螢幕色彩描述檔 深入探討

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1. 校正軟體中描述檔的種類
2. 色彩描述檔的差異
   1. LUT查找表類
   2. matrix矩陣類
   3. 校正曲線Curves
      1. curveType
      2. parametricCurveType
   4. 顯示卡校正曲線VCGT
3. 如何判斷描述檔種類
4. 結論

校正軟體中描述檔的種類

使用螢幕校正軟體，執行軟體校正後會產生色彩描述檔ICC Profile檔案。這些檔案表面上看起來相同，但深究其組成內容，實際卻大相徑庭 。下面兩張截圖，有用過X-rite i1Profiler與DisplayCAL軟體製作螢幕校正的朋友應該不陌生。

既然描述檔有不同的種類，那一定會對應不同的功能或使用方式，我們繼續看下去。

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色彩描述檔的差異

根據色彩描述檔內部組成份，擁有不同的校正單元，我們可以大致區分成兩大類，分別是基於LUT 查找表，與基於Matrix矩陣（又細分為Curve校正曲線與Gamma參數型）。下面是基礎的特性表格給大家參考。

描述檔種類	檔案大小	校正精度	支援度	附註
XYZ LUT 查找表	大	高	低	Windows無法安裝為顯示器用
L*a*b* LUT 查找表	大	高	中低
matrix 矩陣 + Curve 校正曲線	小	中~低	高	OSX系統只支援single curve格式
matrix 矩陣 + Gamma 伽馬函式	最小	低	高

「校正精度」指的是理論上校正能處理的色差大小，「支援度」則指應用軟體、作業系統，實際能使用支援的狀況，例如Adobe Photoshop、illustrator、Lightroom，Capture One等專業軟體，都能支援上述各種類型的描述檔沒問題，但使用蘋果色彩管理模組Apple CMM (Color Management Model)作業系統內建的看圖程式等，則只支援Single Curve、Gamma這些形式。Windows就更特別，首先只有少數微軟原生程式如相片瀏覽器，與少數第三方程式使用Microsoft Windows color System WCS的CMM，才有色彩管理的能力。這部分後面會繼續討論。

上表沒有討論到的是LUT形式雖然更準確精度更高，但多數狀況下可能平滑度（色彩過度、漸層表現）會比curve、gamma形式來的差，不過這點視軟體Profiling方式、程式演算法設計、螢幕品質等等因素而有所影響。

上表中幾點需要留意，第一是蘋果電腦作業系統OSX上有著全系統通用的基本款色彩管理能力，所有正確編寫的應用程式都能使用Apple CMM提供的色彩管理，這一點Windows系統是完全比不上的。因此上表附註中的「支援度」比較，僅是各自作業系統的相對，而非跨平台的討論。
另外無論是curve或gamma類型，都能製作RGB三通道各自擁有不同 或 相同校正參數的格式。如附註所標示，OSX作業系統就不支援多曲線curves的格式。又標準設定下，通常沒有校正軟體會生成R、G、B通道攜帶不同Gamma的Profile，雖然理論上可以但意義不大，本篇後續不另做各種使用或相容性測試。

了解不同軟體、不同設定下可能會產生不同格式的ICC Profile後，更詳細一點說明這些格式是在做什麼用的。

實際上ICC Profile有點像瑞士刀，有不同的工具，各自負責不同的功能；有時結構簡單，有時很複雜。以下我們拆解出每一種不同的組成，依序介紹它們扮演的腳色。

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第一類：LUT查找表

第一種類型叫做Looking Up Table，LUT查找表。查找表本身是數學、科學上，時常拿來進行數值轉換的一種資料結構。

當我們要做不同色彩空間之間的色彩數值R、G、B轉換時，理論上可以透過數學算式來計算。但計算耗費計算機電腦的能源，也需要時間，計算結果也容易隨不同的設定條件而有所變動（例如計算精度差異）。

假若我們有一筆數值資料要從資料Ａ集合轉換至Ｂ集合上，一筆一筆照A to B的公式算雖然可行，但既然已經確定來源與目的地，而且這兩者是固定的關係的話，那就可以透過預先計算得出數據，然後列表將輸入/輸出每一筆數值規律記錄下。爾後只要查詢輸入A數值的索引號，就能快速得到應該要輸出的B數值，這就是找查表的基本概念。

螢幕上顯示一個靜止的數位影像，本身就擁有上百上千萬的像素。當圖片要顯示在螢幕上，每一個像素的色彩數值就需要做上千萬次的轉換。這種重複性很高的工作，交給查找表LUT處理自然是適合的。

如果再向下深究，實際上LUT形式的螢幕校正ICC Profile又會依照版本不同而有所差異。所謂基於LUT 查找表的描述檔，本身並非只使用LUT作為校正單元，為了調整、線性化資料，依然可能使用矩陣matrix與曲線curve等校正單元。

