Farbdarstellung an Monitoren

Diplomarbeit „Farbdarstellung am Monitor“
TU Ilmenau
1/01
FG Lichttechnik
Praktikum
Bearbeiter: Cand-Ing. C. Hacker
„Farbdarstellung an Monitoren“
1
Ziel des Versuchs
Innerhalb des Versuches sollen neben den grundlegenden Funktionsweisen von CRT- und
LCD Monitoren auch die Charakteristiken ihrer Farbwiedergabe verdeutlicht werden. Es
sollen anhand der Technologie die Eigenschaften aufgezeigt und Grenzen ausgelotet werden.
Dabei ist es wichtig, die Unterschiede zwischen CRT- und LCD Bildschirmen deutlich zu
machen und die daraus resultierenden Einsatzmöglichkeiten abzuleiten.
Im Versuch werden die am Bildschirm wiedergegebenen Farbsignale gemessen und die
Displaykennlinien erstellt. Zusätzlich sollen die gemessenen Farbwertanteile in der x,y
Normfarbtafel eingetragen werden.
2
Im
Grundlagen
ersten
Teil
der
Grundlagen
wird
die
mathematische
Problematik
der
Farbraumtransformation geklärt. Im zweiten Teil folgen die Technologien der beiden
verwendeten Monitorarten (CRT und LCD)
2.1
Farbraumtransformation
Die Berechnung einer solchen Transformation hat den Vorteil, daß man Farbwerte, die in
einem beliebigen Primärvalenzsystem gemessen wurden, in ein international standardisiertes
Primärvalenzsystem umrechnen kann und umgekehrt, standardisierte Farbwerte in einem
beliebigen Primärvalenzsystem, ermitteln kann. Am Beispiel des RGB-Primärvalenzsystems
und des Normvalenzsystems soll im folgenden eine Transformation zwischen beiden gezeigt
werden. Es soll gelten:
F=R·R+G·G+B·B=X·X+Y·Y+Z·Z
{5.1}
Geometrisch betrachtet ist diese Transformation nichts anderes als der Übergang zu einem
anderen Koordinatensystem im Vektorraum. Wie im Bild 5.1 zu sehen erhält man die
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Farbvalenz aus der Addition zwei verschiedener Paare von Basisvektoren.
Abbildung 2.1: Koordinatentransformation im Vektorraum, der Farbvalenz F (Die dritte
Koordinate ist aus Darstellungsgründen weggelassen.) Abbildung entnommen aus Quelle [1]
Beide Koordinatensysteme haben den selben Ursprung, was bedeutet, daß die dort liegende
Farbvalenz in beiden Systemen die Farbwerte 0 hat. Diese Farbvalenz ist der ‚SchwarzFarbreiz‘ ϕλ = 0 und hat in allen Primärvalenzsystemen die Farbwerte 0. Für die Lösbarkeit
dieser Aufgabe ist es notwendig, daß die Primärvalenzen linear unabhängig sind.
Zweite Bedingung ist die Kenntnis der Farbwerte der neuen Primärvalenzen im alten oder
umgekehrt im neuen System. Letztere lassen sich dann so darstellen:
R = XR · X + YR · Y + ZR · Z
G = XG · X + YG · Y + ZG · Z
{5.2}
B = XB · X + YB · Y + ZB · Z
In {5.1} eingesetzt:
F = R · (XR · X + YR · Y + ZR · Z)
+ G · (XG · X + YG · Y + ZG · Z)
+ B · (XB · X + YB · Y + ZB · Z)
Nach X, Y und Z zusammengefaßt ergibt sich:
F = (R · XR + G · XG + B · XB) · X
+ (R · YR + G · YG + B · YB) · Y
{5.3}
+ (R · ZR + G · ZG + B · ZB) · Z
Durch Gleichsetzen mit {5.1} erhält man den Zusammenhang zwischen alten und neuem
System wie folgt:
X = R · XR + G · XG + B · XB
Y = R · YR + G · YG + B · YB
2
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Z = R · ZR + G · ZG + B · ZB
In Matrixschreibweise:
X
XR XG XB
R
Y = YR YG YB ·
G
Z
B
ZR ZG ZB
{5.4}
Dabei sind die Koeffizienten XR, ..., ZB der Transformationsmatrix sind die Koordinaten der
Basisvektoren R, G, B im System der Basisvektoren X, Y, Z.
Geht man umgekehrt von den Farbwerten der Primärvalenzen X, Y, Z im alten System aus,
erhält man:
X = RX · R + GX · G + BX · B
Y = RY · R + GY · G + BY · B
{5.5}
Z = RZ · R + GZ · G + BZ · B
So kommt man für die Farbwerte R,G, B zu folgender Matrix:
R
RX RY RZ
X
G = GX GY GZ ·
Y
B
Z
BX BY BZ
{5.6}
Aus beiden Matrizen kann man ersehen, daß eine die Inversion der anderen ist. Somit lassen
sich nun die Farbwerte zu einer Farbvalenz F bezüglich eines neuen Primärvalenzsystems
finden.
