色彩校正筆記 - 前言

　　為了忠實重現圖片或影像作者的原始意圖，或是讓自己所製作的作品能夠在不同地方上呈現相同的色彩，不論是在電腦螢幕、電視、投影機、印刷品甚至是紡織物，我們都不希望看到白皙的皮膚看起來變得暗沉，也不願意看到照片看起來人人都像有著阿凡達星球般的藍皮膚，因此需要統一的標準，只要每個環節都按照標準校正，如此一來，便可完美重現作品，不會因為設備不同而有所差異，完整的獲得作者的原始意圖。本系列文章為觀賞圖像或影片用顯示裝置校正，甚少涉及印刷品用途的校準（軟校樣／軟打樣）。

（阿凡達海報）

　　本文在開頭先是說明了為什麼我們需要校正？接下來將會討論校正的標準是什麼，該如何選擇？並知道校正標準所需要的條件，再來挑選合適的測量設備，明白測量設備的限制，最後探討可能產生的誤差以及了解誤差產生的可能原因，待具備以上概念後，將於下篇文章開始嘗試校正顯示裝置。

　　以下分為幾個小節來進行說明，依序為目標、觀看環境、測量設備與誤差，在進行校正之前，我們必須要先決定目標是什麼，不同的應用領域會有不同的標準，要讓同領域的用戶都能看到相同的圖像，需要使用相同的標準。

目標

　　在不同領域中都有不同的公認標準，像是光源就分成 D50、D55、D65 等多種標準光源，色域（可顯示的色彩範圍）也不盡相同，此外，需要留意有些領域的「公認標準」是有缺陷的，這些公認標準已行之多年，雖然不夠完美，但其實也還可以用，於是就這樣沿用至今，如果遇到這類狀況，或者是環境不允許，可能需要進行一些適當的調整，才能符合自身使用情形。

　　本 Blog 內容多以影片相關為主，考量到觀看網頁、修圖也是很常見的應用，因此將以 sRGB、HDTV、HDR UHDTV、DCI-P3 (Theater) 作為主要討論內容，其中 sRGB 主要於網頁或是照片修圖使用，HDTV 規格用於 720/1080p 影片，HDR UHDTV 則是高動態範圍影片所使用的規格，DCI-P3 (Theater) 為劇院規格，多為投影機使用者採用。在相關領域中，有多個機構制定了屬於他們的標準，例如：歐洲廣播聯盟（EBU）、國際電信聯盟（ITU）、電影電視工程師協會（SMPTE）等，略有不同，本篇將以常見的標準為主（可能在其他地方會看到不同標準）。

sRGB / HDTV
白點座標： D65 (0.3127, 0.3290)
白點亮度： 100 nits (sRGB)*、100 nits (HDTV)
Gamma：2.2 (sRGB)、2.4 (HDTV)**、BT.1886 (HDTV)**
色域：BT.709

* 雖說 sRGB 當時制定標準為 80 nits，但現今市售顯示裝置的 sRGB 模式多為 100 nits。

** 2.4 為 EBU 標準，BT.1886 為 ITU 標準，gamma 2.4 與 BT.1886 曲線上非常接近。

HDR UHDTV

白點座標： D65 (0.3127, 0.3290)

峰值亮度： > 1000 nits

Gamma： SMPTE ST 2084 (PQ)、HLG

色域：BT.2020、DCI-P3***

*** 雖然標準是 BT.2020，但目前市售的顯示裝置難以完整覆蓋，加上目前電影多採用數位電影先導小組（Digital Cinema Initiatives）制定的 DCI-P3 色域，因此選購市售顯示裝置可多加留意 DCI-P3 色域覆蓋面積。

DCI-P3 (Theater)

白點座標： (0.3140, 0.3510)

白點亮度： 48 nits

Gamma： 2.6

色域：DCI-P3

　　目前 HDR 劇院規範（DCI HDR）在撰寫本文時，尚未正式出爐（僅有草案），因此暫不列入，若要參考可見 Ballestad, A., Boitard, R., Damberg, G. and Stojmenovik, G. (2019), Taking HDR Cinema Mainstream，白點座標(0.3124, 0.3291)，峰值亮度 500 nits，Gamma 使用 ST 2084。

觀看環境

　　以下標準為參考級顯示裝置所規範的規則，屬於專業人士採用的規範（例如：電影後期製作），環境照明亮度 5 lux 為相當弱的微光，考慮觀看環境可能會開燈，不一定適合使用，此外，觀看距離亦可自由調整。

sRGB/HDTV
環境亮度： 64 lux (sRGB)、低於 5 lux (HDTV)

