颜色的前世今生25 · 白点,RGB色空间的靶心

2017-11-17 分享达人 用户研究

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我终于回来了,今天继续显示器上的“坑爹的白色”,讲讲为什么显示器的白点色坐标如此重要~


我终于回来了,今天继续显示器上的“坑爹的白色”,讲讲为什么显示器的白点色坐标如此重要~


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太长不看的浓缩版:

1. 把白色的色坐标在CIE色度图上标注出来,就是所谓的“白点”(直观看就是一个点嘛)

2. 白点,是RGB色空间的靶心,它的位置会影响显示器的绝大部分颜色的表现。

3. 显示器白点有标准值,但实际上很难管控。消费级显示器的白点基本都是不准的,只是差多差少的问题。。。

4. 让白点尽量接近标准值,就是显示器校准的主要意义所在。

5. 硬件校准由厂家管控,软件校准由用户管控。

6. 校准文件只针对某一台显示器,不能在其他显示器上混用(同一个型号也不行)。

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颜色管理系列的上一篇,我们介绍了如何对显示器进行目视的白点校准。大家应该已经对白色的重要性有了直观的印象。(详情看这里颜色的前世今生23·显示器偏色怎么办?


(一)白点,是RGB色空间的靶心

把白色的色坐标在CIE色度图上标注出来,就是所谓的“白点”(直观看就是一个点嘛)。

它对显示器最终的颜色表现有举足轻重的作用,因为它影响的并不光是白色,而是色空间中的大部分颜色


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两个屏幕的白色明显不同。除了白色外,其实其他颜色也不一样。注意看肤色的差异。

图源 | 微博











那么问题来了,why?(嫌麻烦的同志可以跳过这一段不看。。。直接看结论~


我们先来复习一下色度图的知识。

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颜色A和颜色B混合,生成的新颜色C,其色品坐标一定在A和B的连线上。


但具体是在哪个位置呢?

用教科书的话来说,就是,C应该落在跟A和B的强度成反比所分割的位置上


???这是什么意思?

还是看图说话比较容易懂。









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从AB连线上做两条平行的辅助线段AD和BE,和AB成直角,用红色标注。

AD长度为K1,BE长度为K2。

K1=颜色B的三刺激值之和。

K2=颜色A的三刺激值之和。

(三刺激值,是一个色度值,和光的强度成正比。亮度越高,其值越大。我们后期文章再来详细讨论它。)

DE和AB的交点,就是新颜色C的位置。










结论就是,简单来说,这事儿就跟拔河似的,

谁的力气大(亮度高),目标点就离谁近。

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就是这样的。。。我们先有个直观的印象,方便我们讨论下面的问题。(图片来自网络,借来用一下~


好啦,现在我们知道了,显示器的两个原色混合之后,新颜色一定在它们的连线之上,并且位置和他们的亮度相关。


那么再加上一种颜色呢?

那也一样嘛!

显示器三个原色混合之后的颜色,色品坐标的位置就是这样(见下图):

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所以色号为#FFFFFF的白色,就正好坐落于RGB三个原色点和所有一级间色的连线上(见下图)。

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再来更多的颜色之后,虽然大部分颜色的连线不会穿过白点,但是它们之间是相互关联的。

这就是由颜色混合的线性特点决定的。

画出图来,你就懂了:

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所以!

除了三角形顶点的颜色外,其它颜色的坐标都会被白点的位置”牵扯“。

如果白点位置靠上,大部分混合色的位置也会靠上。

如果白点位置靠下,大部分混合色的位置也会靠下。


如果用动图来看,会更加直观。

现在假设有一排显示器,除了白点之外,其他所有的参数都是一样一样的。

那么把上图的20种颜色依次标注在色度图上,就是这样的(白点一动,其它颜色都动了):

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白点位置的变化会带着大部分颜色跟着变动。

(因为没有数据,所以不是很准,看个意思~


(另外需要额外说明一下,

白点的位置是由RGB三原色的三刺激值(光谱功率分布和亮度)共同决定的一个“结果”。而不是颜色变化的原因。

这个“动”只是为了方便大家理解这个现象,我们脑子里推演一下就行了。)













这样一看,是不是就很明白了?

结论就是:

1. 白点的位置,决定了整个显示器颜色表现的风格。

如果显示器的白色偏黄,那么几乎所有的颜色,不管是肤色还是灰色,都会偏黄。

如果显示器的白色偏绿,其他大部分的颜色也会偏绿。


2. 要调整白点的位置,就要调整RGB三原色的亮度。



(二)白点的标准值是难以达到的。。。


正因为白点对整个色空间有如此重大的影响,所以所有的RGB色空间标准中都会规定白点的位置(而且这是最重要的参数,第一眼就应该看它):

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(白点是RGB颜色标准最重要的参数之一)


但是!