2.2
Technologie der CRT- Röhre
Im Grunde besteht eine S/W-CRT-Röhre aus einem evakuiertem Glaskolben mit
Röhrenförmigem Hals, indem ein Elektronenerzeugungssystem untergebracht ist. Der
eigentliche Bildschirm ist in diesem Fall die gewölbte Grundfläche des kegelförmigen
Kolbens und durch besondere mechanische Verstärkung gegen Implosion geschützt.
Die Elektronenkanone, das Elektronenstrahl erzeugende System, besteht aus Glühkathode mit
Wehneltzylinder, aus dem die Elektronen austreten und durch Gitter, mit positiver Spannung
von mehreren tausend Volt, beschleunigt werden. Zu einem feinen Strahl gebündelt
(fokussiert), wird der Elektronenstrahl durch ein elektrisches Feld. Variable Magnetfelder, die
von Spulen auf dem Röhrenhals erzeugt werden, bewirken die horizontale und vertikale
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Ablenkung des Elektronenstrahls. Diese Ablenkfelder werden von Synchronsignalen zeitlich
gesteuert. In der horizontalen Austastlücke springt der Strahl (ausgeschaltet) vom Zeilenende
auf den Anfang der (über)-nächsten Zeile. In der vertikalen Austastlücke dagegen, vom
unteren an den oberen Bildrand.
Die innere Seite des Bildschirm ist mit Phosphoren beschichtet. Die Elektronen des Strahls
regen sie zum Leuchten an. Die Phosphore sind zudem zum Inneren der Röhre hin, mit einer
dünnen Aluminiumschicht bedeckt, welche das elektrostatische Aufladen des Bildschirms
verhindert und den nach innen gerichteten Teil des Lichts der Phosphore nach außen
reflektiert. Die Intensität des Elektronenstrahls wird durch Veränderung der Spannung
zwischen
Kathode
und
Wehneltzylinder
gesteuert.
Der
Zusammenhang
zwischen
Strahlstromstärke und am Wehneltzylinder angelegter Spannung ist nichtlinear und wird
durch die Bildröhrenkennlinie beschrieben.
Ia ~ K · Ug3/2
{5.7}
K: Konstante
Ia: Anodenstrom
Ug: Gitterspannung
Farbbildröhren sind erheblich komplexer, da jeder Bildpunkt dreifach in den Grundfarben
Rot, Grün und Blau vorhanden sein muß, und auch die Leuchtdichten getrennt steuerbar sein
müssen. Eine Erfindung, die das möglich macht, ist die Schattenmasken- oder
Lochmaskenröhre.
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ElektronenKanonen
Maske
Phosphore
Abbildung 2.2: Prinzip der Schattenmaske; links Delta-Anordnung; rechts In-LineAnordnung
Die Schattenmaske besteht aus einem siebartigen Metallblech, das etwa 5 mm vor der
Phosphorschicht auf der Innenseite des Bildschirms angebracht ist.
Das regelmäßige Raster auf der Maske kann runde oder schlitzförmige Öffnungen aufweisen,
deren Abstände bei modernen Röhren 0,25-0,35 mm betragen. Im Röhrenhals sind 3
Elektronenstrahl-Erzeugungssysteme
untergebracht.
Die
Austrittsöffnungen
der
Wehneltzylinder liegen in einer Ebene senkrecht zur Röhrenachse und bilden entweder die
Ecken eines gleichseitigen Dreiecks (Delta-Gun-Röhre) oder liegen in einer Linie (In-LineRöhre). Die Abstände der drei Elektronenquellen und die Abstände der Löcher sind so
gewählt, daß die von den Elektronenquellen gebildeten Raster sich nicht überschneiden und
die Projizierten Farbpunkte sich nicht berühren.
Auf der Innenseite der Frontscheibe sind drei Phosphore verteilt, die jeweils rot, grün oder
blau leuchten. Die Elektronen einer Quelle können nur Phosphore einer Farbe treffen. Man
erhält unabhängig voneinander Bilder in RGB, wenn das Farbwertsignal den Strahlstrom
einer Elektronenkanone steuert, der den dazugehörigen Phosphor anregt.
2.3
Technologie der LCD-Displays
TN (twisted nematic) Flüssigkristalle werden für Farbbildschirme verwendet. Sie bestehen
aus mehreren Schichten geordneter Moleküle, die gegeneinander verdreht sind.