ICC Profile 第2版為例，整體具有(matrix) ⇒ (1d input tables) ⇒ (multi-dimensional lookup table, CLUT) ⇒ (1d output tables)的結構，第4版本則為為 (“B” curves) ⇒ (matrix)⇒ (“M” curves) ⇒(multi-dimensional lookup table, CLUT)⇒ (“A” curves)組成。

實際上，各個組成單元matirx、curve、LUT單元，並不一定要存在（或數值為零/線性），但這部分不是本篇的目的，就不繼續深究。

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第二類：matrix矩陣

除了使用LUT查找表以外，另一大類就是基於矩陣matrix的描述檔。

矩陣的作用，在於處理不同色域間的線性映射；透過3×3矩陣單元，能夠將螢幕R、G、B三基色建構成的色域，連結色彩管理系統中Profile connection space, PCS的CIE XYZ做轉換。

相對於找查表LUT，matrix矩陣可以說是更基礎的形式，基本上所有支援色彩管理系統、軟體都支援矩陣類的描述檔。

但如前面所述矩陣只能做單純的整體色域映射線性縮放，無法更進一步做非線性的校正階調與色彩偏差，此時就需要搭配接下來介紹的curve曲線處理。

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校正曲線Curves

「曲線」結構在色彩描述檔內，可能代表多種不同的單元，但這邊特別指「Tone Response Curve，TRC」這個項目。TRC又可分兩種，一種是curveType，一種是parametricCurveType。

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curveType

第一種curveType，真實紀錄了顯示器對於輸入/輸出的階調反映變化數據集合，本身就是對於顯示器階調呈現的離散曲線的一維找查表；TRC資料建立的目的，不是要直接校正輸出色彩數值，而是先記錄下螢幕階調變化，實際使用時再透夠過反向補償，達到正向的校正顯示效果。

下圖就是一個具備matrix矩陣/TRC曲線的描述檔基本結構，常用在螢幕校正描述檔中。
左側是電腦中色管系統計算使用的PCS空間（關於PCS的資料可以參考本站文章），數據先經過矩陣處理，將XYZ色彩空間做線性變換到螢幕RGB色彩空間上，接著帶入TRC的反函數TRC^-1做補償，最後輸出給螢幕端，完成一個系統到螢幕的色彩輸出。

實際上curveType資料，可以是如上圖R、G、B各自擁有不同的Curve資料，或是擁有相同Curve資料的方式。蘋果電腦OSX的Apple CMM只支援一條curve的Profile類型，如果製作成三條，會導致校正後顯示不正常通常比較明顯的狀況是是中性灰色偏。實際上描述檔裡，這些資料標示為rTRC、gTRC、bTRC。

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parametricCurveType

第二種則是parametricCurveType參數型，直接標記特定的參數例如常見的Power function冪函數，gamma 2.2。參數型的描述檔，之所以能成立的原因，在於多數顯示器基本上廠商製作時就是以特定冪函數作為設定值，最常見的數值有1.8、2.2、2.4。在理想狀況下，如果顯示器階調特性偏離這些數值不多，那的確色彩描述檔只需要記下這個特性的一個數值，即能作為代表。實際上parametricCurveType參數型除了冪函數外，還有定義例如sRGB等特定的函數。理論上公式也是能夠擴充的。

但顯而易見的是，如果顯示器偏離預定的階調方程式，偏離越多，校正的效果就越差，色差越大。因此這一類的色彩描述檔，是較上一個curveType更基礎的類型，好處是能夠更進一步縮小描述檔檔案體積。

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Video Card Gamma Table

理論上除了上述LUT、TRC等校正單元外，還有一個也是螢幕校正軟體可以使用，拿來直接對顯示卡輸出訊號做校正的單元，叫做顯示卡伽瑪表Video Card Gamma Table，VCGT。它與TRC有點類似，也是一個一維的找查表LUT，通常紀錄RGB三通道的校正曲線。

與TRC相同，這個一維的LUT（也稱為顯示卡校正曲線）只能處理RGB灰階平衡與改變階調變化，無法做色域大小的映射/縮放。

不過VCGT還是和TRC有兩大不同之處；首先，它不像TRC，全名Tone Response Curve階調反映曲線，理論上比較像是「被動」的儲存/標示顯示器的階調變化。VCGT直接作用在輸出端，直接改變輸出訊號，直接R、G、B數值做更改。

第二，是它實際被應用的地方，不是在軟體中的色彩管理模組CMM上；當描述檔內部有VCGT資料時，它會透過程序載入到顯示卡GPU的一個特殊區域。據悉一般來說能儲存RGB各通道16~10bit精度的LUT資料表。（不過常見的顯示輸出通常只有8bit精度）

