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“所见即所得”的时代已经到来——软打样以及相关技术的发展与展望

时间:2007-02-20 13:41:09来源:科印网作者:蒲嘉陵
  三、所见即所得的技术保障
  要想实现“所见即所得”的目标,色彩管理技术是保障,高品质、可靠性和稳定性的显示器是前提。
  3-1、色彩管理技术
  在数字、网络平台和开放系统的环境下,色彩管理过程可以简单分解为色彩信息的获取或再现和色空间转换两个方面。前者实际上就是色彩信息的输入与输出,涉及到的色彩信息都是与设备相关的色彩信息(RGB和CMYK),随设备的不同或变化而变化,稳定和可靠的硬件和耗材是前提和关键;后者实际上是不同色空间之间的转换(如,不同的RGB之间、RGB向CMYK和CMYK向RGB的转换等等),是色彩管理的核心,有不同的处理和演算方法。
  目前色彩管理在技术上已经非常成熟,出现了“Huband Spoke”的系统结构、“Image+Profile”的黄金定律和“3C”的管理规则,对数字、网络和开放系统的色彩管理提供了保障(图2)。
  “Huband Spoke”实际上是一种中心辐射结构,将与设备相关的色彩空间(所有的输入与输出设备及其颜色属性)连接在一个属性连接空间(即,图2中的PCS),属性连接空间实际上是一个与设备无关的“标准”颜色空间,一般采取与设备无关的色空间表示(如CIELab或XYZ)。从原理上看这种结构可以保证,不管来自什么样的设备(只要其颜色属性是已知的),同一张源图像在属性连接空间只产生一个与源图像对应的图像数据;同样,在属性连接空间的一个图像数据(文件),通过不同的设备输出时(只要其颜色属性是已知的)也只产生一个与这个图像数据对应的一个目的图像。但由于色彩转换技术手段和方法的局限,目前还只能在一定的误差范围内实现这种转换结果的“唯一性”。“HubandSpoke”结构的另外一个优点是,在系统中增加一个设备(输入或输出)变得非常简单,只要将这个设备的颜色属性登录到系统中,就可以实现对这个设备的色彩管理。


图2 颜色管理中的“Hub and Spoke”结构

  “Image+Profile”已经成为今天色彩管理的一个黄金定律。这里的Image(图像)就是系统的输入图像(源图像)和输出图像(目的图像),是与设备相关的色彩信息;Profile是与这个色彩信息对应的设备的颜色属性,即,是与设备相关的颜色空间(源图像或目标图像)和与设备无关的颜色空间(如,Lab)的一种映射关系(即,一个颜色在两个空间中坐标的对应关系)。只有颜色属性确定,才能够实现不同色空间之间颜色的正确转换。ICC提供了制作Profile的标准方法和数据格式,实现了不同硬件平台和系统之间的数据共享,已经成为今天颜色管理的一种标准模式。但是,这里需要特别强的是,这样一个黄金定律是以设备、器材和环境条件的稳定性和可重复性为前提,否则,可以认为颜色属性没有唯一性或始终处于变化过程中或根本不存在。这一点往往容易被忽视,这也是为什么性能稳定的设备、器材和环境条件在色彩管理中具有举足轻重得意义。
  所谓“3C”的管理规则是指Chalibration(校正)、Characterization(表征)和Conversion(转换)。前面讲过,系统的稳定性和可重复性是色彩管理的前提,但是稳定只是相对的,变化才是绝对的。即便是最高档的系统,也不可避免由于设备、器材的老化导致系统性能和颜色属性发生变化。因此,将系统校正一个标准或可重复状态就非常重要和关键。定期检测和校正以及配套的测试和校正工具实际上已经成为高档色彩管理系统必须具备的功能和“标准”配置。表征就是确定系统(设备)的颜色属性,在技术上与上面提到的制作系统的属性文件相同。使用系统携带的“标称”颜色属性往往是不准确的,所以表征也就变得非常重要和必要,特别是针对颜色要求严格的应用更是如此。转换是颜色管理的流程的最后一环节,即,完成两个不同色空间颜色的转换,如,从RGB到Lab、从Lab到CMYK或RGB等等。转换是色彩管理技术的核心,国际知名的色彩管理系统的供应商都有自己不同的处理和演算方法。
  有这样的系统结构、颜色管理规则和相应的手段作保证,今天的颜色管理技术已经非常成熟,可以在非常大的范围内实现高精度的色彩管理和再现,但是,色彩管理和再现的最终效果在很大程度上取决于整个系统的硬件设备、器材和环境条件的稳定性、可靠性和可重复性。对软打样而言,这主要涉及到显示器的硬件条件和状态设置,下面就这些因素的基本状态以及发展趋势作一个系统的介绍。

