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Tecniche di video digitale: cose da sapere sui dispositivi di riproduzione

14 Aprile 2020

Tecniche di video digitale: cose da sapere sui dispositivi di riproduzione

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Il monitor o il proiettore usati durante la color correction sono i principali riferimenti nella post-produzione per quanto riguarda la correttezza e coerenza dei colori. La scelta del dispositivo da usare è quindi della massima importanza.

Per scegliere un display occorre tenere in considerazione diverse caratteristiche: tecniche, pratiche ed economiche. Qui descriveremo le principali tecnologie attualmente presenti nel mercato.

LCD

I monitor LCD (liquid-crystal display) sono dispositivi a schermo piatto che sfruttano le proprietà dei cristalli liquidi, una classe di composti organici, scoperti già alla fine dell’Ottocento, in grado di assumere uno stato intermedio tra quello di un solido cristallino e quello di un liquido e che presentano molte proprietà meccaniche di un liquido e proprietà elettriche, magnetiche e ottiche simili invece a quelle dei cristalli.

I cristalli liquidi non emettono luce direttamente, ma sono in grado di modulare una sorgente di luce di retroilluminazione (backlight): sfruttando le proprietà ottiche di determinate molecole liquido-cristalline che in presenza di un campo elettrico si allineano con esso, si può alterare la polarizzazione della luce in un determinato senso.

In assenza di campo elettrico, la luce attraversa la struttura e l’apparecchio risulta trasparente. Quando il campo elettrico viene attivato le molecole del liquido si allineano parallelamente al campo elettrico, limitando la rotazione della luce entrante. Se i cristalli sono completamente allineati col campo, la luce che li attraversa è polarizzata perpendicolarmente al secondo polarizzatore, e viene quindi bloccata del tutto facendo apparire il pixel non illuminato. Controllando la rotazione dei cristalli liquidi in ogni pixel, si può regolare la quantità di luce emessa.

In questa modalità di funzionamento un pixel guasto apparirà sempre illuminato; altri tipi di pannelli funzionano all’opposto, cioè sono trasparenti quando accesi e opachi quando spenti, per cui un pixel guasto resta sempre spento (vedi la figura che segue).

Funzionamento di un pannello LCD

Funzionamento di un pannello LCD.

Ecco i principali tipi di pannelli LCD.

  • Wide Gamut CCFL: sono probabilmente quelli più comuni, per la natura delle sorgenti di illuminazione usate offrono un gamut maggiore delle altre soluzioni, fino a coprire quasi tutto lo spazio DCI P3. Richiedono un certo tempo di riscaldamento prima di essere usati e possono richiedere una ri-calibrazione abbastanza frequente. Hanno inoltre caratteristiche spettrali che li avvicinano ai proiettori da cinema che usano lampade allo Xenon.
  • White LED: sono più recenti dei monitor CCFL e rispetto a questi possono richiedere un minor tempo di accensione prima di raggiungere le condizioni ideali. Sempre rispetto ai CCFL hanno una minore estensione del gamut, circa il 75 percento del DCI P3, anche se più che sufficiente a coprire lavorazioni HD Rec.709. Sono più vicini a proiettori con lampade ai vapori di mercurio e sono sicuramente più stabili per quanto riguarda la calibrazione.
  • RGB LED: sono simili ai White LED, salvo che il pannello è illuminato da array di LED RGB, controllabili indipendentemente. Questi monitor hanno un gamut molto ampio e la capacità di fornire neri profondi e migliorare il contrasto dell’immagine. Sono monitor di fascia alta, mediamente più costosi e che possono coprire agevolmente sia il Rec.709 che il DCI P3. Richiedono come il CCFL un certo tempo di riscaldamento e frequenti ri-calibrazioni.

OLED

I monitor OLED (Organic Light Emitting Diode) usano una tecnologia che permette di realizzare display a colori con la capacità di emettere luce propria: a differenza degli LCD, i display OLED non richiedono retroilluminazione per essere illuminati ma sono in grado di produrre luce propria. Questo permette di avere neri molto profondi e in ambienti poco luminosi possono raggiungere elevati livello di contrasto.

Un display OLED può esser di tipo a matrice passiva (PMOLED) o attiva (AMOLED). Nei monitor PMOLED ogni linea dello schermo è controllata sequenzialmente, mentre negli AMOLED è possibile comandare i pixel individualmente, permettendo quindi maggiori risoluzioni e schermi più grandi.

Al momento questi monitor sono più costosi dei LED tradizionali, ma offrono grandi vantaggi: leggerezza e flessibilità, ampio angolo di visione (quasi 90° dalla normale), ottima resa dinamica e contrasto, saturazione dei colori, tempo di risposta.