因此這個VCGT可以說是一個很特別的存在，首先它位於主機系統上的顯示鍊結最末端，它又是最能直接影響輸出訊號的變化（往後就是透過HDMI、DisplayPort等線材，連接顯示器了）。有一些校正軟體並不會利用VCGT來做螢幕校正，可能保持線性資料。

這個VCGT資料集如果存在，會被以標籤"vcgt"儲存在描述檔內。

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如何判斷描述檔種類

有了以上的種類概念，那要怎麼判斷既有的描述檔，是哪一個種類的呢？

最簡單的方式，是可以先由檔案大小來判斷；多數10kb以下的ICC Profile，都是matrix矩陣 + parametricCurveType曲線參數的類別。1MB以上的，多半是LUT、LUT+matrix混合形式的描述檔。介於10~1MB中間，就比較難說，有些檔案雖然形式相同，但儲存資料的取樣數目差異很大。

真正要判別種類的方式，Windows系統可以下載ICC Profile Inspector這個程式，在ICC官網上就有提供下載：https://www.color.org/profileinspector.xalter

程式使用很簡單，點開左上角「Browse…」後選擇你要檢視的ICC Profile檔案，軟體就會讀取資訊呈現如上圖。左側是一些描述檔基本資料，大小、種類、製作日期等等，右側就是比較詳細的各個內存資訊。Signature顯示的是特定的資料標籤，每一種標籤在描述檔中都有特殊的定義與作用，Offset則是資料結構中的位置，Size則是該筆資料大小。

回到Signature這個欄位。

• 如果是LUT形式的顯示器描述檔，你會看到有「B2A0」這個項目，表示一筆由PCS到設備（顯示器）的轉換資料。
• 如果是matrix形式的描述檔，你會看到「rXYZ」「gXYZ」「bXYZ」這三筆資料，分別儲存XYZ到RGB轉換矩陣的第一、第二與第三列。
• 如果是TRC curve資料，則你會看到「rTRC」「gTRC」「bTRC」三筆資料，儲存測量到的階調曲線資料，或是單純紀錄曲線參數類型。

如果想檢視各項資料，只要滑鼠連點兩下該資料項目，就會另外跳出詳細的內容（如同本篇文章之前的貼圖）。

而如上圖所示，這一個描述檔同時擁有「B2A0」、「rXYZ」、「gXYZ」、「bXYZ」、「rTRC」、「gTRC」、「bTRC」這些數據，表示它既是LUT也是matrix形式的顯示器描述檔。不只DisplayCAL軟體可以製作出這類混合的描述檔，具查某些顯示器廠牌的校正程式，選擇LUT形式的設定下，實際上也製作出包含矩陣的檔案，猜想可能是為了提高應用程式的相容性。

但實際上色彩管理系統運作時，只會在LUT或matrix/curve擇一使用。至於會選用哪一部分來處理色彩轉換很難說，如果想確認可以參考本網站之前分享的文章「判斷程式是否支援LUT ICC Profile」，透過特殊交換RGB的matrix構造，來確認CMM實際使用LUT或是matrix執行色彩管理。

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結論

本篇討論顯示器色彩描述檔的種類，初略的介紹各種描述檔校正單元如LUT查找表、矩陣matrix、曲線curves與VCGT顯示卡校正曲線的作用與結構，目的是先建立起對於描述檔的構造差異的基本知識背景。

接下來一篇專文，會實際測試不同的螢幕校正軟體，在不同的設定條件之下，究竟會生成怎樣種類、結構的色彩描述檔，而這些不同的差異，又如何反應在軟體顯示影像上。

如同本文一開頭所示，iMac、MacBook的用戶會發現，用X-Rite的i1 Pro2、i1 Display Pro等器材配合原廠i1Profiler軟體進行螢幕校正後，作業系統的資料夾Finder預覽、圖片瀏覽器等程式內的圖片檔顯示的效果，竟然會和Photoshop略有差異。細心比較，影像的差異來自於暗部階調不同；以蘋果系統內建程式觀看，會發生暗部少了幾個階掉的現象。

造成這個問題的原因，是因為當i1 Profiler製作出matrix+parametricCurve形式的描述檔時，Apple CMM會受到顯示器與描述檔黑位不相等/絕對黑位的問題干擾，造成極暗部crush喪失階調。但只要稍加修正，正確選擇軟體內製作時的gamma參數，就能讓i1 Profiler製作出matrix+curve，實際帶一維曲線資料的描述檔。說也奇怪，這個curve似乎依然可以保持從0點開始紀錄的絕對黑位特性，但Apple CMM的解讀行為卻有所不同，不會讓暗部喪失階調。

更詳細、明確的測試與紀錄，將會在下一篇文章中跟大家分享，感謝耐心閱讀至此。