  3-2、显示器硬件条件
  显示器的硬件条件主要涉及到显示器的色域、反差比率、分辩力、器稳定性、亮度均匀性、锐度均匀性、画面更新频率(主要针对CRT显示器)和观察角度(主要针对LCD显示器)等等。
  (1) 色域
  色域指显示器能够显示的颜色空间的大小,是显示器显示颜色能力的一个重要指标,由显示器的显示原理和显色材料和部件作决定。尽管不同的显示器具有不同的色域,但在工业上通常用颜色标准来规范显示器的色域。2004年以前,sRGB(图3中的蓝色线条包围的区域)是使用最为广泛的显示器RGB色域标准,代表了此前多数计算机显示器的色空间。但是,目前很多印刷色颜色(图中橙色曲线包围的区域),主要是在青绿颜色,已经超出了sRGB可以再现的色域。这就意味着,有相当部分的印刷颜色根本不能在sRGB色域标准的显示器上显示。1998年Adobe提出了新的显示器色域标准,即,AdobeRGB(图3中的红色曲线包围的空间。AdobeRGB具有更大的色域,基本包括了目前所有印刷颜色,目前很多中高档显示器和数字照相机都已经采用这个标准。这就意味着,满足AdobeRGB标准的显示器基本上可以再现目前所有的印刷颜色。但是,随着高保真和高档多色喷墨打印等更宽色域的印刷颜色的出现,AdobeRGB标准也开始受到挑战,特别是在青绿区域和明亮的黄色区域。


图3 Adobe RGB、sRGB与印刷色空间在CIE xyz坐标体系中的比较(图像来源:Eizo white paper:”ColorEdge CG220 Moving Still Closer to the Ideal Color Management Monitor”,No.04-006,2004)

  (2)反差比率
  反差比率指显示器能够显示的最亮点(白点)和最暗点(黑点)的亮度之比,是显示器显示能力的另一个重要指标,与印刷的动态范围相当。目前,高档显示器的反差比率一般在350:1到600:1之间,如,AppleCinema系列的显示器的反差比率为700:1,EizoColorEdgeCG系列显示器的反差比率大于400:1,等等。如果将白点和黑点之间的亮度关系看成为印刷纸张和最暗的实地颜色反射的光量关系,则可以将显示器的反差比率换算为印刷的动态范围(光学密度度量),即:
  显示器动态范围³log1/(1/400)=log400=2.54(光学密度)
  目前,4色胶印的动态范围一般在1.8(光学密度)以内,因此,可以说高档显示器的动态范围完全覆盖甚至超过了目前印刷的动态范围。不过需要特别注意的是,在实际工作中显示器动态范围往往受环境亮度的影响非常大,光亮的环境(或光亮的反射物体)往往会使显示器的动态范围大打折扣。
  (3)分辨力
  分辨力是显示器分辩和再现细节的能力,也是显示器显示“精细度”的一个重要指标。显示器分辨力通常用纵向和横向两个方向的像素表示,如大家熟悉的800x600、1024x768等等,但是当屏幕面积发生变化时,分辨力也跟随在变化。如果要与印刷进行比较,必须使用相邻像素点之间的距离或单位长度中像素点的数量来表示。显示器相邻像素点之间的距离用DotPitch表示(单位一般为mm)。需要说明的一点是,显示器中每一个像素都具有256阶以上的阶调再现能力,与印刷调幅网屏的网点对应。作者收集了目前市场上高档显示器的像素和相邻像素点之间距离的数据,并将他们换算成了相当于(调幅)印刷网屏的网线数(表1),发现多数高档显示器的分辨力相当于100lpi印刷网屏的分辨/再现能力。

