探討伽瑪在CRT電視系統(tǒng)中含義

1、探討伽瑪在CRT電視系統(tǒng)中含義盡管電視廠商一般不以伽瑪本身作為賣(mài)點(diǎn)，但這一術(shù)語(yǔ)自陰極射線管(CRT)電視時(shí)代便已存在，并且仍是目前TFT-LCD的重要幕后特征。就現(xiàn)代LCD電視而言，伽瑪技術(shù)將清晰度提高到較新水平。每個(gè)LCD電視廠商必須在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的某個(gè)點(diǎn)重視伽瑪。否則，他們可以有世界上絕對(duì)最好的顯示屏技術(shù)，卻因?yàn)椴荒軠?zhǔn)確重建圖像而沒(méi)人買(mǎi)他們的顯示屏。這里所說(shuō)的不準(zhǔn)確指色彩表現(xiàn)和光強(qiáng)度，遠(yuǎn)達(dá)不到準(zhǔn)確還原/重建源圖像應(yīng)有的水平。那么，電視中這盡管電視廠商一般不以伽瑪本身作為賣(mài)點(diǎn)，但這一術(shù)語(yǔ)自陰極射線管(CRT)電視時(shí)代便已存在，并且仍是目前TFT-LCD的重要幕后特征。就現(xiàn)代LCD電視而言，伽瑪

2、技術(shù)將清晰度提高到較新水平。每個(gè)LCD電視廠商必須在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的某個(gè)點(diǎn)重視伽瑪。否則，他們可以有世界上絕對(duì)最好的顯示屏技術(shù)，卻因?yàn)椴荒軠?zhǔn)確重建圖像而沒(méi)人買(mǎi)他們的顯示屏。這里所說(shuō)的不準(zhǔn)確指色彩表現(xiàn)和光強(qiáng)度，遠(yuǎn)達(dá)不到準(zhǔn)確還原/重建源圖像應(yīng)有的水平。那么，電視中這種神秘的所謂伽瑪是什么呢?它與許多放射性衰變相關(guān)的高能伽瑪輻射不是一回事。首先，我們簡(jiǎn)要討論伽瑪在CRT電視系統(tǒng)中含義。然后，說(shuō)明其如何向TFT-LCD電視系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，以及為什么我們應(yīng)該或需要了解這一技術(shù)。伽瑪與CRT電視CRT電視工作時(shí)，采用電子束轟擊屏幕上的磷光質(zhì)涂層。通過(guò)相應(yīng)的電子束掃描，轟擊這些磷光體可在屏幕上描繪圖像。電子槍所加控制

3、電壓與屏幕產(chǎn)生光強(qiáng)度之間的關(guān)系本質(zhì)上是非線性的，近似于一階方式冪律方程(表示為Y(x)=x a)，稱為CRT伽瑪響應(yīng)。人眼對(duì)光強(qiáng)，即亮度，具有本能的非線性敏感(光感)。眼睛對(duì)較低灰度(較暗)光亮的變化最敏感。眼睛的這種自然響應(yīng)與CRT相反的固有響應(yīng)非常相近。這是一個(gè)意外、卻非常有用的副作用，通過(guò)對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行單一校正可補(bǔ)償系統(tǒng)非線性，使眼睛感受到一致的亮度變化。源數(shù)據(jù)編碼方式必須考慮CRT響應(yīng)和眼睛已知亮度響應(yīng)。攝像機(jī)按視頻信號(hào)紅、綠、藍(lán)顏色分量(RGB)進(jìn)行伽瑪校正，視頻需要以攝像系統(tǒng)讀取亮度變化類(lèi)似于人眼讀取的相同方式編碼。由于CRT響應(yīng)與此相反，因此光強(qiáng)度的感覺(jué)是線性的。伽瑪校正還具有其他

4、優(yōu)點(diǎn)，如降低視頻信號(hào)噪聲，提高低電平有效分辨率(這兩個(gè)因素關(guān)系到生成效果的一致性)。伽瑪響應(yīng)為1.0的系統(tǒng)視為線性，但從各種原因角度看并非都有利。最關(guān)鍵的是，不能還原顏色和對(duì)比度感覺(jué)正確的伽瑪校正圖像?？傊?，伽瑪校正為系統(tǒng)伽瑪響應(yīng)進(jìn)行必要補(bǔ)償，保證(至少接近)攝像機(jī)攝入的亮度與CRT電視顯示的相同，使眼睛看到正確的圖像效果，圖1。圖1: 基礎(chǔ)伽瑪校正與伽瑪響應(yīng)曲線。(相對(duì)亮度、輸入電平、伽瑪校正、CTR伽瑪響應(yīng))伽瑪與TFT-LCD電視除了都能顯示視頻圖像外，TFT-LCD與CRT基本沒(méi)有共同之處。最顯著的特點(diǎn)是，LCD不采用電子槍和磷光體生成亮度。而是采用電壓控像素控制透過(guò)像素的光。這種光源

