FRC fixar färgerna som inte finns – teknikstund om färgdjup på skärmar

Färgdjupet är den teoretiska gräns för hur många nyanser skärmen kan alstra, men hur denna gräns nås är något annat i praktiken. Thomas går igenom tekniken FRC och bildskärmars färgdjup.

Så gott som alla skärmar avsedda för kontor och konsumenter använder sig av ett 8 bitars system, vilket innebär att varje nyans av röd, grön och blå kan alstras i 256 steg vardera. I teorin då. Vilket motsvarar 16,7 miljoner färger. Med nyans menas ett åtskilt steg av olika ljusstyrka eller luminans. Något som i detta sammanhang brukar kallas för diskret. Diskret ur ett matematiskt perspektiv. Inte att skärmen är lågmäld eller liknande.

Bitdjup

nyanser per
R, G och B

Total mängd ”färger”

6 bitar

64

262 144

8 bitar

256

16 777 216 – 16,7 miljoner

10 bitar

1 024

1 073 741 824 – 1,07 miljarder

12 bitar

4 096

68 719 476 736 – 69 miljarder

I teorin då. För detta är den digitala domänen och hur informationen är utformad. Hur denna diskreta information sedan omvandlas till fysiskaliskt ljus är en helt annan sak och betydligt mer komplex. Hur den ena skärmen fungerar är därför inte samma sak som den andra skärmen, trots att båda i all mening är ”8 bitar”

För TV-apparater brukar termen ”Deep Color” förekomma för allt över 10 bitar eller mer. Det förekommer också att man räknar ihop R, G och B så att 8, 10 och 12 bitars färg beskrivs som 24, 30 respektive 36 bitar.

FRC approximerar fler nyanser

Tekniken för att skapa fler nyanser än vad LCD-kristallerna kan vrida sig till kallas idag för FRC, Frame Rate Control och baseras på att panelens begränsade precision kompletteras med olika former av halvtoner. Dessa halvtoner existerar både som mönster över ytan och i fråga om sekvenser av nyanser där pixlarna alternerar mellan nyanser i tiden, alltså temporalt.

bitdjup_potserisering.png

Posterisering är tydliga steg mellan nyanser och ett tecken på att skärmen inte kan alstra tillräckligt med precision för att återge alla färger. Detta oavsett vad som står i specifikationen

En skärm som beskrivs som ”8 bitar” eller ”16,7 miljoner nyanser” kan alltså vara upp till 8 bitar av faktisk precision i hur olika nivåer av ljus regleras i panelen. Men mer vanligt är att det är en lägre precision i praktiken och resten efterliknas eller approximeras genom FRC. Typiskt är att det i själva verket är 6 bitars precision med 2 bitar FRC, eller ”6 bit+FRC”.

Och du vet inte vad baserat på vad som står i en specifikation. Du måste jämföra skärmarna på plats och se själv på bilden. Och en skickligt genomförd 6 bit+FRC kan mycket väl ge ett bättre resultat än 8 "äkta bitar” utan FRC. Det handlar väldigt mycket om bättre och sämre produkter vilket en specifikation sällan avslöjar.

Fortfarande analogt i slutändan

Få skärmar är verkligen kapabla till att översätta alla nivåerna till nivåer av ljus som kommer ut från panelen. LCD är en helt analog teknik som bygger på att kristallen vrider sig och släpper igenom polariserat ljus. Hur mycket ljus den släpper igenom baseras på den spänning som appliceras över kristallen.

TV, skärm, LCD, OLED – samma sak

Samma sak gäller också OLED även om det är andra förhållanden som råder där. Panelen är fortfarande analog och ljusstyrkan baseras på den spänning som appliceras. Men också på den respons hos såväl OLED-dioderna som LCD-kristallerna ger. Syftet för en skärm idag är följa en potensfunktion mellan signalnivå in och ljusstyrka ut ur skärmen.

Det vill säga att efterlikna hur ett bildrör fungerar. CRT-skärmen är normen som utgör vår standard för färger. En OLED eller en LCD kan endast emulera detta. Förutom när vi talar om HDR. Men nu är detta lite överkurs för en enda teknikstund. Hur som helst är det mer komplext än man kanske väntar sig.

Det måste till en D/A-omvandling som översätter signalens diskreta nivåer till en spänning över kristallerna som leder till förväntat ljusgenomsläpp. Vilket är mycket svårare eller tja – dyrare – än man kanske tror.

Den här precisionen är i praktiken något annat. 8 bitar och 16,7 miljoner färger är endast teoretiska siffror, verkligheten är något annat. Även om skärmen verkligen försöker reglera ljusgenomsläppet med 256 steg per R, G och B är det en helt annan sak vad som uppnås i praktiken.

bitdjup_8_bitar_simulerad.png

8 bitars precision och denna bild är så bra som din skärm. Ungefär.

bitdjup_6_bitar_simulerad.png

6 bitars precision – överdrivet för att bli tydligt

bitdjup_6_bitar+FRC_simulerad.png

6 bitar med halvtonsmönster

Klarar inte panelen att alstra alla nyanser som finns i signalen uppstår posterisering. Det uppstår för tydliga skillnader mellan nyanserna. Detta kallas ofta för ”bandning” eller ”color banding”. Men det är många fel som kallas för bandning. Posterisering är den tekniska beskrivningen. Våra ögon är för övrigt så känsliga för skillnader i ljusnivå att 8 bitar per färg inte räcker till. Även en perfekt 8 bitarsskärm kommer att ge posterisering.