表1 高档显示器的像素、DotPitch和所对应的同等分辨力的网线数

  按照我国现行的印刷档次划分惯例,高档印刷品的网线数应该在175lpi及以上(256阶调、调幅网点)。单从数值上看,即便是高档的显示器,其分辨力还是远远低于印刷的分辨力。高分辨力实际上是印刷在与显示器为基础的互动媒体竞争时的优势之一。但是需要说明的一点是,由于显示原理不一样,上述像素/DotPitch的显示器显示的实际效果要远远超过100lpi的印刷品的精细程度。
  (4)显示稳定性
  显示器本质上是一种电器,在达到稳定显示之前往往需要一定的预热时间。预热结束之前,显示器的亮度、值、反差比率、灰平衡等等指标都不稳定,处在变化过程中。由于显示器工作原理的不同,这种预热时间短则十几分钟,长则可以达到几十分钟,甚至100分钟以上。图4是没有和有亮度自稳定功能的显示器显示效果随开机时间变化的情况。没有亮度自稳定功能的显示器在达到稳定显示状态时,所显示的图像的效果一直在发生变化(最上面的是从暗到明,中间的是从明到暗),但是具备亮度自稳定功能的显示器很快就达到稳定显示状态。


图4 没有和有亮度自稳定功能的显示器显示效果的比较(图像来源:Eizo white paper:”ColorEdge CG220 Moving Still Closer to the Ideal Color Management Monitor”,No.04-006,2004)

  Eizo公司采取的亮度自稳定方案是在液晶显示器光源的背板上开了一个亮度监测孔,将亮度的实际测量值实时反馈到光源驱动电路的控制微处理器上,对光源的驱动功率进行实时调整,保证亮度始终处在一个稳定的水平。尽管这样,显示器达到稳定状态之前的预热是必须的,因此一定要遵循显示器生产商的预热规范,特别是针对严格的颜色评价更是如此。
  (5)屏幕显示均匀性和画面稳定性
  屏幕显示均匀性指整个屏幕在亮度、颜色、分辨力、锐度等方面的一致性,以及这种一致性随观察角度是否发生变化;显示画面的稳定性是指所显示的画面是否随时间闪动等等。
  由于显示器显示原理和品质的不同,显示器屏幕亮度和颜色往往是不均匀的。液晶显示器屏幕亮度的不均匀往往源于显示屏背投光源福照度自身的不均匀分布和背投光源的物理布局、液晶槽厚薄和滤色片的不均匀性等等,而且由此引起的亮度和颜色不均匀往往还是亮度的函数,即,不同的亮度显示出不同的不均匀特征,需要在不同的亮度下进行补偿(图5)。亮度和颜色的不均匀性最后都可以归结到屏幕不同位置具有不同的g特性,补偿的原理是使屏幕所有位置的g特性完全一致(需要在不同亮度下对R、G、B三个通道进行分别调整),保证亮度和颜色显示与屏幕表面的位置无关。一般是将屏幕分成若干个子区域,如,8x8,然后在不同的亮度下(如,255、128、64)对每一个区域的g特性进行测定和补偿,使它们回归到设定的标称范围,从而保证屏幕显示的均匀性。从图5可以看出,经过补偿后显示器的显示均匀性得到明显的改善,除边角外基本不再存在可以察觉的色差。高档的液晶显示器一般都有硬件化的微处理器来完成这种补偿。


图5 显示器显示均匀性,上一行的图像是补偿前的情况,下一行的图像是补偿后的情况。右图是颜色与标准色差E的一个关系图。(图像来源:Eizo white paper:”Color Uniformity Compensation Function of ColorEdge CG221”,No.06-003,2006)

