La nuova misura del gamma

[Redazione]

Link all'Articolo: http://www.avmagazine.it/articoli/te...136/index.html

Tra le indagini più importanti per la verifica della qualità di videoproiettori e display, la misura della linearità della scala dei grigi e della curva del gamma è una delle più importanti. In questo articolo viene proposto un nuovo grafico per la rappresentazione grafica del gamma e dei valori di luminosità misurati

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[vilnius]

Ottima la spiegazione sul gamma e molto interessante l'approccio utilizzato. Grazie!
Ho da poco un display al plasma che sto cercando di calibrare al meglio ed ora in maniera più consapevole sceglierò la curva del gamma più opportuna!

[Girmi]

Ho dato una lettura veloce e a prima vista credo che ci sia qualche inesattezza nelle descrizioni.
La più evidente forse è quella riferita all'immagini in scala di grigi a diverso gamma:

Quelle non sono scale a gamma 1,9:; 2,2 e 2,5 ma (giustamente) il gamma al centro è lineare, mentre la scala sopra ha un gamma di 1,45 e quella sotto di 0,77.
Se la scala centrale venisse linearizzata a 2.2, gli estremi sarebbero ca. di 1.5 e 3.5.

Altre sono: il numero massimo dei colori dei DVD, BRD, BRD, DVB e HD-DVD che non è a 256^3 colori ma 220^3 a causa della conversione YUV 16-235 -> RGB 0-255.
A questo andrebbe aggiunto che l'errore di appossimazione nella funzione di trasferimento è tanto maggiore quanto più alto è il valore del gamma target e quanto minore è il campionamento.
Per fare un esempio un gamma 2.2 a 8 bit si perde ca 68 sfumature per canale a causa dell'errore di approssimazione (per questo tutti i display che si rispettino hanno front end minimo a 10bit).

A mio avviso, ci sono anche alcuni presupposti sbagliati.

Se parliamo di sw, (filmati, DVD, trasmissioni), allora il concetto di compensazione del gamma nativo con l'applicazione di una funzione di trasferimento inversa ha senso, ma se parliamo di applicazioni informatiche, allora il gamma nativo dipende dal sistema operativo (2,2 Win; 1,8 Mac).

Infine, è giusto considerare il gamma 2.2 un riferimento finché si parla di SD, cioè di spazi colore REC601, ma se si parla di HD allora bisognerà considera che lo spazio colore REC709 prevede, se non sbaglio, un gamma di 1.8.

Domani rileggerò con più calma tutto l'articolo.

Ciao.

[Luciano Merighi]

Infine, è giusto considerare il gamma 2.2 un riferimento finché si parla di SD, cioè di spazi colore REC601, ma se si parla di HD allora bisognerà considera che lo spazio colore REC709 prevede, se non sbaglio, un gamma di 1.8.

no, anche HDTV ha un esponente di gamma normalizzato a 1/0.45
(fonte video demystified 4^ed. pag. 33, 73, 86 )

[Emidio Frattaroli]

... La più evidente forse è quella riferita all'immagini in scala di grigi a diverso gamma...

Hai pienamente ragione sui valori delle due scale: avevo inserito una immagine diversa. Mentre ti rispondo sto inserendo quella corretta su cui ho inserito anche i riferimenti. Ero indeciso fino all'ultimo se mettere un'immagine con differenze ancora più esagerate ma alla fine, dopo aver scelto le tre scale con gamma 1,9 - 2,2 - 2,5 non avevo sostituito anche l'immagine nel corpo dell'articolo. Ti sarei davvero grato se potessi controllare di nuovo.

L'immagine in sé è comunque da intendersi come esempio per capire in pratica come "funziona" il gamma e le differenze di risposta ai vari livelli della scala dei grigi con gamma diversi. Per questo motivo è vero che le indicazioni del valore del gamma si riferiscono solo alla condizione in cui venga utilizzato un display con gamma 2,2., In realtà anche se il vostro display avesse un gamma diverso, quello che è davvero importante è apprezzare le differenze tra le tre scale.

Emidio

[Emidio Frattaroli]

... se si parla di HD allora bisognerà considera che lo spazio colore REC709 prevede, se non sbaglio, un gamma di 1.8.