Färgstandarder som Rec.709 och sRGB är 8-bitarssystem och avsedda för att täcka in en begränsad del av det synliga spektrat och ett begränsat dynamiskt omfång. HDR10 använder (minst) 10 bitar och vinner på fler bitar. Det är en större del av det synliga ljuset som ska beskrivas både i fråga om färgomfång och dynamiskt omfång.

Halvtonsmönster och temporala

Eftersom varje panel ger något godtyckligt i fråga om hur många nivåer av ljus den kan alstra så försöker tillverkarna approximera ett högre bitdjup. Når man inte 256 faktiska åtskilda steg av färg i panelen kan man i alla fall försöka efterlikna den precision som önskas. Det finns två grundläggande sätt som ofta låter sig kombineras för att approximera högre färgprecision.

Den ena metoden är halvtonsmönster där man försöker åstadkomma en nyans genom att i mönster blanda färger i strukturer så att det för ögat smälter ihop till den önskade färgen. Kallas ofta för dither i engelska och mer sällsynt för ”gitter” på svenska. Arbetar du med GIF- och PNG-filer är detta ofta bekanta ämnen.

bitdjup_halvton_datorgrafik.png

Exempel på halvtoner, dither, i datorgrafik. Äldre skärmar kan påminna om detta

Och kanske minns du din gamla spelskärm från förr – eller en hyfsat modern spelskärm – där denna typ av mönster dyker upp statiskt över skärmen här och där. Det är alltså ett exempel på hur skärmen försöker kliva förbi den begränsade precisionen i LCD-panelen och approximera fler bitar. De nyanser som inte kan skapas i panelen försöker man åstadkomma genom halvtonsmönster.

Tillverkarna har blivit mycket bättre på att hantera detta och nyare skärmar undviker ofta den här typen av synliga mönster. Men vi ser det fortfarande på många skärmar, även sprillans nya.

FRC och temporala halvtoner

Halvtonsmönster fungerar bättre än vad man kan tro, men fungerar då endast på stora ytor av samma färg. Du kan aldrig få en individuell eller ens ett par pixlar att ändra sig på detta sätt. Där ha vi metod två där vi tar ytterligare en dimension som står oss till buds: Tiden eller temporalt.

Genom att alternera en och samma pixel mellan två närliggande nyanser kan vi alstra en för ögat tredje nyans som panelen själv kanske inte kan skapa. Om panelen kan alstra diskreta steg som ger 6 nits eller 8 nits kan vi fortfarande alstra 7 nits genom att låta pixeln varierar mellan dessa två nivåer hela tiden. Här är det en fördel med högre panelfrekvens, då en 120 Hz-panel kan alstra en temporal nyans i 60 Hz. Jämfört med 30 Hz för en 60 Hz-panel.

bitdjup_6_bitar+FRC_simulerad.png

6 bitar med halvtonsmönster

bitdjup_8_bitar_simulerad.png

8 bitars precision och denna bild är så bra som din skärm. Ungefär.

bitdjup_6_bitar_simulerad.png

6 bitars precision – överdrivet för att bli tydligt

Den som används i moderna skärmar kallas då FRC, Frame Rate Control. Märklig term kan tyckas, men den är vedertagen. Med FRC åsyftas att panelen har en lägre faktiskt precision i hur den kan reglera ljuset i exakta steg. Då kombineras denna precision med olika metoder för att alstra nyanser skärmen faktiskt inte kan skapa på egen hand.

Hur detta ser ut är väldigt olika från skärm till skärm. Det kan på en sämre skärm se ut som ett svagt flimmer, då det bokstavligen är ett svagt flimmer. Det kan också vara en kombination av temporala mönster och statiska mönster. Ofta är det i mörka nyanser vi märker detta som tydligast.

Testmönster och fler förklaringar

Testmönster och ytterligare förklaringar finns en bit ned på denna sida: http://www.lagom.nl/lcd-test/black.php

Så fungerar det idag

När du läser om en skärm – eller en TV – som har 8 bitar eller 10 bitar idag så är det högst troligt att skärmen har en faktiskt precision som är lägre och de sista bitarna approximeras. Så räkna med att spelskärmen som kallas ”8 bitar” i själva verket använder 6 bitars precision med 2 bitars approximering. Detta kallas då 6 bit+2 bit FRC.

Samma sak med skärmen som kallas ”10 bitar” som i själva verket använder 8 bitars precision med 2 bitars approximering. Alltså 8 bit+2 bit FRC. Det är få skärmar som ger äkta 10 bitars precision och dessa finns främst hos paneler vilka används på yrkesskärmar.

Sedan finns det gott om paneler som verkligen ger 8 bitars precision. Detta är dock ingen garanti för att det faktiskt är exakt 256 steg som kan uppnås per R, G och B. De flesta skärmar ger posterisering som tyder på att precisionen inte är hela vägen till 8 bitar. Fortfarande är det skillnad på skärm och skärm. Innan du sett skärmen eller kan läsa ett genomgripande test går det inte att säga hur bra den här.