto a poche persone. Il minimo sindacale per la misura dell'uniformità prevede 9 punti di misura in una griglia 3x3; si tratta però di un numero ancora troppo basso e gli eventuali "problemi" potrebbero cadere in una zona al di fuori del "campo" visivo dello strumento di misura. Per questo motivo, il "nostro minimo sindacale" per la misura di uniformità prevede 45 punti di misura, suddivisi in una griglia di 5 linee e 9 colonne. Per esami più approfonditi (ad esempio per display con diagonali "importanti"), preferiremo 135 punti, suddivisi in una gliglia di 9 linee per 15 colonne. 
 

Pagina 2 - Misura ed elaborazione dei dati

 
A sinistra gli scarti in percentuale dei valori di luminanza dei 45 punti rispetto al punto centrale;
a destra gli scarti in percentuale dei valori di luminanza dei 45 punti rispetto alla media dei valori

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Dopo aver acquisito la luminanza e le coordinate cromatiche dei vari punti di misura è necessaria l'elaborazione dei dati che, di solito, prevede due possibilità. La prima prevede il confronto di tutte le zone con quella centrale. L'altra è quella confrontare i valori di tutte le zone con la media calcolata tra tutte quelle analizzate. Si tratta di due possibilità che abbiamo scartato a priori e che sono utili soltanto se si misura un numero molto limitato di zone. Questo perché, come anticipato all'inizio di questa guida, il nostro interesse è duplice: oltre che verificare l'uniformità, è necessario rilevare la presenza di macchie. Ebbene cosa identifica una macchia?

 
Simulazione di un display con variazione del bilanciamento del bianco con Delta E limitato
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Nelle due immagini qui in alto ho riprodotto due simulazioni. Nel primo caso, a sinistra, la porzione centrale dell'immagine è perfettamente neutrale, nella zona di destra ha una dominante che tende al magenta mentre a sinistra il colore vira verso il verde. Le differenze però sono minime anche visivamente e le differenze numeriche tra i vari punti di misura con il valore centrale oppure con la media, saranno estremamente ridotti. Nell'immagine a destra invece sono visibili due vere e proprie macchie,nei due angoli in alto. Eppure se confrontiamo le coordinate del punto che identifica la macchia, troveremo che sono perfettamente identiche ad uno dei punti "periferici" dell'immagine di sinistra. Nell'immagine a destra c'è però una notevole differenza tra il colore della macchia e quello delle zone subito adiacenti. Ed è proprio questo che identifica la macchia: il cambiamento repentino di colore in spazi estremamente ridotti che, nella metrologia più recente, si verificano entro un grado di angolo di campo. Quando invece la variazione è più graduale, il problema è quasi invisibile.

 
Combinazioni elaborate con misure effettuate su 45 oppure 135 punti
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Ed è proprio questo che identifica una macchia: la presenza di valori molto diversi in zone adiacenti. Per questo motivo, sia che vengano acquisti 45 oppure 135 zone, verranno sempre messe a confronto tutte le possibili combinazioni tra zone adiacenti con il risultato di avere rispettivamente 140 e 470 differenti combinazioni. I vari confronti, tutti "numerati" saranno rappresentati in un istogramma, con la pubblicazione delle differenze, sia del livello di luminanza, sia delle differenze di colore "Delta E uv" (senza considerare la luminanza). In più, sarà anche rappresentato un diagramma di superficie con i rispettivi valori (45 oppure 135) sia della luminanza, sia della crominanza, questi ultimi con riferimento al punto centrale.

 
Diagramma di superficie della luminanza (al 50% del segnale in ingresso) di due monitor LCD
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Nel diagramma qui in alto a sinistra possiamo osservare lo stesso display a cui si riferiscono i due istogrammi in cima alla pagina, che tenevano conto soltanto dei confronti rispettivamente con il punto centrale oppure con la media di tutti i 45 punti di misura. Nel diagramma di superficie i valori hanno subito un cambiamento di scala: la luminanza del punto centrale è uguale a 100 e i vari livelli sono associati a colori che possano esaltare le differenze: dal verde fino al magenta, passando attraverso il giallo, l'arancio e il rosso. A sinistra un display con qualche problema di uniformità (comunque di ottima qualità) e a destra un monitor di riferimento con prestazioni eccellenti. 

