第1126篇推文
随着电视价格的不断走低和性能的提高,液晶电视已经越来越受到普通消费者的欢迎,成为一般家庭添购电视的首选。在电视的选购中,外观造型、价格、品牌、亮度、色彩等成为影响消费者是否购买的主要因素。接下来,本文将介绍对电视的亮度和色彩有较大影响的Gamma(伽玛)和色温的基本概念及其调试方法。
一、什么是Gamma?
Gamma是用来表征显示器件亮度响应特性的一个参数。通常显示器件上显示的亮度与输入电平的关系接近一条指数曲线,如图1所示。
在图1 中，水平方向表示输入电平，垂直方向表示显示的亮度。对图 1 进行归一化处理后， 得到如图2 所示的蓝色曲线。可以看出，该响应曲线与红色的指数函数曲线y=x^2.2 非常接近。
因此，显示屏的亮度响应曲线可以用指数函数表示为：y = x^r，其中的 r 就是我们所说的Gamma， 它实际上就是指数函数的幂。
二、为什么需要Gamma校正?
传统显示器的Gamma是2.2, 因为这样的显示特性比较适合人的视觉特性。如果Gamma偏大,则整体图像会感觉偏暗, 图像暗场景中的细节容易丢失: 如果Gamma偏小, 则整体图像会感觉偏亮, 图像变得朦胧,层次感变差。在图3中给出了一些具有不同Gamma的响应曲线及16灰阶图像的对比。
上图中, r1.8的图象整体偏亮,层次感变差;而r-2.6的图象整体偏暗,最左边的两个暗阶已无法分辨。由于发光原理不同,显示器件的亮度响应特性不同,其典型的响应特性是一条s形曲线，具有较高的Gamma值,如图4所示。
因此，为了达到理想的特性亮度响应曲线， 必须要对屏幕进行Gamma 校正。
三、什么是色温?
色温是用来表征光源色品的参数。其定义为,如果一个光源发射光的颜色(即光色,又称色品)与某一温度下的黑体发射光的颜色相同,则该黑体的绝对温度值就叫做该光源的颜色温度,简称色温。当光源发射光的颜色和黑体的光色不同,但是与某一温度下的黑体的光色最接近时,就把该黑体的绝对温度值叫做该光源的相关色温。自然界中,每一种光源的色品都可以在CIE (国际照明委员会)色品图中找到对应的点。下图为CIE 1931色品图,图中x坐标是红原色的比例, y坐标是绿原色的比例,代表蓝原色的坐标z可由x+y+z=1推出。
在 CIE 1931 色品图中，由不同温度下的理想黑体的色品连成的曲线称为普朗克轨迹。在色品图的中间，普朗克轨迹的附近有一个区域，为白色光区域。色品在此区域内的光源发出的光呈现为白色。
从色品图中可以看出，尽管一些光源发出的都是白光，但是不同色温（或者说色坐标）的白光还是有差异的。色温偏低的白光看起来偏红一些， 色温偏高的白光看起来偏蓝一些。在彩色电视接受机中， 白场的色温是评价电视系统色彩再现性能的一个重要指标，直接影响人们对图像色彩的喜好程度。CIE 推荐的标准白光 为 6500K，对应的色度坐标为x＝0.3127，y＝0.3290。通常
在液晶电视中使用的色温介于 6500K 到12000K 之间。因为较高的色温会使电视图像看起来更亮丽，所以实际使用的色温多数在 10000K 左右。
在电视系统中，最终在显示屏上呈现的色温实际上受到三部分的影响：接收信号的原始色温，信号在主芯片中受到的处理，及液晶屏的显示特性。因为电视所采用的主芯片和液晶屏有多种选择，所以同样的电视信号在不同的电视机上呈现出来的色彩和色温也是各种各样的，这样必然会降低电视机还原色彩的性能。正因为如此， 为了获得最佳的色彩感觉，并保持批量产品性能的一致性，必须要对电视机的色温进行校正， 使得出厂的所有电视机保持在预先确定的最佳的色温上。
四、Gamma 和色温的校正原理及方法
通常在电视中，输入的模拟信号需经过前端的ADC，将其转换为数字信号，然后对数字信号进行SCALER（缩放）和一些增强处理，最后通过LVDS 或TTL 信号送到液晶屏上显示。图6 是一个简化的电视的系统框图。