Può accadere che si usino più monitor di diversa tecnologia nello stesso ambiente di post-produzione: in certi casi e solo per alcune persone, può accadere che, anche se due monitor sono stati calibrati e sono virtualmente identici, le immagini dei due display siano percepite in maniera differente. Questo fenomeno è chiamato fallimento del metamerismo ed è stato identificato in tempi abbastanza recenti, probabilmente a causa delle nuove tecnologie che si sono succedute in così poco tempo, e soprattutto in seguito all’introduzione degli schermi OLED.

Ogni schermo e ogni tecnologia usano sorgenti luminose che possono avere differenti componenti nello spettro visibile. Le funzioni del modello CIE 1931 permettono di definire quelle combinazioni di primari che generano la stessa sensazione visiva (metamerismo). In presenza di bande di emissione molto strette, però, può accadere che alcune persone, sensibili alla presenza di particolari componenti cromatiche, percepiscano le due immagini in maniera differente, quando le osservino su due monitor affiancati. Quando la stessa persona guarda l’immagine su un monitor isolato, di solito accade che questa differenza di percezione scompaia.

Nel corso degli anni è stato proposto l’uso di nuove funzioni al posto di quelle del modello CIE 1931: il modello attualmente più utilizzato è quello di Judd-Vos, che prevede una correzione del punto di bianco in fase di calibrazione.

Video proiettori

La post-produzione di prodotti destinati al cinema andrebbe effettuata usando proiettori digitali, in modo da riprodurre la proiezione su grande schermo. I proiettori digitali funzionano focalizzando la luce di una sorgente luminosa su uno schermo per mezzo di un sistema ottico.

Le tecnologie più adatte al lavoro di color correction sono basate su Digital Light Processing (DLP); quelle basate su LCD e l’unione delle due precedenti si definiscono Liquid Crystal on Silicon (LCOS).

Proiettori DLP

I proiettori DLP (Digital Light Processing) si basano su una tecnologia brevettata dalla Texas Instruments nel 1987. Nei proiettori DLP la luce viene riflessa da un singolo chip DMD (Digital Micromirror Device) composto di tanti piccoli specchi. Tra questo chip e la sorgente luminosa è posta una ruota colore formata dai tre colori primari RGB. Sistemi più recenti usano invece i tre colori della sintesi sottrattiva ciano, magenta e giallo (CMY).

Principio di funzionamento di un proiettore DLP

Principio di funzionamento di un proiettore DLP.

Il chip DMD è sincronizzato con la rotazione della ruota colore, in modo che la componente rossa dell’immagine sia prodotta dal chip quando la ruota è nella posizione rossa; lo stesso accade per le componenti verde e blu.

I colori sono quindi proiettati sequenzialmente in maniera così veloce da generare nell’occhio umano la sensazione dell’immagine completa (sommata). Le ruote colore di proiettori di ultima generazione possono raggiungere velocità di rotazione pari a oltre 10 volte il frame rate.

Il livello dei neri e il contrasto di un proiettore DLP dipendono da come viene dissipata la luce all’interno del dispositivo: migliori sono l’assorbimento e le schermature all’interno del proiettore, migliori saranno le prestazioni.

In questi proiettori l’immagine viene creata sullo schermo per la sovrapposizione delle singole sotto-immagini e può avere una dominante di colore, il che può a volte generare, solo per alcune persone, quello che è conosciuto come effetto arcobaleno (rainbow effect), che si manifesta con lampi di colore attorno alle immagini. L’effetto arcobaleno non è presente nei proiettori che usano tre chip.

Proiettori LCD

Adottando una tecnologia simile a quella dei monitor a cristalli liquidi, questi montano davanti alla lampada tre piccoli display a cristalli liquidi, uno per ogni colore primario. La stessa immagine si forma su ognuno di questi tre pannelli simultaneamente, quindi per mezzo di un prisma le immagini vengono combinate e proiettate sullo schermo (in figura).

Proiettore LCD

Proiettore LCD.

Proiettori LCoS

I proiettori basati su LCoS, infine, coniugano elementi dei due precedenti. La proiezione viene riflessa su tre chip DMD, come avviene per i proiettori DLP, ma, anziché mediante la ruota colore, l’immagine viene creata in maniera analoga al sistema LCD: le tre immagini primarie vengono sovrapposte per mezzo di un prisma, posto davanti all’obiettivo.

Le sorgenti luminose che possono essere usate nei proiettori sono basate su lampade allo xenon, a vapori di mercurio, sorgenti LED e laser. Se si usano lampade allo xenon può succedere che con il tempo la temperatura di colore di esercizio tenda a diventare più calda.