Come ha già detto Luciano Merighi, all'interno dello standard video ITU-R BT 709.5, la funzione di trasferimento utilizzata nelle telecamere è pari a 0,45. In realtà nei primissimi livelli la funzione di trasferimento assume valori compresi tra 4,5 e 5 per poi piegare subito al valore di 0,45. Al di là del riferimento di 0,45 l'operatore, il regista, o direttore della fotografia possono scegliere una differente curva del gamma per esigenze artistiche. D'altronde lo standard definisce una funzione di trasferimento pari a 0,45. E questo è un fatto che non può essere messo in discussione.

Con questa premessa, per visualizzare correttamente tale sorgente sarebbe necessario un display con gamma 2,2. Da questo punto in poi le cose si complicano notevolmente. Senza scomodare il mondo MAC, lo standard PAL 625/50 "pretende" un gamma fino a 2,8 (CCIR REC.601 - ITU-R BT.1700 Part B) mentre il sistema NTSC si riferisce ad un gamma pari a 2,2 (ITU-R BT.1700 Part A). Tutto questo, considerando che il gamma dei CRT varia statisticamente tra 2,3 e 2,5 per buona parte della scala dei grigi. Un vero casotto, insomma.

In nostro "soccorso" (si fa per dire) è arrivata l'EBU che, con il documento EBU – TECH 3321 pubblicato lo scorso Settembre, suggerisce un gamma pari a 2,35 per i display di nuova genrazione che si trovino in condizioni di luminosità ambientale ridotta (ma non nulla). Nelo stesso documento - di cui parleremo molto presto - si consiglia anche una luminosità del display di 200 cd/mq, un livello del nero pari a 0,5 cd/mq e un rapporto di contrasto intra-frame di 200:1. Per quanto ci riguarda, abbiamo preso come riferimento un gamma pari a 2.2 che considero anche il migliore, soprattutto quando le immagini vengono visualizzate in condizioni di luminosità ambientale pari a zero.

Sul gamma vorrei inserire ancora una considerazione. Immaginiamo di avere a disposizione un display che si attenga ai suggerimenti dell'EBU, con luminosità massima pari a 200 cd/mq e con livello del nero pari a 0,5 cd/mq. Considerando che la rampa di luminanza deve essere compresa tra questi due valori, sarà migliore quella curva con gamma che parta già da un valore più "conservativo" che si riduce progressivamente ai livelli più bassi fino al "nero" invece che un'altra che "tira" una rampa con gamma pari a 2.35 per poi non avere più corda e schiacciare gli ultimi gradini allo stesso livello del nero. Ma questa è un'altra storia che affronteremo quando si parlerà di calibrazione.

Emidio

[Emidio Frattaroli]

... il numero massimo dei colori dei DVD, BRD, BRD, DVB e HD-DVD che non è a 256^3 colori ma 220^3 a causa della conversione YUV 16-235 -> RGB 0-255...

Sul numero di colori, tecnicamente hai ragione ma qui c'è bisogno di così tante considerazioni che affronteremo in un articolo che è di prossima pubblicazione e che illustrerà anche l'universo degli spazi colore (CIE 1931, CIE Lab etc) e delle codifiche colore (RGB, YUV etc.). Il senso della premessa è che la codifica ad 8 bit permette al massimo 256 differenti livelli di grigio che utilizziamo comunque nella misura attraverso un generatore RGB 0-255 via HDMI con display e proiettori settati in modalità complementare.

Nella realtà le cose sono ovviamente differenti, senza dimenticare le varie modalità di trasmissione dei segnali via HDMI (normale, enhanced, component 4:2:2, component 4:4:4, RGB) e soprattutto il famigerato Deep Color. In ogni modo non mi risulta che i livelli, anche utilizzando come sorgente un DVD letto con un tradizionale DVD Player, siano solo 188 (256-68). A margine di questo articolo ti prego comunque di limitare i commenti sul topic principale e quindi sul gamma. Il tempo per discutere di spazi codifiche e sfumature di colore arriverà molto presto

Grazie ancora per l'ottimo feed-back, Girmi: davvero puntuale. Quando avrai terminato la lettura, mi farebbe molto piacere avere commenti ma soprattutto suggerimenti sul nuovo grafico.



Emidio

[Girmi]

Dalle prove che feci (qui), le funzione di trasferimento del PAL e del NTSC sono sostanzialmente simili per quanto riguarda la luminanza (differiscono per la cromia), mentre la compressione h.264, che utilizza il profilo ITU-R REC. 709, differisce anche in quella della luminanza.