我们看到在上图中，信号在经过SCALER 和增强处理之后，需要经过一个数据变换模块（图6 中的紫色模块），这就是RGB 映射表 （又叫 Gamma Look-Up Table,缩写为LUT）。通过LUT 的数据转换，可以补偿LCD Panel 的 Gamma 和非线性响应。实际上，LUT 就是三组可编程序的SRAM， 按照输入的R/G/B 值寻址，得到对应的12 bit 的 R/G/B，然后再经过Dither(抖动处理), 转换成LCD Panel 需要的bit 数。图 7 是Gamma LUT 的框图。
Gamma 的校正原理，就是利用Gamma LUT，将输入的数据进行逐点变换，使得在Panel 上呈现的亮度响应曲线符合给定的指数曲线。图8 给出了Gamma 校正的示意图。
上图中， 蓝色曲线是液晶屏的原始亮度响应曲线，红色曲线是我们期望得到的 Gamma=2.2 的响应曲线。对于输入电平为 512 的点， 测得的原始亮度为 84.26 nit，而需要的亮度应该是 98.15 nit .
计算方法如下：
Y = (512 / 1023)^2.2 x 450 = 98.15
这就是说， 该点的亮度偏低。因此，需要提高该点的亮度响应来满足期望的Gamma 曲线。提高亮度响应的办法就是增加对应的输出R、G、B 的值。该点经过校正后，输出的 R、G、B 值应该在 550 左右。对 0 到1023 范围内的所有输入进行逐点校正，就能得到一张 R/G/B 映射表，如下图所示：
通常，为了计算精度的需要，Gamma 表的输出要比输入高两个比特。如图 9 所示，输入的R、G、B为 10bit，取值范围为0 到 1023；输出的R、G、B 为12bit，取值范围为0 到 4095。对于图中的512，1：1 线性变换时输出的R、G、B 应该等于2048，而经Gamma 校正后，实际的输出分别是 2200，2216 和2064。
在实际应用中，如图9 的 R/G/B 映射表由工具转换为数据文件，再导入到软件中。在电视正常工作过程中，由软件根据需要，将数据表写入到主处理芯片的 SRAM 中，从而完成对图像的 Gamma 校正。
在上文介绍 Gamma 校正的过程中，只考虑了对亮度的校正。而实际上，通过 R/G/B 映射表，不仅可以实现Gamma 的校正，还可以实现色温的校正。我们知道，色温可以由色坐标x，y 指定。其中，x 表示红色分量所占的比例，y 表示绿色分量所占的比例。因此，对于给定的灰度信号，通过调整输出信号中R、G、B 所占的比例就可以使显示的灰度图像的色坐标趋近目标色坐标。大致的调节方法是，对于某一输入灰度电平，先调节输出的R 和G，使得输出图像的亮度接近目标亮度。然后再将当前的色坐标与目标色坐标进行比较，如果x，y 都比目标值大，则增加 B 分量；反之，如果x，y 都比目标值小，则减少B 分量；如果 x 偏大， 则减少 R 分量，y 偏大，则减少G 分量。测得的色坐标与目标值一致后，则比较亮度看是否一致。这样反复细调几次后，就可以使得输出灰度图像的亮度和色坐标同时满足要求。
在图 9 中，对于输入为 512 的点，其输出的R、G、B 之所以并不相等，就是因为考虑了色温的要求。运用由上述方法得到的R/G/B 映射表，就可以同时实现 Gamma 校正和色温校正的功能。下图给出了Gamma校正开和关的对比效果。
从上图中可以看出，在没有采用Gamma 校正的情况下，实际测定的Gamma 曲线与参考曲线在中等灰度部分差异较大。同时色坐标xy 在从黑到白的亮度范围内变化很大，表现在屏幕上，就是各灰阶的颜色不同。而经过Gamma 校正后的结果如上图中的右下部分所示，可以看出，实际测定的Gamma 曲线与参考曲线基本上完全重合，色坐标 xy 也只有很小的波动，从黑到白的各灰阶的颜色很接近，基本上保持相同的色温。