5、于背光，一般為冷陰極熒光燈(CCFL)或發(fā)光二極管(LED)陣列。簡(jiǎn)言之，電壓傳送(V/T)曲線定義顯示屏的輸入響應(yīng)及其生成的亮度。盡管與CRT不同，但TFT-LCD也采用伽瑪，只是這個(gè)術(shù)語(yǔ)必須稍做重新定義。為了使LCD照亮像素，液晶(LC)像素單元需要有施加的電壓，使其能夠傳送光，在屏幕上顯示亮度(注意，光源是LCD顯示屏背光，一般為CCFL或LED)。為像素施加的模擬電壓由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器決定，轉(zhuǎn)換器根據(jù)給進(jìn)來(lái)的圖像/視頻數(shù)據(jù)生成數(shù)字編碼(談到電視視頻內(nèi)容，伽瑪編碼早在CRT電視時(shí)代就有了)。所加電壓與傳送(V/T傳遞函數(shù))之間的關(guān)系為T(mén)FT-LCD伽瑪響應(yīng)，其本質(zhì)上是非線性的，這是由于LC單

6、元傳送能力的性質(zhì)決定的。不過(guò)，這種響應(yīng)未必是我們?cè)贑RT電視中看到的所需非線性響應(yīng)。因此，LCD電視伽瑪往往需要非常近似地模擬CRT伽瑪響應(yīng)。主要理由如下：首先是歷史原因，因?yàn)樗性瓉?lái)的視頻都是經(jīng)過(guò)CRT伽瑪校正的。第二，是利用人眼(亮度)的本能響應(yīng)。當(dāng)然，LCD的固有伽瑪響應(yīng)并非都是一樣的，隨著顯示屏技術(shù)和廠商會(huì)有很大變化。顯示屏伽瑪響應(yīng)可由廠商改變，他們可以根據(jù)最終系統(tǒng)所需的可視性能選擇特定的伽瑪響應(yīng)，圖2。.圖2: 各種系統(tǒng)伽瑪響應(yīng)曲線 (相對(duì)亮度、輸入電平、數(shù)字灰度輸入)數(shù)字視頻數(shù)據(jù)(往往為L(zhǎng)VDS形式)必須采用數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成用于像素的模擬電壓。伽瑪采用顯示屏源/

7、列極驅(qū)動(dòng)器中的分段非線性DAC進(jìn)行粗略校正(有意使其成為非線性)。源極驅(qū)動(dòng)器DAC決定可以為像素施加多少個(gè)不同的階躍電壓(例如，8位DAC生成28或256級(jí)灰度)。每步階躍電壓感覺(jué)到的灰度亮度變化與顯示屏伽瑪響應(yīng)(V/T曲線)和眼睛響應(yīng)有關(guān)，圖3。圖3: 伽瑪響應(yīng)相關(guān)亮度變化對(duì)比(伽瑪、感覺(jué)到的亮度)如果亮度變化只允許與代碼改變成線性關(guān)系，則系統(tǒng)需要更多的分辨率位數(shù)(如12位或14位，而不是8位)，以實(shí)現(xiàn)所需的低亮度靈敏度，使眼睛感覺(jué)不到整個(gè)范圍內(nèi)代碼之間不同的變化(保持變化的均勻性)。事實(shí)上，這是采用伽瑪校正的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可使用較少位數(shù)，以壓縮低電平亮度數(shù)據(jù)的方式編碼視頻數(shù)據(jù)(眼睛最容易感覺(jué)

8、到的)，同時(shí)不影響高電平亮度數(shù)據(jù)，因?yàn)榭床怀銎渲械奈⑿∽兓?。這還可以作為降低視頻信號(hào)噪聲的一種方法，這種噪聲是數(shù)字編碼中識(shí)別不出來(lái)的微小誤差造成的。為改變顯示屏伽瑪響應(yīng)達(dá)到所需的V/T函數(shù)，顯示屏源極(column)驅(qū)動(dòng)器DAC可在多個(gè)輸入點(diǎn)采用各種基準(zhǔn)電壓。這些電壓使DAC達(dá)到某種所需的非線性工作狀態(tài)?；鶞?zhǔn)電壓往往由伽瑪緩沖器IC中提供，一般是驅(qū)動(dòng)DAC輸入點(diǎn)模擬電壓的緩沖放大器。伽瑪緩沖器IC可以是靜態(tài)的，也可以是可編程的。Intersil的EL5411/20T運(yùn)算放大器、EL5421T緩沖器和EL5x26 I2C可編程伽瑪緩沖器系列都屬于此類(lèi)IC器件。這些器件可以為T(mén)FT-LCD源極驅(qū)動(dòng)