So wird die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht beim Durchgang gedreht und
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der Flüssigkristall ist somit doppelbrechend. Dabei hängt der Drehwinkel zwischen den
Schichten und der Grad der Doppelbrechung von dem angelegten elektrischen Feld ab. Je
höher die Spannung, desto mehr Licht kommt durch. Wenn man nun eine solche Zelle
zwischen zwei parallele oder gekreuzte Polarisatoren bringt, wird sie je nach Lage der
Polarisationsebene (bzw. der angelegten Spannung) für durchgehendes Licht transparent oder
opak. Da zwischen den Elektroden kein Strom fließt, ist sehr wenig elektrische Leistung für
den Betrieb einer solchen Zelle erforderlich. Notwendig ist nur eine externe Beleuchtung,
auch Rückbeleuchtung genannt. Sie besteht meist aus Kalt-Kathoden-Fluoreszenz-Lampen
oder Lumineszenzdioden. Dabei wird das weißes Licht von einer Lampe am Rand des
Dislpays ausgesandt. Ein Lichtleiter verteilt das Licht durch eine Diffuserscheibe. Für einen
Farbbildschirm benötigt man jedoch genauso viele unabhängig schaltbare Zellen, wie es
Bildpunkte gibt.
Abbildung 2.3: Aufbau eines Farb-LCD-Displays
Die dünne Flüssigkristallschicht liegt zwischen zwei Glasplatten, bei der auf der einen
Glasplatte die mosaikförmigen Rot-, Grün- und Blaufilter angebracht sind, die von einer
transparenten Elektrode bedeckt werden. Die gegenüberliegende Glasplatte trägt die, zu den
Bildpunkten gehörigen transparenten Pixelelektroden, mit den zum Betrieb erforderlichen
Schalttransistoren. Bezeichnet wird ein solcher Bildschirm als TFT-LCD (Thin-FilmTransistor-Liquid-Crystal-Display).
Wie eine Schattenmaskenröhre erzeugt auch ein Farb-LCD mit mosaikförmig angeordneten
Rot-, Grün- und Blaufiltern Farben nach dem Prinzip der additiven Mischung durch räumlich
verschachtelte Gitter. Die Gesamttransmission der Anordnung ist relativ gering, da die
Primärvalenzen für jeden Bildpunkt durch Filterung aus den beleuchtenden Lichtstrom
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erzeugt werden müssen, von dem durch die Polarisation 50 % des Lichtstroms verloren gehen.
Nur 3-5% des von der Lampe ausgestrahlten Licht verlassen das Display zum Betrachter.
3
Vorbereitungsaufgaben
1. Berechnen der XYZ-Werte, bei Referenzweiß zur Monitor-Kalibrierung
Nutzen Sie dazu folgende Matrix.
X
29,39 19,69 11,19
R
Y
= 15,95 41,59 4,836 ·
G
Z
1,217
8,455 58,23
B
2. Leiten Sie aus dem Ergebnis die Normfarbwertanteile her.
3. Rekapitulieren Sie ihre Kenntnisse über die Ermittlung des Farbabstandes.
Berechnen Sie den Farbabstand ∆ELuv zwischen Soll- und Istwert der gegebenen Farbprobe.
Probe
D65
Xsoll
80,24
60,27
Ysoll
59,08
62,37
Zsoll
117,50
67,90
Xist
79,88
60,98
Yist
58,84
62,73
Zist
116,90
68,20
Tabelle 1:Gegebene Normfarbwerte
Literaturhinweise zur Lösung der Aufgaben:
[1]
Lang, H.: Farbwiedergabe in den Medien. Muster Schmidt Verlag, Göttingen, Zürich,
1995
[8]
Richter, M.: Einführung in die Farbmetrik. Walter de Gruyter, Berlin, New York, 1981
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Diplomarbeit „Farbdarstellung am Monitor“
4 Versuchsaufbau
Diese Versuchsanleitung liegt am Meßplatz aus!
SpektraScan
Sony Multiscan Monitor
oder AcerView F51 TFT Monitor
Meßwerte
Notebook
Abbildung 5.4: Versuchsanordnung
Das Meßgerät SpektraScan wird etwa 1m–1,5m vor den Monitoren aufgestellt. Speziell bei
dem TFT Monitor ist es wichtig, daß die optische Achse des Meßgeräts senkrecht zum
Monitor ausgerichtet ist. Danach wird auf dem Notebook das Programm meas3p.pas in
TurboPascal geladen und mit Ctrl+F9 gestartet. Zunächst erscheint eines kleines grünes
Quadrat, das zur Scharfeinstellung des Meßgerätes dient. Durch das wiederholte Drücken der
Entertaste können nun Intensitätsstufen von 0; 10; 20 ...; 63 in den Farben Rot, Grün und Blau
angezeigt werden. Danach folgen die Stufen für ausgewählte Mischfarben und Unbunt.