综上所述，Gamma 及色温校正在电视中的运用是非常重要的，特别是对于较大尺寸的显示屏，正确地运用Gamma 及色温校正可以明显地改善电视机的图像质量。
五、Gamma 及色温校正的工具和设备连接
通常，电视中主处理芯片的制造商都会提供与其芯片相对应的Gamma 调试工具，以方便电视开发设计人员来检查和调整电视整机的Gamma 和色温。利用这些调试工具，可以测量LCD 显示屏原始的Gamma 和色温特性，也可以手动调整或自动生成 R/G/B 变换曲线，并将结果导出到系统软件中，以达到修正Gamma 和色温的目的。下图是做Gamma 校正时的设备连接图。
上图中，彩色分析仪（通常用CA410）用来测量Panel 上显示的待测图像的色温，色坐标，亮度等参数，然后通过数据线传送到电脑中。在电脑中，调试软件对测量得到的数据进行处理，并根据设定的目标Gamma 和色温进行计算，生成 R/G/B 变换数据表（也可以手动修正），然后通过串口线写入电视主芯片的SRAM 中。最后打开Gamma 功能，校验写入的 R/G/B 变换数据表是否满足预定的要求。调试软件还可以通过串口线控制信号发生器送出需要的信号，随同彩色分析仪一起完成对电视系统的Gamma 特性的自动检测。
六、Gamma 及色温校正过程中的注意事项
采用 RGB LUT 的方法，可以实现对液晶电视的Gamma 校正和色温校正。但是数字信号输入输出的转换也可能产生一些负面作用，导致图像的画质降低。因此，在调试过程中需要特别注意以下几点。
首先，Gamma 校正会导致电视的峰值亮度降低。以输入为10bit，输出为12bit 的Gamma 表为例，要保持峰值亮度不变，当输入为 1023 时，输出应该为4095。但是由于Gamma 校正的需要，要改变输出R、G、B 的比例。而在峰值电平处，R、G、B 的值不能变大（即不能大于4095），只能变小，所以经过调整后，R、G、B 三个信号中必然有的信号的值小于4095，这样一来，输出信号的亮度就被降低了。考虑到这个因素，在调整Gamma 和色温时，对于接近最大亮度的部分，应该优先保证图像的峰值亮度，在色温可接受的范围内，尽可能少的降低图像的最大亮度。
其次，Gamma 校正可能会导致在Gray Ramp Pattern (水平方向从黑到白线性渐增的图像)上出现彩色的竖带或其它杂色。产生该现象的原因是，在某一输入电平附近，输出R、G、B 的值偏离太大，或其中有的曲线的斜率太大，使得输出的RGB 经过Dither 降比特后，相邻点的R、G、B 值有突变，不连续，从而在Ramp 图像上产生杂色。对于该问题，在调整Gamma 校正时，要注意使R/G/B 变换曲线尽可能地平滑，不要在局部有突变。最后务必要用Gray Ramp Pattern 来检查，确保在整个图像上看不到竖带和杂色。
最后，Gamma 校正还可能会导致图像上某些色彩的饱和。在R/G/B 变换曲线中，如果某一段（通常是在高端）的曲线过于平坦，使得线性变化的一段输入值，经过转换后，都变成一个相同的输出值，在图像上就会出现饱和的现象。所以在调整的过程中，要避免在R/G/B 变换曲线上出现太平坦的部分，以防止出现图像上局部色彩饱和的现象。
总之，在调整R/G/B 变换曲线时，既要使得变换后的亮度响应和色温满足设定要求，又要注意防止对图像产生负面作用。在变换曲线的高端部分，要注意尽量少降低图像的峰值亮度。在整个输入范围内，要尽可能地使曲线变化平滑，连续，不要有变化太陡峭或太平缓的部分。只有这样，经过Gamma 校正后的液晶电视才能获得较好的图像画质。
文章来源：display技术
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