如何讓你的老EIZO CG升級HDR螢幕

利用DisplayCAL製作3DLUT來進行EIZO硬體校正寫入

論壇上看到有趣的內容

這幾天看到DisplayCAL論壇上一篇討論,有人詢問是否能製作EIZO螢幕的硬體校正
「Can DisplayCAL import LUT into NEC or Eizo monitors?」
https://hub.displaycal.net/forums/topic/can-displaycal-import-lut-into-nec-or-eizo-monitors/

過去這個問題我會馬上回答:不行,除了官方ColorNavigator以外,只有少入商業軟體如Light illusion的ColourSpace或是Portrait Displays的CalMAN才具有寫入EIZO CG/CS螢幕裡面儲存1D/3DLUT的區域。

不過這篇討論中一位論壇常客Vincent的回文,卻開啟了這篇測試文章的興致,他提到網路上某人(沒有引用來源)了一個技巧,可以將3D LUT寫入螢幕,以下步驟是論壇原文加上我實際測試的建議:

  1. 先將螢幕設定為原生色域native gamut獲得顯示器的最大色彩性能
  2. 使用ColorNavigator預先校正到需要的白點與亮度(實際上是寫入機身內1D LUT),Gamma可任意選,建議選擇2.2或是與後續目標色彩標準接近的數值。
  3. 使用DisplayCAL為螢幕Profiling計算得到螢幕顯示特性資料。
  4. 使用DisplayCAL製作17X17X17精度的3D LUT;根據需求選擇目標色域、Gamma等參數
  5. 使用ColorNavigator 上傳3D LUT(.3dl或.cube格式)至螢幕內
  6. 驗證結果

原文中表示這個作法提供者只有說明「正常工作」的描述,沒有進一步實際測量驗證的數值。

因此我就使用EIZO ColorEdge CG247才進行測試,目的是嘗試將螢幕校正為EOTF符合PQ曲線的HDR螢幕,不過過程中考慮Rec.2021規範離CG247有點太遠怕不好驗證,有先嘗試處理mapping到Rec.709的測試。以下提供一些我測試過程中的經驗,不見得100%正確但驗證效果沒有太大問題。

順道一提,其實大標題副標原本是相反的,不過HDR螢幕顯然更有吸引力,想了一想應該無傷大雅就換過來,看看這個流量密碼有沒有效。實際上這是一篇如何用DisplayCAL對CG系列螢幕做硬體校正的技術討論文。


補充:測試的困難之處

Rec.2100 標準使用的三基色非常接近CIE 1931邊緣,色域覆蓋面積很大(請參考下圖淺灰色虛線的三角型),而實際上EIZO ColorEdge CG247作為一款2014年發售,採用GB-r LED背光的平面印刷業顯示器,能做到的是99%的AdobeRGB色域覆蓋,如果是Rec.2020則大約只能覆蓋8X%的面積。

因為希望作為標準監視器並測量色彩偏移,所以首先要製作能正確映射/剪裁Rec.2020色域至螢幕的原生色域上的3D-LUT。

在來是傳統SDR影像使用的Gamma/EOTF是相對值,編碼對應的亮度是隨著顯示器最大亮度變動的,但HDR PQ曲線則是絕對值,不同的數值,對應不同的亮度,勢必對於顯示器處理訊號、控制顯示影像的精準度會有很大的挑戰

因為我手邊這台EIZO CG247最大亮度實測只有300nits,因此這次的目標就是校正為一台具有Hard Cilp硬剪裁、色彩準確的HDR標準監視器。(就如同EIZO網站上提供的下圖,左側正好是峰值300nits的顯示效果)

https://www.eizoglobal.com/library/management/ins-and-outs-of-hdr/index3.html

實際製作顯示器3D LUT

  1. 先以DisplayCAL對目標螢幕Profiling,取得數值後使用3D LUT工具設定來源色彩空間參數
  2. HDR的測試我使用Hard Cilp硬剪裁的方式,事後做驗證有效性會更容易;因為螢幕最大亮度約300cd/m2所以就設定至300。
  3. 其他可能會需要更改的例如Rendering intent渲染意圖,這部分Absolute colorimetric會比較適合我實驗的目的,實際上預設的Perceptural appearance"效果"就很好了。
  4. Input/Output endcoding沒有意外都選擇Full range,除非你已經確定Profiling時的顯示設定與套用3D LUT後使用時不相同匹配,那也許可以由這邊直接做調整~但狀況會變複雜不太建議。
  5. 3D LUT Resolution這邊原文跟我搜尋網路資料,應該設定為17X17X17規格沒錯。
  6. 最後的一項bitdepth位元深度是格式使用.3dl時需要設定的,應該是浮點換算整數值的取樣設定,預設是12bits to 10bits,我自己測試過不同高低組合不不太出來對影像的影響。如果改用.cube格式這邊就不用設定,EIZO ColorNavigator也是可以接受這種格式的。

