使用同面板就有同樣的影像品質嗎?以EIZO CG318/319X與HP Dreamcolor Z31x為例

瀏覽網路上關於螢幕選購的討論,時常會有類似討論,開頭的重點是:「某A與B廠牌使用了相同型號的顯示器面板」接著做各種螢幕性能與價格的比較。或者換個角度看,不同產品使用相同型號面板,在整體規格上也許差異沒有那麼大,為何價錢差那麼多 ?

雖然答案很明顯,使用同樣面板不能保證不同的螢幕具有相同的顯示品質,但本文將透過分析、研究一台螢幕製作過程中,廠商對於顯示器面板可能會進行的測試或是調整,又最終產品有什麼差異,提供一個的討論的角度。


討論區上的話題

最近看到知名第三方校正軟體DisplayCAL的討論區上,有人提出以下的詢問:

「有沒有人有校正HP Dreamcolor Z31x Studio的經驗?這台螢幕使用了Panasonic 對比度1500:1的面板(看起來跟EIZO CG318/319 相同),它看起來會是影像後期工作者的一個不錯的選擇。但我搜尋到有人在校正與LUT上有一些奇怪的問題,似乎唯一的辦法是使用外部校正...聽到一些關於校正過程和結果的有趣經驗。它和EIZO的產品相比如何呢?」

很明顯這個網友考慮以HP Dreamcolor Z31x Studio(售價約$2,500)替代EIZO ColorEdge CG319X(售價約$5,800),比價之下前者似乎是非常划算的選擇。這樣的類比也是很多網友購買螢幕時,經常會做的功課與討論。

那讓我們來看看這種想法合不合理。下面提供的意見,除了整理該篇文章回覆留言,也是DisplayCAL討論區常客Vincent的意見外,也包含我自己的看法。

本次討論螢幕面板

首先我們先看一下規格,這篇討論是由Panasonic製作型號為VVX31P141H00這塊31吋含背光的IPS Pro面板。

這塊面板解析度為 4096×2160,像素密度為149 PPI,原生亮度為350cd/m²原生對比度為1:1500。(後面兩項很重要,請先記住)。CIE 1931 xy座標下sRGB/Rec.709覆蓋為100%,AdobeRGB 100%,DCI-P3 98%,Rec.2020 81%,各項規格看來,的確非常適合用做影視後期顯示器,尤其是解析度支援電影院的DCI標準4K尺寸,這是目前多數面板/顯示器沒有的規格。

究竟同一塊面板,銷售給EIZO推出CG 318/319X與銷售給HP推出Dreamcolor Z31x,可能有哪些差異呢?

關於這塊面板的詳細規格可以參考Panelook.com
https://www.panelook.com/VVX31P153H00_Panasonic_31.0_LCM_parameter_51824.html

原生面板規格 與 螢幕性能

同樣型號的面板,標示的規格(亮度、色域、對比度)應該是相同的,但實際上會有同產品間的差異。

以目前最常見的LCD液晶面板為例,組成的元件除了有常聽到液晶面板、背光模組外,實際還包括擴散板、偏光板、玻璃基板、彩色濾光片等多層光學材料層。每種材料的光學特性本身都有一定的公差,因此當它們組裝在一起成為最終液晶面板時,即使每個組件單元都在嚴格品質控制下製作,也無可避免地在不同的液晶面板模組內存在光學性能差異。

目前常見的LCD顯示器,內部包含許多層不同用途的光學結構
https://www.eizo.com/prodeizo/media/contentassets/2018/09/07/WP18-001.pdf

螢幕製造商購入面板模組,將其製作成最終螢幕產品的過程中,不可避免的須要進行許多影像的調整,部分正是為了彌補、修正這其中的差異,實際上也可能改變該面板的性能規格。

例如廠商可能會逐一地校正White Point Color temperature白點色溫,可能會設計 uniformity compensation均勻性補償 功能,一般螢幕內建的各種色域的emulation color mode仿真模式,都可能會改變最初廠商標示的面板規格。

