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揭开显示屏砍灰阶戏法

揭开显示屏砍灰阶戏法

当显示屏画面在一级起灰(GS 1)亮度出现不均问题时,业界常采用的对策是提高起灰时的亮度,即牺牲驱动芯片中最低的T数。以显示16-bit灰阶为例,倘若不以1T/65535T为起灰亮度(亦即最低亮度),舍弃许多低亮的数,比如以 5T/65535T为起灰亮度,这样的方式称为「砍灰阶」。

砍灰阶的缺点是降低LED显示屏的对比度,理想中的16-bit灰阶可带来的对比度为65535:1,但若使用5T/65535T为起灰亮度,则对比度为13107:1。使用聚积LED驱动芯片可以保留较多的低灰段,无须透过砍灰阶优化低灰均匀度,提升LED显示屏的对比度;而聚积LED驱动芯片应用于需调整显示屏帧率的场景,因为保留较多的低灰段,则可保持色彩线性度。

判定方法:
1. 测试图案:全白画面
2. 找出最低灰阶时出现的第一条亮线(不一定是在灰阶1出现)
3. 找到出现两条线的灰阶级数
4. 以判定使用哪一种minima mode*来推论:xT的minima mode+ nT (x可为4、8、16;n 5. 若最低灰阶时出现的第一条线亮度(A) ≦ 出现两条线的灰阶,其第二条线的亮度(B**)


推论
没有砍灰阶 (A  B)
 


实作方式:
1.  使用手机,但必须可调快门至1/2000秒。
2.  显示屏展示全白画面,使用控制器调灰阶,自灰阶1逐序拍摄至画面出现下方样式,须有一条亮线,此即为第一个scramble。如果没有出现水平线,请转换手机拍摄方向(转90度)。

3. 持续提高灰阶至拍摄至同时出现第2条亮线。


4. 此时依灰阶数评估该显示屏是使用哪一个minima mode(4T/8T/16T),图中一个scramble 出现在灰阶2,第二个scramble 出现在灰阶12。
 

推论:
使用16T minima mode,灰阶12的意涵为16T+nT1n16
 

5. 比较两张拍摄到亮线的照片。

        

实作结论:

灰阶2时所出现的第一条亮线亮度≦灰阶12时出现的第二条亮线亮度,该显示屏的灰阶没有被砍。

*Minima mode是指整合clock的功能,4T表示1T-4T共享一个scramble,第5T时才会出现下一个scramble。此功能主要也是解决低灰不均问题,代价为低灰刷新率降低 (在低灰段的显示,理想值是1T对应1个scramble)。以下图为例,帧率为60FPS时,在8-bit转16-bit的gamma表中,到灰阶8时,将累积为4T,打出一个完整的scramble (拍照时的亮线;只要1T就会出现亮线,但是累积到4T时,是那一条线最亮的状态) ; 到灰阶9时,可视为4T+1T,所以出现2个scramble (两条亮线)。没有使用4T minima mode的显示屏,刷新率在4T时为240Hz (4 scrambles x 60FPS= 240Hz),而使用4T minima mode的显示屏,刷新率在4T时为60Hz (1 scramble x 60FPS= 60Hz)。

**亮度B根据gamma设定,通常为3~5T。

问与答
问:
为何不透过光枪直接量测LED显示屏最低亮度来辨识是否砍灰阶?
答:透过使用控制器「抖色技术(Dithering)」,即使砍掉灰阶,仍可使用光枪量测到很低的亮度,无法确实验证砍灰阶与否。人眼也许无法察觉差异,但使用摄影机拍摄时,画面会出现异常。

问:哪一些应用不能砍灰阶?
答:舞台租赁、VP、XR以及在拍摄时会调整帧率的应用。在现代影视制作与舞台应用中,LED显示屏的技术要求越来越高,特别是在虚拟制作(VP)与扩增实境(XR)等场景中,对于低灰阶画面的表现有着极为严苛的需求。接下来将针对LED显示屏在不同帧率(FPS)下的表现,以及在拍摄与后制过程中的挑战进行探讨,并说明该应用为何无法使用砍灰阶的显示屏。

在VP与XR应用中,LED显示屏通常需要支持从23.5FPS到240FPS的帧率范围。然而,支持低帧率(如24FPS)与高帧率(如72FPS或以上)之间的性能差异,对显示屏的技术能力构成巨大挑战。特别是在低帧率应用时,LED显示屏的低灰阶刷新率与灰阶级数往往较低,可能导致画面亮度不稳定以及色彩线性度下降。

例如,实务上如最终要生成24FPS的影片,在拍摄时通常会透过控制器倍增显示屏帧率到72FPS来进行拍摄,之后再后制成24FPS的影片(因考虑灰阶线性度,LED显示屏帧率通常为影片帧率的倍数),这种倍增帧率的操作,虽然造成LED显示屏亮度提高的问题,但可轻易透过摄影技术在拍影过程中进行亮度调整而解决。

在检测VP应用的LED显示屏时,需要在23.5FPS至240FPS范围内逐帧验收。验收现场无法针对摄影机所需数量庞大的FPS需求准备相对应的背景素材,而是透过前面提到的倍增技术来调整显示屏帧率。

过去当LED显示屏低灰阶显示表现不佳时,业界常使用砍低灰灰阶的手法来避免显示瑕疵,作法是移除GS=5以下的灰阶(GS=5对应的GCLK约为5T)。然而这样的作法在需要使用倍增帧率的应用时,容易出现跳灰现象,严重影响画面的连续性,画面明暗变化不平滑,更使摄影机拍摄下的色彩线性度进一步恶化,因此在VP与XR应用中,这种不稳定的灰阶表现对于高精度的影像拍摄而言,无法为使用者接受,这也是为何强调LED显示屏不砍灰阶的重要性。

本编文章及图片来源:聚积科技官网/Macroblock

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