環境色溫： D50 (0.3457, 0.3585)

觀看距離： 顯示器高度的3.2倍****

HDR UHDTV

環境亮度： 低於 5 lux

觀看距離： 顯示器高度的1.5倍****

DCI-P3 (Theater)

環境亮度： 低於 0.01 nits

**** 與顯示裝置解析度相關。

　　在環境較為明亮的情況下，sRGB 與 HDTV 白點的亮度與 gamma 值可能需要修改，環境愈亮，需要越高的白點亮度（100 ~ 200 nits），gamma 值需要適當的減少（2.0 ~ 2.4），HDR 影片則建議於暗室中觀看，由於 HDR 所使用的 gamma（ST 2084）與亮度絕對值相關，若在明亮環境中觀看，將會導致畫面變的灰暗。

　　值得一提的事，由於消費者很有可能在明亮環境中觀賞 HDR 影片，多數廠商為了避免此一問題，紛紛改變了 HDR 所使用的 ST 2084 曲線，以提供更明亮的畫面，缺點當然就是對比的明顯下降以及改變了畫面的色彩（人類在不同亮度下所觀察到的色彩有不同感覺，因此這裡需要色調映射來進行修改，但各家算法可能不同，產生不同結果）。

測量設備

　　用於測量色彩的設備分成兩種，分光輻射計（Spectroradiometer，又稱光譜儀）以及比色計（Colorimeter，又稱色度計）。

　　我們知道光可以透過三稜鏡分解成多種不同顏色，而且這個過程是可逆的，亦可將紅、藍、綠光混和來呈現任意顏色，分光輻射計藉由光柵，將進入儀器內的光分解成不同顏色，並使用感測器偵測不同顏色的光強度，由於不同顏色的光代表不同波長，因而獲得譜功率分布（Spectral power distribution, SPD）。一個實驗室等級的分光輻射計，具備非常高解析度的感測器，可測量的波長差低至 1 奈米甚至更低，移動感測器的位置來獲取譜功率分布，雖然精度很高，但也等倍增加測量的點數，加上又是採移動方式讀取光強度，需要花費很長時間，而且最重要的是...非常貴，價格超過十萬元。

　　考量到並不是所有應用都需要這麼高的精度，所以有著另一種低成本的分光輻射計，以多個感測器組成陣列，並同時讀取，達到快速測量的目的，此外，由於光柵將強光束分解成多道弱光，而且感測器的性能也較差，因此在低光的情況下性能表現並不出色。目前常見的低成本分光輻射計解析度約為 10 奈米左右，價格大約是 2 ~ 4 萬元。

（來源：X-Rite White Paper - Display Calibration Devices: Methods, Accuracy, and Cost）

　　雖然低成本的分光輻射計已大幅降低成本，但依然還是要數萬元不等，前面曾提過，色彩均由三原色組合而成，光是可逆的，因此只要將進入儀器的光以三個濾光片分成三原色，便可獲得各自的強度，大幅減少感測元件數量，而且光損耗也較低，相較於低成本分光輻射計來說，這種架構的比色計具有更好的低光靈敏度，測量時間因此縮短，價格也更加低廉，價格約為數千元不等。

（來源：X-Rite White Paper - Display Calibration Devices: Methods, Accuracy, and Cost）

　　比色計低光靈敏度好，價格也低，難道就沒有什麼缺點嗎？不，是有的。人類對於不同波長的光具有不同的靈敏度，而且在不同的視角也略有差異，下圖為 CIE 所做的2度與10度觀察者配色函數（Color Matching Function, CMF）於三種錐體（對應三原色）有反應的波長分布，如果今天使用兩種不同背光的顯示裝置，在不額外套用比色計校準檔的情下進行校正，很有可能會出現儀器讀值顯示一樣，但肉眼觀察卻不相同的情況，原因在於其波長分布不同，因此我們可能會需要透過某些修正使其能夠顯示相同的色彩，此外比色計的濾光片也會隨著使用時間增加而逐漸老化，每隔一段時間需要使用分光輻射計對比色計進行一次校正，以保持測量正確。

（來源：X-Rite White Paper - A Guide to Understanding Color）

（來源：EIZO White Paper - Color Matching Between sRGB Monitors and Wide Color Gamut Monitors）

　　說了這麼多，到底哪一種會是最佳選擇呢？分光輻射計對於各類發光模組都能夠有良好的表現，比色計則是具備測量快速以及較優異的低光靈敏度，目前低成本解決方案大多推薦：先使用分光輻射計對顯示裝置產生專用的比色計校準檔，然後將校準檔套用至比色計校正使用。（白話文：我全都要）