因此,即便使用相同的面板,廠商也可能做出不同影像品質的顯示器。接下來做更詳細討論。

經常被忽視的問題:uniformity compensation均勻性補償功能開啟後,螢幕對比度無可避面會降低;最高亮度可能下降,最低的黑位可能提升。

相關討論可以參考BenQ官方網站資訊

出廠前硬體校正

因為各種材料與組裝工差的關係,無可避免在同型號不同機子間產生差異;部分顯示性能上的差異,是可以透過軟、硬體來更改/校準。可以想像,出廠前越精準的預先校準,可以提供使用者更好的效果、更少的精力和更低的色彩管理成 本。以下就幾個重點分析。

Chromaticity色度/White point白點

即便是同一型號面板,依然會有不同的面板原生白點差異,螢幕的製造商購入後還需要逐一檢測,統一校正至特定目標再進行其他色彩相關的校正調整。

左圖是來自EIZO 「Advanced Image Quality Stabilization: ColorEdge」這份白皮書,顯示同樣型號的LCD面板模組間,具有一定程度的色度差異。

而這種色度的差異連結到影像上的改變,例如螢幕的White point白點,是否符合特定色彩模式的規範,例如D65標準白或是6500K色溫。一般大家討論到的色溫,指的是Correlated color temperature,CCT相關色溫K,實際上還需要留意白點與日光軌跡daylight locus的偏差距離有多少;一般認為白點需要盡可能校正至該軌跡上,才能提供視覺上比較良好"乾淨、中性的白色",否則可能會偏洋紅/黃綠調。我們期待的是坐落在日光軌跡上的特定相關色溫的白點,以D65標準白來說,他在CIE1931 xy座標上的位置是xy(0.3127、0.3290);位在CCT 6500K與日光軌跡的交點上。

筆者實際校正的經驗中,只有少數螢幕在出廠開箱後,色溫能符合內建色彩空間模式對應的白點色溫,如果加以考慮日光軌跡的距離,那勢必能符合標準的螢幕更少。

當然,或多或少其中不準確的原因來自於儀器與測量的誤差,實際上白點在一定誤差內,並不會影響日常色彩評價、調整工作。但如果工作環境中包含多個顯示器,每台都具有不太一樣的白點標準,那使用起來肯定是會造成觀看的不一致性、色彩判斷的困擾。

多數螢幕出廠預設色溫偏高,以7000K左右為大宗,其背後的原因有硬體設計上的因素,也有營銷的考量。

一般討論的色溫多少K,所說的是「相關色溫」,實際上他並不代表特定的一個點/顏色,取而代之的是能在色度圖上繪製出一整條線,滿足某個計算條件的各種色光。越接近上圖中曲線(日光軌跡)的色彩,被認為是視覺上越接近中性/白色的。
https://en.wikipedia.org/wiki/Color_temperature#Correlated_color_temperature
Uniformity均勻度

無論是怎樣面板,同型號或不同型號,各種製造過程中造成的光學差異問題,應該就屬「均勻度」這種最讓人困擾的,一般需要花費更多的成本才能有效處理。

螢幕顯示影像是2D平面結構(曲面螢幕也是基於此後進行彎折),我們都希望這個2D平面無論位於何處,顯示都具有一致性,也就是色差要小。不過討論均勻度時,單純看整體色彩誤差deltaE那是意義不大的,必須加以確認「亮度差deltaL」與「色度差deltaC」

廉價的機種,如果背光設計不良,導光不均勻,很有可能會使得邊緣與中央的亮度不同。而另一種亮度不均勻,則可能來自設計不良、品質不好的直下式背光。而背光導致的不均勻,有時候也會連帶造成色度不均勻。

便宜的LCD螢幕通常背光模組使用Edge-lit邊緣照明的方式,
如果設計不佳將導致螢幕上下緣會有明顯的亮度不均勻/照明燈珠顯而易見的問題。
https://www.engadget.com/2011-05-18-3m-uniformity-tape-improves-lighting-quality-on-led-edge-lit-lcd.html

而色度上的不均勻,有時候會比亮度更棘手,因為當螢幕用作影像編輯、評價使用時,人眼或多或少能夠去「判斷」亮度差造成的不均勻,但卻無法同時做到不同色度的Chromatic adaptation色度適應例如常見到的面板左右顏色不同,俗稱陰陽臉)。