  即便是高品质的显示器,生产质量也没有问题,但由于显示器工作原理的不同,也会出现锐度的不均匀性。这一点在CRT显示器表现得最为明显。这是因为CRT的电子枪一般固定在荧光屏的中轴线上,电子束到达荧光屏中轴线以外的区域,都要经过偏转,所走的“光程”也不一样,往往会导致电子束难以完全准确地聚焦在荧光屏上,从而导致“光斑”质量的下降。偏离中轴线越远(如屏幕的边缘),电子束偏转程度越大,电子束的“光斑”变形越大,直接导致显示器锐度下降。但这种不均匀性在LCD显示器上不明显。这是因为LCD显示器的每一个像素都是独立的,而且背光的排列也近乎于平行光,屏幕的各个区域完全一样,原理上不存在这种差异,不会产生类似的问题(参考文献:“苹果电脑液晶显示器技术概述”,2003)。
  CRT显示是基于电子束在荧光屏上逐行快速扫描实现整个屏幕显示的原理,如果画面刷新频率太低,则所显示的影像往往会发生闪动,这种像现在图像的边缘最为明显,直接影响对图像质量的评判。研究表明,当画面的刷新频率低于70赫兹时,往往伴随有画面闪动,因此在选择CRT显示器时一定要特别注意显示器的画面刷新频率。目前高档的CRT显示器一般具有更大的画面刷新频率的选择范围,如,Sony公司的ArtisanReference显示器提供48~170赫兹的画面刷新频率选择。
  由于液晶显示器显示原理的限制,垂直于屏幕观察或以一定角度观察往往会得到不同的结果,亮度和颜色都会发生变化,很难做到全视角(180度)同等显示。但是,由于技术进步,这种情况正在逐步得到改善。例如,Eizo公司采用所谓的平面内切换面板(IPS:In-PlaneSwitchingpanel)的LCD显示器,亮度在±80度范围内基本均匀、变化很小(参考文献:“LCDMonitorsforHighendGraphics”/Eizowhitepaper,No.03-006,2003,2003);Apple公司的Cinema显示器采用所谓的宽视角技术,实现了近170度视角的准确显示(参考文献:“苹果电脑液晶显示器技术概述”,2003)。但是,在进行严格颜色评价时,建议还是要在垂直屏幕的中心轴线方向上观察(图6)。


图6 液晶显示器亮度、色度等与观察视角的一般关系

  3-3、显示器状态以及环境条件设置
  并不是有了一个高品质的显示器就可以“高枕无忧”,要想实现准确的颜色显示,还必须对显示器的工作状态、环境条件等进行合理设置,否则不可能得到预想的效果。影响显示器工作的设置和环境条件有很多,但以下几个方面尤为重要,即,白点/白场的色温、亮度设定、g值设定、环境以及照明要求等等。
  (1)白点/白场色温设置
  显示器白点/白场色温的选择等同于设定参照白,相当于印刷品无油墨处(纸张)的白色视觉效果(即,承印物与照明光源光谱叠加的综合效果)。大多数高档显示器(CRT和LCD)都具备白场的色温设置功能,一般有固定选择(出厂前由生产厂预设完毕,用户只需在系统菜单中选择即可,但一般只有有限的几个选择,如,D65,D50等等)和用户自设(可以在很宽的范围内调整,如5,000~10,000K)两种功能。
  不同的白点色温会产生不同的色彩显示效果:色温越高,画面整体越偏冷色调。图7是同一张图在白点色温为6500K(相当于D65照明体)和5000K(相当于D50照明体)下的显示效果。从图中可以看出,与低色温的显示效果相比高色温的显示效果明显偏冷色调(整体偏蓝)。不同应用目的对显示器白点色温设置显然不同,如果最终目的是印刷彩色打样,原则上白点色温的设置与标准观察台照明光源的色温应该一致。


图7 白点色温为6500K(相当于D65照明体)和5000K(相当于D50照明体)下的显示效果(图像来源:”ColorEdge CG220 Moving Still Closer to the Ideal Color Management Monitor”/ Eizo white paper,No.04-006,2004)