La prova è molto facile da fare se si dispone di una periferica, player o display, che permetta di impostare manualmente i due profili, REC 601 e REC 709. La differenza è evidente.

Sto cercando un profilo REC. 709 per studiarlo. Se a qualcuno capitasse sott'occhio per cortesia lo posti.

Se interesessa, qui ci sono tabelle con diversi spazi colore, anche NTSC; PAL, SMPTE-C; con le coordinate dei primari, dell'illuminante, del gamma e per gli amanti dei display a miliardi di colori ci sono anche i DeltaE Volume (aka: max colori discriminabili nel profilo).

Questo Color Check calculator invece dimostra velocemente che anche nel grey gamma fra NTSC e PAL ci sono differenze (anche se minime ed a mio avviso trascurabili)
http://www.brucelindbloom.com/index.html?Calc.html


Ciao.

[vipermario]

facendo parte del gruppo di utenti che "non hanno ancora assimilato certi dogmi" ringrazio emidio e lo staff di avmagazine per aver fatto chiarezza su dei punti che, per gli appassionati o gli adetti ai lavori possono sembrare piuttosto scontati, ma che per i neofiti come me sono importanti per avere gli strumenti per riuscire a valutare, anche soggettivamente, la bontà del proprio materiale video presente e futuro (come il nuovo grafico studiato ad hoc che rende più visibile a colpo d'occhio la bontà della curva del gamma)

ben vengano queste "lezioni" così come sono sempre state ben accette quelle su hwupgrade! quindi spero che, accanto alle classiche recensioni ci sia sempre più spazio per articoli di questa tipologia.

ciauz!

[MauMau]

molto interessante, complimenti.
Sono proprio curioso di vedere all'opera i nuovi grafici, dato che quello tradizionale non mi ha mai dato l'impressione di essere molto utile (dal punto di vista puramente didattico).

[Emidio Frattaroli]

Ringrazio tutti i commenti e i consigli, anche quelli arrivati via email e messaggi privati.. (paura, eh? )

Dopo un confronto con Andrea Manuti, con cui sono tornato in stretta collaborazione per provare a standardizzare le principali misure sui videoproiettori, ho modificato leggermente il grafico, aumentando la "zona verde" che a questo punto si estende fino ad un coefficiente 2.4 e allargando anche le altre zone che, alla fine, sono soltanto tre.

Per il momento, per necessità pratica e per rimanere nella "zona di sicurezza" dell'accuratezza di misura, ho limitato la misura a partire dal 10% di intensità del segnale in ingresso. Il risultato è visionabile già nelle misure relative al display LCD Samsung appena pubblicato:

http://www.avmagazine.it/articoli/te...40m86bd_6.html

Grazie ancora a tutti per il supporto.

Emidio

[Girmi]

Due colori per le due linee invece dell'animazione?

Mi secca un po' fare la voce fuori dal coro, ma ho qualche perplessità sulla chiarezza dei valori in ordinata ed in ascissa e sulla immediatezza dell'interpretazioni dei dati espressi.

Sembra che a valori di Y (intensità del segnale luminoso) corrispondano dei valori sempre di Y in uscita.
Cosa che per un display è impossibile, dato che lavorano in RGB.

Se è una scala di grigi quella che viene misurata, forse sarebbe più chiaro indicarla come valori di K o N (le sigle di solito usate per indicare il nero) o in valori percentuali, come adesso in ascissa per il segnale in ingresso.

L'attuale scala di grigi espressa in cd/m^2 (direi dato che manca la legenda) a mio avviso non è chiarisima perché i valori variano a seconda della luminosità massima di ogni display e di conseguenza variano i valori intermedi senza alcun riferimento.
Insomma, due display possono avere il grigio 50% a 30cd/m^2 o a 80cd/m^2 ed essere entrambi perfettamente linearizzati.
La stessa variazione della luminosità massima nelle condizioni normale e calibrata confonde ulteriormente, imho.

In parole povere, e se ho compreso bene il senso di tutto il lavoro che avete fatto e che ti confesso non ho ancora potuto studiare a fondo, quello che dovrebbe apparire immediatamente è che per ottenere un valore del grigio pari, ad esempio, al 50% applicando il gamma target di 2,2 si deve applicare un segnale pari a 64 Y (o 29% Y) o, al contario, che per determinati valori di Y in entrata (ad esempio 64 Y) ed in base al gamma target (2.2) il valore di luminosità in uscita deve essere del 50% o deve essere chiaro lo scostamento.