DisplayCAL軟體的面板均勻度測試,提供包含deltaC的報告,可以檢查亮度L與色度C的均勻度

通常面板均勻度,消費者是沒辦法透過常規的色彩校正去處理的;一般的ICC Profile製作僅是測量螢幕中心單點的影像,而不均勻則是發生在螢幕不同位置。

少部分提供硬體校正的中高階螢幕,原廠軟體擁有後期校正「面板均勻度」的功能;透過測量不同區域的亮度,有些還包含色度,能夠最大程度的調整陰陽臉的問題。另外部分產品在出廠時已經預先處理均勻度問題,提供開啟/關閉的選項;好處是不用另外自行校正,壞處是如果日後偏移與之前狀況不相同,則沒辦法獨立調整。

因此一台螢幕均勻度要好,要馬是直接採購優質的面板,不然就是螢幕製造商需要精心的調整校正。那既然能夠靠後期調整做到均勻,為何還需要優質的面板呢?

均勻度補償的副作用

雖然說不均勻的面板,可以靠後期校正來處理,但這其中肯定會有些得失,先讓我們看看均勻度校正是如何進行的。

首先螢幕製作廠商取得面板後,需要先進行測量;根據一定等分的切割來區分不同區域,測量彼此間的亮度與色度差異。假設有一個區塊過亮,則需要透過專用的計算晶片來對該區域影像變暗,過暗的部分反之。更完整的均勻度補償除了亮度還能做到色度均勻,同理,分區測量不同區彼此間的色差,分別對其做R、G、B的修正。

實際施行與演算一定是更複雜的,要考慮不同區域間校正的融合效果,實際校正也非單純測量最亮最暗,中間調也需要一併作調整,而整個校正架構會受到測量與計算的精度影響結果。

EIZO提供的色彩管理架構,其中紅色的「Color compensation」色彩補償區塊,就包含色度與亮度的補償單元。

理解補償的原理後,應該就能明白到均勻度補償的副作用,就是實際上會降低螢幕最大的亮度/性能;因為校正只可能取不同區域中最低的數值作為最高的標準(想像該區域面板已經不可能再更亮)。當最大亮度因為補償後下降,螢幕的對比度(最高除以最暗的比值)就與原生的規格不同,對比度將下降,校正的幅度越大,下降就越多。

螢幕實際的對比,廠商通常會在螢幕規格上註明是「關閉均勻度校正」的數值,而「開啟均勻度校正」後會掉多少,則不見得會標註。運氣不錯的是,今天討論的這兩台機子廠商在說明書或官方文件中找到。

EIZO CG319X 對比度

CG319X標準對比度為1500:1,廠商說明是在「brightness mode」(沒有均勻度校正)的數值,而在另一份官方的研究文件中表示,開啟「uniformity mode」下,對比度實際測量為1408:1。

這是從EIZO APAC公布的CG 319X Evaluation for Media & Entertainment Production報告書
https://www.eizo-apac.com/static/uploads/files/eizo-edited-cg319x-report-wfyzhhytmvqu.pdf

另外比對網路上論壇使用者實際測試,也能驗證相似的對比度數值。

測量亮度設定為100cd/m2時,黑位亮度測量到0.0741cd/m2,換算對比度為1361:1,與官方測試文件1408:1相去不遠。
HP Dreamcolor Z31x 對比度

根據HP官方規格書,HP Z31X的標準對比度(沒有均勻度校正)是1500:1,開啟uniform功能後,最高亮度會從350cd/m2下降到250cd/m2,對比度則會下降至1200:1。

HP applied uniformity compensation to each Z31x display, which brings the typical uniform peak luminance down to 250 cd/m² from a 350 cd/m² native peak brightness. Display supports luminance calibration up to 250 cd/m², reserving any luminance headroom for panel aging compensation.