  (2) 亮度的设置
  显示器的亮度设置不但会影响显示效果而且还会影响观察者观察的舒适度,同时也受环境亮度的影响,受设备亮度范围的限制。由于软打样应用一般为近距离观察,亮度不宜过高,否则容易造成人眼疲劳,直接影响颜色的评价结果。在亮度设置方面有国际标准可以遵循。ISO12646(关于CRT显示器技术标准)规定显示器的色温设置为5000K,亮度为80~120cd/m2;ISO13406(用于LCD显示器的人类功率学标准)规定显示器的亮度应该等于或大于100cd/m2。但是,这些设置“标准”并非完全绝对,还受工作环境照明亮度的影响。如果工作环境照明亮度较高,则一般要求将显示器的亮度设置的更高一些,否则难以获得足够的显示反差。在显示器亮度范围方面,CRT显示器平均在100cd/m2左右,而液晶显示器一般可以超过250cd/m2,具有明显的优势。
  (3)g值设定
  显示器的g值确定了显示器亮度(Y)与阶调值X(0~255)之间的关系:Y=Xg,一般在1~2.4之间取值,是屏幕显示特性之一。g值等于1表示阶调值与显示亮度成线性关系;g值越大则Y~X曲线偏离线性向下弯曲程度越大,即,图像中~亮调的亮度降低,图像整体偏暗;反之,图像整体偏亮(图8)。


图8 显示器g值确定了阶调和亮度之间的关系

  如果R、G、B三个基本色通道的g值没有匹配,则图像会出现偏色,因此必须合理设置和调整三个基本色通道的g值,保证画面整体的灰平衡。这一点非常类似于印刷灰平衡的调整。
  (4) 环境以及亮度要求等等
  在进行严格颜色评价时,对显示器的放置环境以及环境照明都有严格的要求,否则也会影响对颜色的准确评价。原则上,要求显示器放置在中性灰的环境中,而且没有直射光,周边也没有高亮度和彩度的物品(否则会反射到屏幕上,干扰颜色的准确显示),环境照明应该采用规定的标准照明体(如,D50)而且照度控制在屏幕亮度的10%以内。
  在软打样时,应该将印刷样张置于标准的观察环境中。在这方面ISO3664:“用于印刷技术技术和照相技术的观察条件”标准规定:观察台的照明亮度应该控制在500+/-125lux;环境照明亮度应该低于64lux,最好低于32lux;显示器白点色温D50、亮度高于75cd/m2,最好高于100cd/m2。实际上,就像在上面已经介绍的那样屏幕白场与印刷样品的照明条件一致是基本原则,如,两者都是D50、100cd/m2

  3-4、测试、校正和监控功能
  即便有了高品质的显示器,显示器状态和环境条件设置也没有问题,但对严格的颜色评价还是不能“高枕无忧”。这是因为,硬件器件(以及关键材料)、显示器状态和环境条件始终都处在变化过程中,器材的老化就是一个不可避免的客观现实问题。这正应了这样一句话,即,“变化是绝对的,稳定是相对的”,所以,显示器硬件特性、状态以及环境条件的测试、校正和监控就非常重要,而且,显示器系统是否开放相关功能,是否配置有相应的工具和手段,相应的操作是否容易等等都成为必须认真考虑和对待的技术因素。
  方便、有效的测试、校正和监控方法、手段已经成为高档显示器不可或缺的重要组成部分和基本功能。这方面更深的描述已经超过了篇幅的容限,有兴趣者可以参阅相关的自他资料,在引进相关系统时需要重点关注。

  3-5、显示器以及软打样技术目前状态的总结
  将上面介绍的优缺点加以归纳,可以对显示器以及基于显示器的软打样技术做一个小结。
  (1) LCD与CRT的显示器的比较
  表2对LCD和CRT显示器在各项硬件指标以及其他物理指标、价格、受环境的影响和辐射等方面进行了比较全面的比较。综合评价,LCD显示器要明显优于CRT显示器。实际上LCD显示器已经逐步成为软打样采用的主流显示器,而且在其它应用领域,如计算机显示器、彩色电视等等领域也表现出类似的趋势。但是两者目前在价格上还存在比较大的差异,目前高档的LCD显示器价格一般在2000美元以上,而相同档次的CRT显示器只有不到一半的价格。