A parte i numeri, che per alcuni possono significare molto poco, aiuterebbe avere un riferimento iconografico almeno a fianco delle coordinate. Una sfumatura o delle rampe o dei pallini sulle linee.
Qualcosa che allinei subito otticamente il grigio in entrata e quello in uscita, al di là dei valori numerici che li esprimono.

Altra cosa, a me sembra di aver sempre visto i grafici relativi alle funzioni di traferimento relative a immagini, calibrazioni ecc…, con i valori di input in ordinata e quelli di output in uscita.
Cioè al contrario di come sono adesso.
Ma come sai, su questo posso dire di essere troppo influenzato dalle mie esperienze per dire se quello che non è chiaro a me non lo sia per altri.

Infine, cos'è il Delta w?
È per caso il Delta E riferito al bianco target?
Se sì, come è possibile che sia indicato con valori millesimali?

Ciao.

[Emidio Frattaroli]

Mi secca un po' fare la voce fuori dal coro, ma ho qualche perplessità sulla chiarezza dei valori in ordinata ed in ascissa e sulla immediatezza dell'interpretazioni dei dati espressi.

Ti scoccia essere fuori dal coro??? Ma meno male che ci sei, invece! E' proprio grazie a questo tipo di suggerimenti che potremo migliorare il risultato. Quindi non ti azzardare a mollare!

Due colori per le due linee invece dell'animazione?

...Insomma, due display possono avere il grigio 50% a 30cd/m^2 o a 80cd/m^2 ed essere entrambi perfettamente linearizzati.
La stessa variazione della luminosità massima nelle condizioni normale e calibrata confonde ulteriormente, imho.

Hai centrato il problema, Girmi. Visto che i valori massimi sono normalizzati ad 1, in realtà sul grafico il dato di massima luminanza, sia esso pari a 200 cd/mq, sia esso pari a 350 cd/mq, è sempre pari ad 1 ed è sempre nello stesso punto. I valori ottenuti inviando segnale ad intensità inferiore, saranno compresi tra 0 ed 1.

E' soprattutto per questo motivo che non è possibile mettere i due tracciati nello stesso grafico. Ho fatto la scelta di indicare anche il valore di illuminanza o di luminanza.

In pratica l'obiettivo del grafico è triplice:

1 - indicare la progressione del coefficiente del gamma per dare un'idea della non-linearità della scala dei grigi e per questo motivo non servono neanche altri valori.

2 - esaltare eventuali punti in cui si hanno gli stessi valori di livello in uscita, come ho già indicato nell'articolo e anche per questa non servono altri valori: basta seguire l'andamento della linea e controllare se rimane alla stessa altezza per valori in ingresso diversi.

3- il terzo obiettivo è di dare indicazioni anche sui livelli in uscita misurati. Questo terzo obiettivo impedisce di inserire due misurazioni in uno stesso grafico per ovvi motivi.

Sembra che a valori di Y (intensità del segnale luminoso) corrispondano dei valori sempre di Y in uscita.

La premessa è che sul grafico in ascissa e ordinata ci sono valori relativi. In pratica al massimo (in alto a destra) c'è il valore "1".

In ingresso al prodotto in esame viene consegnato un segnale video a percentuali crescenti (per l'appunto definito "Y" o luminanza). In uscita viene misurato un valore che, a seconda del prodotto in esame (proiettore o display), è espresso in lux o cd/mq. Anche il livello di uscita viene chiamato generalmente "Y". Potremmo anche mettere al posto di Yout la grandezza corrispondente: quindi cd/mq o lumen. Un'idea interessante.

Se è una scala di grigi quella che viene misurata, forse sarebbe più chiaro indicarla come valori di K o N (le sigle di solito usate per indicare il nero) o in valori percentuali, come adesso in ascissa per il segnale in ingresso.

Mi sembra di aver già messo i valori percentuali del segnale in ingresso che, per l'ultima versione del grafico, vanno dal 10% al 100%.

L'attuale scala di grigi espressa in cd/m^2 (direi dato che manca la legenda) a mio avviso non è chiarisima perché i valori variano a seconda della luminosità massima di ogni display e di conseguenza variano i valori intermedi senza alcun riferimento.

Esatto: sono cd/mq visto che è stata misurata la luminanza. E hai ragione anche sul fatto che dovrei comunque metterla da qualche parte l'unità di misura...