9、器提供精確穩(wěn)定的DC基準(zhǔn)電壓。TFT-LCD顯示器簡(jiǎn)易系統(tǒng)框圖參見(jiàn)圖4。由于能夠控制DAC輸入點(diǎn)，LCD電視廠商可以微調(diào)電壓，進(jìn)一步調(diào)整/校準(zhǔn)顯示屏非線性伽瑪響應(yīng)，稱為伽瑪校準(zhǔn)。例如，利用這種功能，電視廠商可以保證所有他們某種型號(hào)的電視顯示屏之間具有相同的伽瑪響應(yīng)。這意味著，LCD組裝和制造偏差等因素造成的潛在視覺(jué)效果誤差，可以降低到最小限度，使電視廠商能夠生產(chǎn)更加一致的產(chǎn)品。從而保證消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)的電視，在家里可以看到在當(dāng)?shù)亟?jīng)銷(xiāo)商銷(xiāo)售店顯示的同樣視覺(jué)效果。(經(jīng)常有這樣的情況，商店播放的電視具有特殊的商店式效果。這種模式顯示的畫(huà)面具有最大對(duì)比度和極為飽和的色彩，以明快的顏色和亮度吸引消費(fèi)者。而消費(fèi)

10、者在家庭環(huán)境中一般不使用這種設(shè)置。)電視廠商最終決定如何校準(zhǔn)伽瑪響應(yīng)(如 =2.2、= 2.0、=1.8，甚至組合伽瑪，根據(jù)要達(dá)到的亮度改變伽瑪)，使他們的顯示器達(dá)到某種視覺(jué)效果。值得注意的是，伽瑪特性會(huì)隨著視角范圍和不同的光線條件變化。因此，購(gòu)買(mǎi)新電視時(shí)，在相似條件下對(duì)比不同電視，通過(guò)顯示器與顯示器的大量對(duì)比是進(jìn)行選擇的一種好方法。伽瑪與電視設(shè)置傳統(tǒng)上，CRT電視(以及大量并非此類(lèi)名稱的設(shè)備)有亮度控制，用來(lái)改變黑電平，以及對(duì)比度或圖像控制，用來(lái)改變最大白電平。電視的伽瑪確定這些端點(diǎn)內(nèi)部的響應(yīng)。理想情況下，這些電視設(shè)置應(yīng)完全獨(dú)立于伽瑪，而一旦固定了最大白電平，黑電平的任何改變會(huì)從相對(duì)方向改變

11、伽瑪曲線(其形狀變化)。這意味著，伽瑪系數(shù)改變了，現(xiàn)在系統(tǒng)的伽瑪響應(yīng)只受黑電平變化的影響。在LCD情況下，端點(diǎn)電平一般由源極驅(qū)動(dòng)器固定，而對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字調(diào)整。同時(shí)，LCD可以改變背光亮度，這為改善系統(tǒng)性能增加了一個(gè)維度。有些TFT-LCD和數(shù)字電視具有其他設(shè)置，可以通過(guò)用戶控制菜單進(jìn)行調(diào)整。這些設(shè)置類(lèi)似于伽瑪調(diào)整(一般不是量化，而是+/-伽瑪調(diào)整)，動(dòng)態(tài)增強(qiáng)對(duì)比度或黑度，選擇不同的圖像/視頻模式及其他工廠命名的功能。這些設(shè)置可以改變部分或所有電視設(shè)置，包括伽瑪曲線。例如，正常工作模式下單個(gè)系數(shù)定義的伽瑪(如=2.2)，可以改變?yōu)槎鄠€(gè)伽瑪系數(shù)決定的曲線，從而改變電視亮度范圍響應(yīng)(視頻信號(hào)代碼或電壓)。同時(shí)，有必要指出，四周環(huán)境或房間亮度也會(huì)影響視頻系統(tǒng)的感受響應(yīng)。遺憾的是，人們根本不知道視頻編碼時(shí)采用的有利于DVD電影或電視節(jié)目顯示效果的準(zhǔn)確條件，以及設(shè)備的設(shè)置功能，因此很難在家里設(shè)置觀看，生成準(zhǔn)確的再現(xiàn)圖像。您的起居室條件很可能與攝影室完全不同并且不斷變化。例如，黑暗的房間可以降低黑度的感覺(jué)，因?yàn)檫@時(shí)用以參照的環(huán)境光線是漆黑的(黑暗環(huán)境下看不出黑色)。相反，如果打開(kāi)明亮的電燈，環(huán)境光線會(huì)高過(guò)顯示屏亮度，由于缺少低端細(xì)節(jié)(黑度)，會(huì)感覺(jué)圖像對(duì)比度下降?？傊?，伽瑪不一定能夠輕松定義，但作為高科技產(chǎn)品的消費(fèi)者，最好從系統(tǒng)角度或由淺入深地了解這一概念。顯然，這將對(duì)購(gòu)買(mǎi)新的LCD電