將3D LUT載入ColorNavigator中

用DisplayCAL製作Profile跟3D LUT輸出後,開啟EIZO ColorNavigator,選擇剛剛預先調整為Native Gamut和最大亮度的色彩模式,下方「Advanced functions」裡面有一個「LogViewLUT」,點擊後選取剛剛輸出的3D LUT檔案等待軟體把資料寫入螢幕中,過程中可以觀察一下顯示器畫面,影像會隨著計算而逐漸變化滿有趣的。

事實上,這個功能是ColorNavigator設計用來模擬其他顯示裝置之用,同時也可以讀取ICC Profile來,能夠快速的透過硬體運算去模擬不同色域的裝置或切換色彩空間,精度一定不如直接校正,但基本的準度與效果是OK的。

下圖是Native Gamut下直接輸入Rec.709與AdobeRGB的ICC Profile後,以DisplayCAL模擬原生Rec.709裝置驗證的結果。除了白點略有差異外(牽涉到校正亮度不同、儀器不同等因素),實際上單看色準是過關的。肉眼檢視是否對影像有什麼副作用,我的觀察漸層部分的確斷階比較嚴重,不過這邊指的是精度不足的斷階,而非穩定性不佳無法維持中性灰、穩定亮度變化的斷階。

那是不是表示也可以透過標準Rec.2100 ICC Profile來處理模擬HDR螢幕呢?我的實際測試會遇到一些問題目前還沒試出來有實用性的結果,有成功以後再分享。


實際看圖效果

那透過3D LUT匯入EIZO CG247,讓顯示器成為HDR後,實際觀看效果如何?
說到這邊也許有人會發現,已經有3D LUT了,理論上可以透過剪輯軟體置入來同樣達成模擬功效,那何必要寫入螢幕呢?沒錯,讓我們先來看Premiere Pro編輯時的情形。

Premiere Pro雖然支援將時間軸Sequence Setting設定為Rec.2100 HLG或是Rec.2100 PQ,但實際上對於匯入素材的行為依舊是預設為Rec.709標準。

左側是Photoshop開啟的圖片檔,作為參考用,右邊則是Premiere Pro的時間軸Sequence Setting設定Working Color Space為Rec.2100 PQ的HDR模式下的樣子。以下部分畫面會同時提供「螢幕截圖」與「螢幕翻拍」兩種影像,用來說明HDR螢幕實際的效果。


Premiere Pro開啟HDR編輯模式,螢幕不支援HDR

在螢幕與軟體都沒有套用3D LUT狀況下,右側素材明顯洗白退色,因為Premiere Pro將原本sRGB圖片匯入後當成Rec.709的素材,置入Rec.2100 PQ時間軸上。這個畫面實際上拿到真正的HDR監視器上,將會顯示正確的色彩,只是目前被錯誤的以SDR螢幕顯示出

另外也可以觀察底下的Waveform,我開啟專案時設置將SDR的白色對應到203nits,所以的確右側圖片的白色部分差不多就是對應到Waveform的200位置。


Premiere Pro開啟HDR編輯模式,螢幕不支援HDR但素材套用3D LUT模擬HDR影像

Rec.2100 PQ時間軸上的SDR圖片素材,經過套用DisplayCAL製作的3D LUT後,就能夠正確顯示應有的影像外觀(這邊可以發現亮度與左側Photoshop略有差異,這點請參考Premiere Pro色彩管理文章,裡面有討論到Rec.709/sRGB素材在軟體內的對應問題)

看起來沒問題,但請留意下方的Waveform,因為套用3D LUT後是實際改變了影像的色彩,所以當然也會隨之改變,失去了原有確認監視的功能;套用後的Waveform再也不是HDR影像,而是恢復為原始SDR的標準狀態。這點在Premiere Pro目前沒有辦法處理,如果要靠時間軸上置入HDR校正LUT來符合顯示輸出,勢必真實改變編輯內容的像素色彩。

如果是DaVinci Resolve呢?如果你剪輯時使用的是Color Viewer ,也就是軟體內GUI一起渲染的監視畫面,那就與Premiere Pro的Progrem Monitor是相同的狀況,套用LUT勢必影響各種Scope,唯有搭配Decklink卡連接監視器,那使用的是Video Monitor,那套用LUT就與素材無關了 。

關於DaVinci Resolve的色彩管理Pipeline可以參考色管宅之前繪製分享的圖片

Video Monitor,Color Viewer你分得清楚嗎

Premiere Pro開啟HDR編輯模式,螢幕套用3D LUT使之支援HDR

最後但也是最重要的,如果將將3D LUT透過EIZO ColorNavigator匯入螢幕,讓螢幕接受的訊號都顯示為HDR影像呢?