　　目前低價校正設備大多以 X-Rite、Datacolor 為主，其中 X-Rite 的產品命名相當混亂，有不少名稱僅差一點點，但卻是完全不同類型產品，需要多加留意，像是 ColorMunki Photo、ColorMunki Display，又或是i1Photo Pro、i1Basic Pro、i1Display Pro，有的是分光輻射計，有的是比色計。此外，這些校正設備有些獨特的暱稱，像是 Datacolor 的 Spyder 系列校正器被稱為蜘蛛，X-Rite ColorMunki Photo 被叫做色猴。

　　現今最多人討論的低價校正器材大多為 X-Rite 所出品的，比色計通常會建議購買 i1Display Pro，分光輻射計多以 ColorMunki Photo/Design（後繼產品 i1Studio） 或是更高級的 i1 Pro 2 為主（i1Basic Pro 2、i1Photo Pro 2、i1Publish Pro 2 中的校正設備都是 i1 Pro 2，差異在於附件與軟體功能不同）。另外，市面上有許多 X-Rite 提供給其他廠商的 OEM 貨品，通常具有更便宜的價格，但附件與軟體支援能力可能會有所差異，不過有許多校正用戶採用第三方的軟體，在這方面就沒什麼影響。如果手頭實在不夠寬裕的話，在台灣也有許多攝影設備出租業者提供短期租賃服務。

誤差

　　接下來我們來談談誤差，校正的每一個環節都會有誤差，多或少而已，但無論如何，經過正確步驟校正後，總是能夠獲得比出場預設值更好的結果。

　　在使用顯示裝置的過程中，不論是電子零件的自然老化，環境溫度的改變，又或是市電電壓的變化，都會對顯示的色彩有所影響，因此需要定期的去校正，在一些專業領域中，每隔 2 週就需要校準一次，如果不是那麼要求的話，也需要數個月校正一次才能夠保證色彩的正確。也許有人會好奇，有些經過認證的顯示裝置，像是 Technicolor Colour Certified、The Verified by Calman program、THX、Pantone Validated，還需不需要校正呢？答案是需要的，許多認證僅列出 DeltaE，但色彩校正不僅僅只有這一項，而且這也與測試色彩的選擇有關，在網路上，想要找到這些認證的詳細規範都相當不易，缺乏透明度的情況下，這些認證的保證虛無飄渺。

　　我想最常見到的誤差就是使用比色計較正時，卻忘了套用比色計校準檔（四色校準矩陣或譜功率分布），此外，比色計與分光輻射計個體間一定會有些許測量誤差，尤其在較暗時，分光輻射計的差異會更加嚴峻。

　　既然要計算誤差，那就需要一種定量誤差的方式，目前最常使用 DeltaE 來計算其差異，一般將 DeltaE = 1 定義為人類剛好可分辨的分水嶺，在多數情況下，通常 3.0 以下屬於可以被接受的差異。如果仔細去翻閱資料，可以發現 DeltaE 有多種計算方式，1976 年的 ΔE76、1994年的 ΔE94、2000 年的 ΔE00 以及最新的 DeltaE ITP（DeltaE ICtCp），光是誤差定量的算法就這麼多種了，要相當嚴謹的定量誤差是有困難的，新的算法不斷修正過去算法所產生的問題，雖然如此，但以前的算法也不到不能用的程度，而且規範的改動都是大工程，所以就將就地使用了，目前多採用 ΔE94 或 ΔE00 做為評估方式，HDR 領域則正在推動 DeltaE ITP 作為標準。

　　另一個計算上的盲點：配色函數（Color Matching Function, CMF），目前最多校正所採用的配色函數為 CIE 1931年發表的 2 度觀察者視角實驗結果，因為人類可以感應色彩的錐狀細胞大多分布於視網膜中心 2 度，但也不是只有中心 2 度才能感應色彩，於是 CIE 在 1964 年發表了針對 4 ~ 10度觀察者所做的配色函數，這告訴我們，視角會對所觀察到的色彩有影響，會產生一些誤差，此外，這些配色函數都是受測者「平均」之後的結果，每個個體有不同的實驗結果，甚至左右眼測試的結果都可能有差異，更遑論在近幾年也有科學家試圖修正過去的實驗結果（CIE 2012 2/10 deg CMFs）。不過目前多數校正依然採用 CIE 1931 2度觀察者（CIE 1931 2° Standard Observer.）作為配色函數。