... per ottenere un valore del grigio pari, ad esempio, al 50% applicando il gamma target di 2,2 si deve applicare un segnale pari a 64 Y (o 29% Y) o, al contario, che per determinati valori di Y in entrata (ad esempio 64 Y) ed in base al gamma target (2.2) il valore di luminosità in uscita deve essere del 50% o deve essere chiaro lo scostamento.

Un momento: sono certo che se leggessi prima tutto l'articolo probabilmente sarebbe superflua ogni mia ulteriore spiegazione. Mi sembra un po' assurdo che siamo qui a discutere e tu non l'abbia ancora approfondito, no?

In ogni modo, ecco come procedo: prima di tutto si misura il livello in uscita (per il samsung si misurano le cd/mq) quando in ingresso si consegna un segnale "bianco" alla massima intensità (quindi, visto che misuriamo in RGB 4:4:4 è pari a 255, 255, 255). Il valore misurato è il punto di riferimento del grafico e viene normalizzato ad "1".

Ad un certo punto si invia un segnale con "gigio" (bianco al 50%), si misura di nuovo l'intensità della luminanza, si normalizza il dato rispetto al valore misurato con bianco al 100% e si plotta il punto (il pallino) nella posizione opportuna del grafico. Se il valore misurato con segnale in ingresso pari al 50% (quindi 128, 128, 128), dopo essere stato normalizzato rispetto al valore misurato con bianco al 100% fosse caratterizzato da un gamma 2.2 cadrebbe quasi in mezzo alla zona verde.

Se invece misurassimo un valore inferiore (il "grigio" riprodotto dal TV è troppo basso) il punto sul grafico cadrebbe più in basso, nella zona gialla o in quella rossa. Se il livello misurato fosse troppo elevato rispetto al valore atteso, il punto cadrebbe nelle zone gialle o rosse più in alto.

Sulla porzione superiore delle zone colorate, ho inserito tutti i valori del gamma per tutti i punti con arrotondamento alla seconda cifra decimale. Nella zona inferiore ci sono i valori di luminanza o illuminanza, ma giusto come riferimento. Per il Samsung si tratta di valori di luminanza.

Spero di essere stato chiaro.

... aiuterebbe avere un riferimento iconografico almeno a fianco delle coordinate. Una sfumatura o delle rampe o dei pallini sulle linee.
Qualcosa che allinei subito otticamente il grigio in entrata e quello in uscita, al di là dei valori numerici che li esprimono.

Ed è proprio per questo motivo che ho inserito quelle linee verticali: proprio per dare un riferimento preciso per associare ciascun punto sul grafico al relativo livello in ingresso. I riferimenti per i valori del gamma sono evidenziati con i colori dello sfondo del grafico.

... Altra cosa, a me sembra di aver sempre visto i grafici relativi alle funzioni di traferimento relative a immagini, calibrazioni ecc…, con i valori di input in ordinata e quelli di output in uscita

Per i grafici del livello di uscita in funzione di quello in ingresso è l'esatto contrario. In ascissa c'è il livello in ingresso e in ordinata che il livello di uscita. Anche Colorfacts usa lo stesso approccio. Dai un'occhiata al sito del manuti: tutti i suoi grafici sul gamma sono presi dal colorfacts.

... Infine, cos'è il Delta w?
È per caso il Delta E riferito al bianco target?
Se sì, come è possibile che sia indicato con valori millesimali?

Si tratta molto brutalmente della distanza tra il punto del "bianco" misurato rispetto a quello di riferimento (0,313x 0,329y) nello spazio CIE 1931.

Per fare un paio di esempi esagerati, la distanza tra il punto del rosso (0,640x 0,330y) e il bianco di riferimento è pari a 0,327. La distanza tra il giallo (0,419x 0,505y) e il bianco di riferimento è pari a 0,2055. Visto che lo spazio CIE 1931 non è percettualmente uniforme e visto che è una dato piuttosto complicato da capire, per il bilanciamento del bianco lungo la scala dei grigi abbiamo optato per il rapporto tra le componenti RGB normalizzate, utili anche per chi si voglia cimentare nella calibrazione. Per l'angolo di visione, per il momento lasciamo questo valore, in attesa di migliori soluzioni.


Emidio

[Girmi]

Urca, che poema!
Mi rileggo bene le premesse e ci risentiamo.

Ciao.