由上圖可以看出來,雖然左邊截圖與SDR螢幕模式下並無不同,Premiere Pro也沒有置入任何LUT,但實際螢幕上呈現的色彩,左側SDR影像整個過曝加上飽和度過高;右側Premiere Pro監視器中則看起來非常正常,下方Wavefrom也顯示正確的影像亮度值。比對前面的狀況,可以相信右邊顯示器正在以HDR標準監視器的狀態,顯示Premiere Pro的剪輯畫面中。

因為EIZO CG本身最大亮度實測約為300cd/m2,在製作3D LUT時採用Hard-clip硬剪裁方式建構PQ曲線,只要影像中亮度高於300cd/m2的部分會直接輸出為白色最大值,但實際影像數值並未被剪裁還有細節,這點就需要透過Waveform等Scope來做判斷。

手機翻拍螢幕。
透過特殊內容的影片確認,的確大約是超過300nits後影像被剪裁,螢幕顯示正確。
手機翻拍螢幕。
肉眼目視彩色部分顯示還算平順,但細看可以發現似乎是精度不足而有階梯化的現象。
手機翻拍螢幕。
灰階中性平衡效果還不錯,沒有明顯亮、暗區域色偏的現象。同樣的右側超過300nits編碼的影像被Clipping。

眼看為不能憑,實測數據

肉眼目視效果還不錯,但肉眼不可靠也無從量化色差的大小,因此還是需要實際用器材來進行測試。

  • 測量儀器 Probe: X-rite DisplayPro with Meter profiling(i1 Studio)
  • 軟體為SpectraCal的Calman Studio,搭配VideoForge Pro作為訊號產生器
HDR的核心:PQ曲線追蹤

因為想要順便觀察3D LUT置入後對於EIZO CG灰平衡有什麼負面影響(請記得測試過程最初用ColorNavigator做了白點與Gamma的校正),所以直接跑了256點的灰階測試。右側EOTF tracking電光轉換函數的追蹤十分良好,測量的白線,幾乎完全貼合目標PQ曲線/黃色線。

左上方則是灰平衡下RGB三通道的偏離狀況,也是沒什麼大問題。而仔細看似乎有著規律的上下起伏曲線,應該就是使用3D LUT,因為取樣計算造成的負面影響。但總而言之不是什麼大問題。圖中顯示的色差值IPT數值很大,目前應該沒有公認的標準沒什麼參考價值,如果改以常用DeltaE 2000指標則大約是平均1.5,最大值2.1的差異(另外有測試圖就不附上來了)。

HDR下的色彩偏移

通常消費級HDR電腦螢幕能做到接近標準的PQ/HLG就實屬難得,色彩的部分因為很多原因,主要是Rec.2020色域覆蓋面積不夠勢必要做Gamut mapping,所以沒有意外,測量起來一定是不準的(不代表不好看或不好,單純字面上的意思「色彩不準確」)

接下來測試EIZO CG247透過3D LUT置入模擬為HDR螢幕後的色彩準度表現。

傳統ColorChecker色靶,在HDR模式下色準測試
特殊HDR色靶測準測試

這個結果以我個人的經驗,在消費級的HDR螢幕應該是做不到的。不過因為這台螢幕只有300nits的最高亮度,因此考驗並非單純顯示器面板的品質,更多的是螢幕內部的轉換系統可靠性、螢幕生成3D LUT前的Profiling與製作LUT計算的精度。這個實驗比較像是在驗證做法的可行性,因為EIZO CG螢幕本身面板的品質與整機的功能性是早被廣泛認同的,不用懷疑。

總而言之,這樣的處理成功讓EIZO CG247硬體校正成為一台能接受標準HDR訊號並顯色正確,最高峰值亮度300nits的HDR監視器。下面提供更多的測試圖。

Rec.2020下Rec.709色彩偏向
Rec.2020色彩偏向

結論

透過DisplayCAL與EIZO ColorNavigator軟體,的確可以讓EIZO CG螢幕寫入硬體校正資訊,可用性也是有的;這次透過比較誇張的測試,讓顯示器成為一台PQ300,峰值亮度300nits的HDR螢幕,實證效果不差。

實驗過程中其實有以3D LUT方式校正至Rec.709等標準SDR色彩空間,實測色差值就更低顏色更加準確(傳統ColorChecker色靶測試,平均DeltaE 2000色差0.69,最大1.66)。

CG247在Native Gamut下,以3D LUT將螢幕模擬為Rec.709標準

而3D LUT的應用並不局限於第三方顯示器對EIZO CG的硬體校正,實際上Premiere Pro、DaVinci Resolve等軟體都能夠透過3D LUT來對顯示器做校正、標準色彩空間或特定裝置色域的模擬,應用非常廣。(至於藝術性質、調色功能的LUT應該大家更熟悉)

如果你手上有HDR顯示器好奇實際的性能與影像準確度,或是想製作HDR影片希望有一台足夠標準的HDR監視器,或是您的SDR顯示器想要模擬HDR效果,歡迎聯絡我來替您的顯示器進行測量與校正、製作3D LUT,來處理您HDR影片製作與觀看上的問題。

由色管宅替您目前工作的螢幕影像作業環境進行色彩管理確認,依據您的需求行業標準提出色彩準確性報告與建議。

由色管宅替您的螢幕進行校正系統色彩管理確認;包含環境燈光、螢幕選購與設定、應用程式設定,作業系統設定等完整的色彩管理顯示鏈結建議

發表者:Miles 林

色彩管理顧問 之前任職影像後期/DIT 剪輯 調光 美國 ISF影像標準協會 認證校正員 通過 經濟部IPAS色彩計畫/色彩工程鑑定 印刷色管顧問 T-Lab 東煦色研所 合作夥伴

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