　　在測量設備一節中，我們曾討論到未套用比色計校準檔時，背光不同可能導致測量結果異常，但在某些狀況下，即使套用了正確的比色計校準檔，仍然是異常的，這主要發生在廣色域裝置上，被認為的可能原因為，為了要增加廣色域裝置的色域覆蓋範圍，往往具備更純淨的三原色光，有著更窄的波長，甚至有些使用雷射光源，不過測量所使用的分光輻射計精度不足，導致校正所產生的誤差超過人類視覺可感知的變化。

　　另一方面，從比色法（Colorimetry）計算可以得知在某些狀況下，會出現同色異譜（Metamerism）的現象，即不同的光譜分布，顯示相同的色彩，藉此校正不同背光的顯示裝置。但在某些顯示裝置上我們得到了截然不同的結果，同色異譜失效，儀器測量獲得相同結果，但色彩卻無法吻合。目前有些公司試圖解決此問題，像是 EIZO 於 Color Matching Between sRGB Monitors and Wide Color Gamut Monitors 這篇白皮書中提出使用 CIE 1964 10度觀察者（CIE 1964 10° Standard Observer.）進行校準，SONY 則為其 OLED 顯示裝置修正同色異譜失效問題採用 Judd 1951 Modification 的概念，添加座標的偏移量以進行修正。著名校色軟體 Lightspace 則建議遇到同色異譜失效時，對白點座標進行修正，以目測方式調整副顯示裝置的白點座標，使其白點與主顯示裝置相同，並以此作為副顯示裝置的白點進行校正。也有一些人認為可以使用新的配色函數（CIE 2012 CMFs）進行校正。

（來源：SMPTE ST2080-2.2014）

　　除了以上提到的幾點之外，光源的偏振態、環境光源等其他因素也會產生一些影響，我們需要能夠理解誤差，明白誤差是肯定存在的，當誤差顯著時，試著找出影響最大的可能原因，並動手解決。

內文如有錯誤，請多加指正，謝謝。

資料來源：

Dolby White Paper - ICtCp (professional.dolby.com/siteassets/pdfs/ictcp_dolbywhitepaper_v071.pdf)

IEC 61966-2-1:1999 (www.color.org/chardata/rgb/srgb.xalter)

ITU-R Recommendation BT.709 (www.itu.int/rec/R-REC-BT.709)

ITU-R Recommendation BT.1886 (www.itu.int/rec/R-REC-BT.1886)

ITU-R Recommendation BT.2020 (www.itu.int/rec/R-REC-BT.2020)

ITU-R Recommendation BT.2035 (www.itu.int/rec/R-REC-BT.2035)

ITU-R Recommendation BT.2100 (www.itu.int/rec/R-REC-BT.2100)

ITU-R Recommendation BT.2390 (www.itu.int/rec/R-REC-BT.2390)

SMPTE EG 432-1:2010 (ieeexplore.ieee.org/document/7289763)

SMPTE ST274.2008 (ieeexplore.ieee.org/document/7290129)

SMPTE ST2080-2.2014 (ieeexplore.ieee.org/document/7289952)

SMPTE ST2080-3.2017 (ieeexplore.ieee.org/document/7918583)

SMPTE ST 2084:2014 (ieeexplore.ieee.org/document/7291452)

EBU Tech 3320 (tech.ebu.ch/publications/tech3320)

Light Illusion - Viewing Environment & Calibration (www.lightspace.lightillusion.com/viewing_environments.html)

Light Illusion - Display Certification (www.lightspace.lightillusion.com/certification.html)

Light Illusion - Perceptual Colour Matching (www.lightspace.lightillusion.com/perceptual_colour_match.html)

EIZO White Paper - Color Matching Between sRGB Monitors and Wide Color Gamut Monitors (www.eizo.com.tw/support/wp/pdf/wp_08-002.pdf)

Sony White Paper - Color Matching Between OLED and CRT (www.dvinfo.net/wp-content/uploads/2014/07/WhitePaper_ColorMatching_2013-02-15.pdf)

CIE (2012) 2-deg CMFs (www.cvrl.org/database/text/cienewxyz/cie2012xyz2.htm)

CIE (2012) 10-deg CMFs (www.cvrl.org/database/text/cienewxyz/cie2012xyz10.htm)

X-Rite White Paper - Display Calibration Devices: Methods, Accuracy, and Cost

X-Rite White Paper - A Guide to Understanding Color

Ballestad, A., Boitard, R., Damberg, G. and Stojmenovik, G. (2019), Taking HDR Cinema Mainstream

2020.10.23 發布