实际情况是,

除了专业显示器,一般消费级显示器,白点表现可以说是五花八门,

反正不会正好就在D65或者D50的那个点上。

每一台单拿出来看,差异尚不明显(人眼能自动适应不同的白点),一旦两台显示器放一起,或者跟标准色卡一比,色差就在所难免。


因为显示器要控制好白点的位置,非常非常难。。。


可能有人要问了,那有什么难的呢?

RGB三种光,混到一起,不就是白光吗?这有啥难的?


其实不然。

如果你自己搭一个RGB混色系统,随便混合一下,出来的十有八九不会正好是白色。

之所以#FFFFFF这个色号会在显示器上显示白色,是因为出厂前,工程师们进行了精!心!设!计!

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一个典型的LCD的RGB三原色光谱测试数据图

RGB三原色光谱功率分布和亮度,藏着显示器颜色表现的秘密。知道了上图的数据,就基本能确定每一个RGB色号对应的色坐标位置。











要控制好白点,需要控制好两个要点:

一,RGB的光谱功率分布(显示器硬件方案一定下来,这个就基本不能动了)

二,RGB的亮度(所以调白点最后就只能调这个)


目前我们常用的液晶显示器,它的RGB光谱功率分布和亮度,由液晶面板和背光模组共同决定。

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液晶面板的每一个像素里,都有RGB三个子像素。

当面板的红色子像素完全打开后,就是红色#FF0000,背光模组发出的白光经过面板(液晶+color filter)的吸收,变成了三原色中的红色,从而确定了RGB显示器色域R点的位置。

同理,当绿色子像素完全打开,就是绿色#00FF00,确定G的位置。蓝色子像素完全打开,就是蓝色#0000FF,确定B的位置。

把这三个点的位置标注在色度图上,就是我们常常见到的显示器色域图。

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sRGB色域图










在产品研发的初期,需要根据产品对色域和白点的要求,出一个整体的设计方案(液晶材料、玻璃材料、驱动设计、背光的色温和亮度)。


一旦方案定了,显示器颜色表现的基调也就定了。

在这个基础上,如果实际效果和设计意图有偏差,或者产品中途要改需求(噢不。。。),还想再改一下白点的位置该怎么办呢?


要知道,上述设计方案中的任何一个环节,哪怕只改一丢丢,都是很麻烦、很贵的。因此原则上这些硬件设计是不会改动的。还好面板的驱动IC上还有一些调整余量可以用用。


(三)白点的硬件校准vs.软件校准


我们可以通过调整液晶面板的驱动电压大小,来调整RGB的最大亮度,从而改变白点的位置。

(不过这个办法可调范围有限,所以只能用作微调。)


这也就是所谓的“硬件校准”。

因为最后这个校准数据会存储到显示器的驱动IC中,一般需要用特殊的工具才能写入IC寄存器。所以这个一般由厂家管控。

业内也叫它“调白点”,干起来相当烦人。。。


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 上图讨论了一个简单的情况:把白点W下移,需要“+B-G”或者“+R-G”。


实际工作中,W不但需要上下移动(改变y值),往往还需要左右移动(改变x值)。因此,就需要进行RGB三色的(亮度的)平衡调整,也就是说,三种原色的亮度都要动。

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所以在Photoshop里,色彩平衡这个键,用了一个天平做图标。

(色彩平衡其实就是调整图片的白点)。

只不过这里是RGB三方的平衡,比天平的两边平衡略复杂一点。




这个工作的烦人之处,之一,在于亮度大小和白点的准确性是矛盾的


由于显示器设计的时候,面板和背光材料一确定,最大亮度就基本确定了。

因此,所谓的调整亮度,其实往往只剩下降低亮度这一招。

如此一来,屏幕的白平衡不动则已,一动,最大亮度就会下降。

所以,显示器出厂时需要小心的平衡亮度和白场的表现,不能顾此失彼。


烦人之处,之二,在于需要兼顾量产时的表现

因为,要调整的不是一个点,而是一个面。


液晶面板的颜色特性波动不大,可以忽略。背光光源的颜色,却是在一个比较大的范围内波动的。

产品大规模量产以后,一测,其实三原色的坐标是这样的:

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RGB色域的差异(三原色的差异),本身就是是显示器色差的主要来源之一。

进一步,由于白点的位置和RGB三原色的色坐标位置和亮度(这个也有个体差异)紧密相关,所以显示器的白色也随之在一个很大的范围内波动,这也会带来色差。


从品控的角度来说,甚至影响比色域还大。


我的个人感觉,两台白场一致、而色域略有差异的显示器,普通画面看起来的色差其实不大。但如果是两台色域一致、而白场略有差异的显示器,白点哪怕只差了0.01,色差都会很明显。

究其原因,大概是因为色域是由RGB原色色坐标决定的,主要影响的也是三原色附近的颜色。

而对普通画面而言,分布于三原色附近的颜色其实并不多(高饱和度颜色不多)。大多数颜色其实都是中等饱和度的颜色,特别是一般的操作界面UI还会采用大量的灰色,否则颜色太艳丽,眼睛会很不舒服。

白场坐标除了三原色之外,几乎所有的颜色都会影响到,所以一偏色之后更要命。

(这个想法还待求证。)


什么?你问为什么光源的颜色不能做到一样的?

这就跟种萝卜似的,虽然控制品种、养料、光照等等参数能有一些帮助,但你也不能真的指望种出来的萝卜长得都一样一样的,对不对?

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所以,调白点的时候,一台显示器调得再准,得到的参数放到另一台显示器上,因为RGB三原色的色坐标变了,亮度也变了,白点坐标自然也跟着变了。

这样一来,从工业品量产的角度讲,重要的就不是某一台的准确性,而是整个产品周期里所有产品的准确性。不求每一台都绝对准确,只求整个型号的相对准确。


(因此那种认为同一个型号的显示器就可以用同一个ICC文件的想法也是不对的。。。

ICC就是为了解决显示器的个体值和典型值的偏离问题。不同的显示器偏离的方向是不一样的,所以校准的方向也是不一样的。混用能不能起到好的效果,完全看运气。。。

更何况,同一个型号用的也不一定是同样的面板+背光啊。。。摊手~)


具体到操作上,就要挑选有代表性的一些样品(所谓的golden sample),调一个大家都还过得去的参数。

——调一个就挺麻烦了,还要同时兼顾一批?没有经验真心干不了这活儿。


这还没完。

还有可能做着做着发现,golden sample挑得有问题,代表不了中值水平。。。好吧,再来一遍。。。

又或者生产了一段时间,发现同一批次的背光不够用了,新补的背光颜色有偏差。。。艾玛,心好累。。。


然而,心再累,也只能说整体结果“还过得去”,因为它不能解决单个产品上的波动。

要想彻底解决这个问题,就必须管控这种波动。

一般来说,有两种办法。要么,就挑色差小的光源;要么,就要在显示器出厂的时候做白点校准。


挑光源好理解。

既然萝卜不可能都长一样,拿个模具卡一下,长得不符合标准的就不要了,不就行了嘛?!


这个办法只适合有钱任性的土豪。

而且,除了贵,还会面临产能不足的问题。就是说,萝卜本来的产能是1000吨,你说只要长得好看的,那就只有100吨的能卖给你了(数据只是用来打个比方,不要深究),再多你就是砸金子也生产不出来。

所以大部分显示器,都不可能挑光源(也有种说法,背光元件中颜色最稳定、最接近中值的那部分已经被苹果买断了。。。这个说法还有待求证。。。 )。


那怎么办呢?只剩下一个办法,那就是,校准。


要想显示器的白点准确,就需要校准,而且是一台一台的校准。

这个办法跟挑光源相比,不知道谁更贵一点。。。

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结论:

1. 显示器白点受多项因素影响,波动性比较大;

2. 厂家管控的硬件校准,只针对某一个型号、某一个批次,不保证每一台都是最优值。

只有非常少的情况下(比如很贵的专业显示器、监视器之类),才会有硬件级别的单台校准。

3. 要某一台显示器达到最优值,需要做单台校准。一般是由用户来做软件校准(后期文章我们会详细讨论这个软件校准是怎么回事,有些什么样的使用限制)。


(四)白点校准是显示器校准的重中之重


总而言之,简而言之,

白点对显示器的颜色表现非常重要,是个重量级的参数。

而由于种种原因,它又实际上处于一个放飞自我的状态。。。

厂家不管,用户就得自己管~


所以对白点的校准,就是显示器校准工作的重中之重。

这也就是我们做颜色管理的时候,首先要对显示器进行校准的原因。


总结一下,就是这样:

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