惠普對每台 Z31x 顯示器應用了均勻度補償,使典型的均勻峰值亮度從 350 cd/m² 的原始峰值亮度降至 250 cd/m²。 顯示器支持高達 250 cd/m² 的亮度校準,為面板老化補償保留任何亮度餘量
https://www8.hp.com/h20195/v2/getpdf.aspx/c05478540.pdf

相同面板,不同螢幕,不同的顯示性能

由上面均勻度補償的例子可以看出,相同的面板,不同的產品,可能會有不同的顯示效果/性能。

這其中的差異有可能直接來自於廠商採購面板的條件不同,例如像是EIZO也許願意支付更多的費用給Panasonic,獲得原生均勻度更好的面板,HP可能放寬採購時要求的色差標準,來獲得更好的成本價格。

當面板原生均勻度較差時,需要透過更大幅度的補償處理,犧牲的就是最終的顯示對比度性能。

EIZO CG319X螢幕,在5X5均勻度測試中,無論亮度或色度上都能做到非常小的亮度差與色度差,非常完美的。
https://www.eizo-apac.com/static/uploads/files/eizo-edited-cg319x-report-wfyzhhytmvqu.pdf
Grey scale reproduction灰階重現

最後再提到螢幕另外一項重要的顯示特性,一般是不會被標示在顯示器性能與測試報告中,就是「灰階色度偏移」的測量報告。理想的灰階影像應要具備兩個特性,第一,色度要盡可能與螢幕白相近,第二,灰階前後階調的色度差不能太大。

這邊先提到一份標準文件,EBU Tech 3320 V4.1 (第一版2007,修改最新2019)「User requirements for video monitor in television production」 電視節目製作使用之影片監視器的使用需求
 這份文件內容完整的提供該如何測量、紀錄與評價一台廣播剪輯室使用的監視器灰階重現。其中關於灰階重現的相關規範指出,對於不同級別的標準監視器,灰階變化過程中,與白點的色度差值應符合以下規定:

  • Grade 1 : 1 cd/m2 to 100 cd/m2,Δu*v*不超過0.5
  • Grade 2 : 1 cd/m2 to 100 cd/m2,Δu*v*不超過1
  • Grade 2 : 1 cd/m2 to 100 cd/m2,Δu*v*不超過1.5

整體色度

灰階部分的測量可以透過DisplayCAL的Verification驗證功能,生成Measurement Report頁面,在可選清單中設定為「RGB+Gray balance」檢視色度差deltaC的數據。

灰階的色度偏移之所以重要,在於人眼相對於有色彩的影像,對於中性色的辨色力是更強的,意味著只要灰階中有部分色階稍微偏移,也能被輕易辨識出來。視覺上,如果偏移的色度太大,在中性漸層的影像中,將會以斷階/色階的形式呈現出來。

此張漸層影像中,可以很明顯察覺有斷階(亮度變化不平均)與色帶(色度變化太大)的問題

上面所述的中性灰漸層問題,在螢幕製造的時候要如何處理呢?
理想中,面板出廠原生的階調,應該要能維持與其原生白點色度偏差不大的狀況,因為那是面板材質的天生光學特性,但在製作螢幕的過程中,廠商為了校正、調整白點的色度與階調的曲線以及限縮色域,會透過晶片處理訊號來達成。

如果晶片處理不好,計算精度不夠,就有可能造成上述斷階、色帶的情況。而實際上不只中性灰階會有階調不順的狀況,各種色彩漸層也有可能發生,因為本質上都是R、G、B通道依照某種比例混合、漸變出來的影像,只是灰階上最容易被察覺到問題。

部分廠商的高階顯示器,透過更高精度、更高位元數的3DLUT,增加內部轉換的數值精度,最後雖然使用是同一塊面板,但能夠因此減少階調不順的問題,換個說法,也就是顯示色彩會更精準、色差更小。

小結

本篇討論其實大家一開始就知道「使用同面板也不見得有相同的影像品質」,以EIZO CG318/319X與HP Dreamcolor Z31x為例,實際測量就知道前者的影像效果是更優異的,而且很有可能在前端面板採購時,就已經有品質上的差異,後端不同廠商的調教與整機的設計,包含運算晶片等等,也都是完全不同的狀況,自然最終的成品也會是不同的東西。

透過不同小項目的梳理與分析,應該可以更清楚面板雖然是顯示器最重要的元件,但它的規格、性能並不能保證與最終顯示器成品相同。針對不同的螢幕,我們應該注意哪些標示出來重要的規格,又應該小心哪些「沒有標註的」部分,很多時候那正是造成相似產品價差的來源。

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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