Pagina 3 - Benchmark e conclusioni

 
Foto scattata allo stesso monitor: a sinistra da lontano (rapporto di visione di 2:1),
mentre a destra da molto più vicino (rapporto di visione di 1:1)

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La nuova misura di uniformità farà parte, a regime, sia di tutti i display che analizzeremo (monitor e televisori, 45 e 135 zone) sia dei videoproiettori (45 zone). Per quanto riguarda i monitor, abbiamo scelto di posizionare il "vantage point" al centro e ad una distanza pari alla larghezza dello schermo (rapporto 1:1). In queste condizioni, saranno evidenti tutti i limiti di alcune tecnologie e il risultato sarà sovrapponibile ad una situazione reale. Per TV e monitor con tecnologia LCD sarà misurato anche il livello del nero a zone: nella figura più in alto possiamo osservare un monitor IPS con diagonale da 27" fotografato rispettivamente da una distanza di 60 cm (rapporto 1:1) e poi da una distanza di 120 cm (rapporto 2:1), con evidenti differenze sul livello del nero che non sarebbero visibili se la misura venisse effettuata con misure perpendicolari allo schermo. In presenza di TV o monitor con "local dimming" saranno attuate tutte le "contromisure" affinché gli algoritmi del TV non possano nascondere eventuali disuniformità.

 
Diagrammi di superficie del monitor fotografato più in alto: a sinistra con
rapporto di visione 2:1 mentre a destra con rapporto di visione 1:1

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Qui in alto possiamo osservare i due grafici della luminanza del livello del nero ottenuti nelle due condizioni. Per i monitor, il punto di misura sarà con rapporto 1:1 perché rispecchia statisticamente la distanza di visione media che abbiamo riscontrato all'interno di un panel selezionato. Sarebbe opportuno variare il rapporto di visione in base alla densità dei pixel eppure, nella stragrande maggioranza dei casi, la distanza a cui le persone si pongono davanti ad un monitor è sempre la stessa, indipendentemente dalla diagonale o dalla densità dei pixel. Per quanto riguarda i televisori a risoluzione 4K, la distanza di misura che abbiamo scelto ha un rapporto di 1,5:1. Per la misura dei videoproiettori, la sonda con lente di correzione del coseno sarà invece sempre parallela al piano dello schermo, quindi senza modificare l'angolo di incidenza.

 
Uniformità della luminanza al 50% molto buona con differenze "peggiori" di circa il 15%
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Per l'analisi di tutti i monitor e TV proporremo quattro grafici di uniformità che saranno l'elaborazione dei vari punti di misura (45 oppure 135) di un segnale test "grigio" (50% del segnale in ingresso): ci saranno i due diagrammi di superficie della luminanza e del "Delta E uv" rispetto al punto centrale, seguiti dai due istogrammi con tutte le combinazioni possibili tra i vari punti di misura (140 ppure 470 possibili combinazioni). La misura del livello del nero riguarderà soltanto il diagramma di superficie e sarà limitata soltanto ai display con tecnologia LCD. Per TV e monitor con tecnologia OLED, non ci sarà la misura del livello del nero poiché non avrebbe alcun senso e ci limiteremo a pubblicare le due elaborazioni sul livello del "grigio" (luminanza e Delta E uv).

 
Uniformità del bilanciamento del bianco strepitosa, con Delta E uv inferiore a 3
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In casi particolari, effettueremo misura anche a livelli di luminosità subito al di sopra del livello del nero per cercare di mettere in evidenza eventuali artefatti come "clouding o banding" che potrebbero affliggere alcuni prodotti. Infine, per gli OLED è ancora in fase di sperimentazione una misura di uniformità per rivelare effetti di "burn-in" legati a questa tecnologia. Dopo che avremo raggiungo un numero congruo di prodotti misurati, introdurremo anche un sistema di benchmaring, esattamente come abbiamo già fatto per le analisi dei display degli smartphone (la guida è a questo link) e aggiorneremo anche questo stesso articolo. In chiusura un doveroso ringraziamento a Sony Italia e a Samsung Italia per la preziosa collaborazione: buona parte del lavoro di ricerca e di messa a punto delle nuove misure di uniformità è stato possibile grazie ai loro prodotti, ostaggio del nostro laboratorio per tantissimo tempo.