表2 CRT和LCD显示器的比较

  (2)软打样颜色的准确性
  苹果公司2005年的一项研究表明(参考论文:“AppleCinemaDisplays:PureDigitalClarity”,December2005),显示器可以在标准色差DE£3的容限范围(即,刚好处在人眼的色差分别阈值范围内)再现/匹配95%的CMYK色(原色叠印颜色)和87%的Pantone色(专色)。在2003年举行的GATFTechAlert会议(2003年2月2~4日,Pittsburgh),有两款“合同”软打样系统展示。有一半观看这些设备的人表示,这些设备的“样张”与印刷样品匹配。这些事实说明,基于显示器的软打样已经能够在非常大的范围内与印刷品在颜色上做到匹配,已经接近严格颜色评价目标(即,可以用于合同打样),不过在专色的完全匹配方面还有一些差距。
  (3)显示器以及软打样的国际认证情况
  过去几年SWOP一直在组织对显示器和软打样系统的认证。基本过程是,由打样系统的生产商提供SWOP申请数据单(ADS:ApplicationDataSheet)和按照该数据单制作的样张,SWOP对照ADS检查所提交的样张以确认定量评测的一致性,然后再确认申请打样系统与SWOP认证的印刷样张在视觉上的一致性,满足视觉匹配的打样系统则可获得SWOP认证。
  根据资料显示,目前Eizo公司的ColorEdgeCGs系列显示器、Apple公司的CinemaDisplay系列显示器以及Sony公司的ArtisanCRTDisplay显示器都通过了SWOP认证,说明这些显示器可以在SWOP设定的标准范围内与印刷品匹配。目前市场上可以得到的软打样系统主要有ICS公司的RemoteDirector和Kodak公司的MatchPrintVirtualProofing两款,而且都通过了SWOP的认证。
  从目前的状态来看,软打样技术在硬件、测试校正和色彩管理等方面已经日趋成熟,用RGB准确再现CMYK已经基本成为现实,开始逐步得到行业的认可。从发展趋势来看,基于显示器的软打样技术适合数字、网络环境,具有速度高、运行成本低的特点,必将成为数字时代的一种主要的打样方式。

  3-6、显示器以及软打样面临的困难与挑战
  上面重点介绍了目前显示器以及软打样技术的现状和发展趋势,更多地强调了它们的优点,为了避免产生不必要的误解,导致对软打样技术“万能”的可能误导,有必要就其“短处”也有一个客观的评述。不管是基于CRT还是LCD显示器的软打样系统,都面临的一些共同的挑战和困难。
  专色和荧光色的再现依然是软打样的一大困难。随着显示器技术的不断进步,软打样再现专色的能力也在不断提高,但是由于显示器显示原理的限制,荧光色的再现近乎不可能。
  金属色的再现是显示器面临的另一个巨大挑战,以至于软打样在包装印刷的应用方面也会面临巨大的挑战和困难。
  即便上面的所有问题都非常好地解决,但显示器为发光体加色法显示原理,印刷品为非发光体减色法显示原理,两者在显示原理上的差异还是会导致人眼在观察时产生不一样的感觉,这也会导致对两者一致性评价的误差。另外,显示器与纸张在“质感”上的差异可能是最难以“治愈的顽疾”。从表面特性来看,多数显示器是光洁的表面(近乎于镜面),品牌与品牌之间差异并不大,但是印刷品是一种漫反射体,而且不同的承印物之间的漫反射特性差异明显。印刷承印物种类繁多,不仅表现出不同的表面特性,而且在颜色和质地等方面差异也非常大。因此,用显示器这样一种性质单一的“镜面”去再现种类繁多、性质差异巨大的承印物漫反射体,在质感上的完全等同即便不是不可能,也是近乎不可能的困难。这方面的差异要想从技术弥补显然非常困难,只有与客户进行深入的沟通,以期对软打样的优点和缺点有一个共同的认识,避免矛盾的产生。

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