5
Durchführung
Für die Durchführung ist es enorm wichtig, den CRT-Monitor zuvor zu kalibrieren. Dies
macht man mit einem Weißunbuntabgleich und einem Schwarzunbuntabgleich.
Weißunbuntabgleich:
Es wird mit einem Spektral-Farbmeßgerät das Bildschirmweiß gemessen. Durch Änderung
der Verstärkung in den drei Farbkanälen variiert man die Leuchtdichten der drei
Primärvalenzen so lange, bis das Bildschirmweiß die gewünschte Farbart und Leuchtdichte
hat. Bei dem verwendeten Gerät von Sony, lassen sich die Farbtemperaturen (und somit die
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Weißnuance) recht einfach einstellen. Es gibt vier Modi: 9300K; 6500K; 5000K und einen
Variier-Modus, bei dem man die Farbtemperatur selbst wählen kann.
Für das Praktikum sind aber nur die drei vorgegebenen Farbtemperaturen von Bedeutung.
Zur Wahl des Farbtemperaturmodus drücken Sie am Monitor die SELECT-Taste, bis die C
TEMP-LED aufleuchtet. Während die Anzeige leuchtet, wählen Sie den gewünschten
Einstellmodus (d.h. eine der drei werksseitig voreingestellten Farbtemperaturen) indem Sie
die CRTL- und SELECT-Taste gleichzeitig drücken. Am Blinken der C TEMP-LED können
Sie erkennen, was eingestellt ist.
9300K –> 1 mal/sec
6500K –> 2mal/sec
5000K–> 4mal/sec
Überprüfen Sie ihre Einstellung mit einer Messung mit dem Spectrascan. Messen Sie dazu
das kleine weiße Quadrat im Programm meas3p.pas. Die gemessene Farbtemperatur muss
etwa bei ~ 6500K liegen.
Regeln sie eventuell mit dem Helligkeits- und Kontrastregler etwas nach, wenn die
Abweichungen bei mehr als 400K liegen.
Schwarzunbuntabgleich:
Schwarz bezieht sich hier nicht auf die Leuchtdichte 0, sondern auf die Grundhelligkeit. Man
bezeichnet dies auch häufig als Offset-Einstellung. Unter Berücksichtigung des durch die
Raumhelligkeit entstehenden Streulichts wird die Grundhelligkeit so eingestellt, daß auch
kleine Signaldifferenzen bei niedrigen Pegeln noch sichtbar sind.
Wählen Sie dazu die Intensitätsstufe 10 bei Rot. Ist diese Stufe nicht am Monitor sichtbar,
regeln Sie Helligkeit und Kontrast solange, bis sie das Farbquadrat gerade noch sehen können.
Der Monitor ist nun kalibriert. Verändern Sie während der ganzen Messung nichts mehr an
den getroffenen Einstellungen.
Wichtig: Schalten Sie immer vor einer Messung das Licht aus und schließen Sie die
Jalousien, das es sonst zu Meßfehlern kommt!
5.1
Versuchsteil 1
Der erste Teil beschäftigt sich mit den CRT-Monitor
1. Legen Sie eine leere Diskette in das Messgerät ein und messen Sie nun alle
Intensitätsstufen im Programm meas3p.pas für Rot, Grün, Blau und die Mischfarben.
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2. Entnehmen Sie die Diskette aus dem Meßgerät und legen Sie diese in das Laufwerk des
Notebooks. Starten Sie das Programm SpektraWin. Wählen Sie im Menü File –> Import –>
Measurements from PR-705 Disk. Laden Sie die Messungen (Measurements) und kopieren
Sie die Werte der einzelnen Messungen in das vorbereitete EXCEL Dokument. Speichern Sie
das EXCEL Dokument unter einem geeigneten Namen im Verzeichnis: c\Temp und schließen
Sie alle Anwendungen.
3. Öffnen Sie die drei Beispielbilder aus dem Ordner „Bilder“ auf der CD und variieren Sie
erneut die Farbtemperatur am Monitor. Dokumentieren Sie ihre Beobachtungen.
5.2
Versuchsteil 2
In diesem Versuchsteil untersuchen Sie die LCD Displays.
Beenden Sie zuerst alle Anwendungen und fahren Sie das Notebook herunter. Tauschen Sie
nun den CRT-Monitor gegen das TFT-Display ein und starten Sie das Notebook neu.
Starten Sie wieder das Programm meas3p.pas, wählen sie das weiße Quadrat und stellen sie
Kontrast und Helligkeit am TFT-Display so ein, daß Sie mit dem Spektrascan den Wert
Y=100cd/m2 messen.
Verfahren Sie dann genauso, wie bei den Messungen zum CRT-Display
Speichern Sie das EXCEL Dokument unter einem anderen Namen.
6 Interpretation der Ergebnisse
Diskutieren Sie die gemessenen Ergebnisse und Diagramme und fertigen Sie ein Protokoll an.
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