Caratteristiche dei display

Raccomandazioni per monitor

La raccomandazione EBU 3325, dell’Operating Eurovision and Euroradio, definisce i parametri che devono caratterizzare i monitor professionali usati in produzioni televisive.

I monitor professionali (definiti broadcast) sono utilizzati per valutare e controllare le immagini prodotte, quindi devono garantire l’affidabilità e la ripetibilità dei risultati del processo produttivo. Come tali non devono intervenire in alcun modo sul segnale.

Nello standard vengono anche definiti monitor di riferimento HDR, di cui viene però riconosciuto un livello ancora non del tutto maturo.

Sono definite tre categorie: Grade 1, 2 e 3.

I monitor Grade 1 sono quelli di livello più elevato e devono garantire il massimo grado di qualità e affidabilità. Sono quelli usati sul set, o in post-produzione e per la color correction.

I monitor Grade 2 e 3 sono monitor di qualità e prezzo inferiore usati in situazioni meno delicate dal punto di vista della correttezza della rappresentazione e possono essere previsti, per esempio, per il montaggio e per funzioni di controllo e visualizzazione non critiche per quanto riguarda la gestione del colore.

I monitor Grade 1 devono avere le caratteristiche seguenti.

Monitor SDR Grade 1

  • Luminanza massima: 70-100 cd/m2.
  • Livello dei neri: minore di 0.05 cd/m2.
  • Rapporto di contrasto: 2000:1 a 100 cd /m2.
  • Gamma: 2.4.
  • Temperatura colore: 6500 K (D65).

Monitor HDR Grade 1

Al momento dell’ultima versione dello standard non esistono ancora monitor Grade 1 HDR che siano in grado di gestire la totalità dello spazio colore Rec.2100 a 10000 nit. Sono quindi state definite due sotto-categorie, Grade 1A HDR e Grade 1B HDR: quest’ultima ha prestazioni inferiori e dovrebbe essere eliminata nelle prossime versioni dello standard, quando si prevede la maturità dei monitor HDR.

  • Luminanza massima:
    – Grade 1A e 1B HDR HLG: 1000 cd/m2;
    – Grade 1A e 1B HDR PQ: 1000 cd/m2.
  • Livello dei neri: 0.005 cd/m2.
  • Gamut:
    – 1A HDR 90 percento del Rec.2020;
    – 1B HDR 60 percento del Rec.2020;
    – 1A e 1B 100 percento del Rec.709.
  • Rapporto di contrasto: maggiore di 10,000:1.
  • Gamma: secondo Rec.2100.
  • Temperatura di colore: 6500 K.

Il rapporto di contrasto è considerato la caratteristica più importante in un monitor per la color correction. Un’ampia estensione dei toni luminosi dal bianco ai neri e una sua corretta riproduzione sono fondamentali per valutare le immagini su cui si lavora.

Un tempo solo i monitor tradizionali a tubo catodico erano in grado di produrre neri profondi; ora però sono stati completamente soppiantati da monitor a schermo piatto LCD e OLED.

Un buon monitor professionale dovrà inoltre avere un set completo di funzioni e comandi di configurazione, e deve almeno supportare i parametri Brightness, Contrast, Chroma, e Blue Only.

Deve inoltre gestire un buon numero di interfacce, tra cui almeno alcune SDI, HD-SDI e 3D-SDI e HDMI.

Molti monitor inoltre offrono soluzioni integrate per la calibrazione, inclusa la possibilità di caricare delle 3D LUT.

Standard di riferimento

I tre standard di riferimento più utilizzati oggi sono:

  • BT.601, standard della televisione tradizionale (Standard Definition, SD);
  • BT.709: per la televisione HD;
  • DCI P3, standard di proiezione cinematografica.

Profondità di bit

Nell’ambito dei display le profondità di bit del segnale in ingresso gestito sono di solito impostate a 8, 10 e 12 bit.

La proiezione cinematografica prevede un segnale codificato a 12 bit, mentre in ambito video le risoluzioni sono a 8 e 10 bit. Negli apparecchi consumer di solito sono gestiti gli 8 bit, mentre gli apparecchi professionali dovrebbero essere in grado di gestire i 10 bit.

I 10 bit garantiscono che nelle zone con gradienti di colore non insorgano fenomeni di banding e quindi portano con sé una maggiore accuratezza e precisione nella rappresentazione del colore.

Temperatura di colore

I due principali riferimenti sono dati da:

  • 6300 K: standardizzata dalla DCI come riferimento per i proiettori digitali cinematografici;
  • 6500 K (D65): Standard previsto per la televisione SD e HD in America e Europa. In Asia la temperatura di colore prevista è 9300 K.

Valori gamma standard

  • 2.6: gamma standard per la proiezione cinematografica in una sala al buio senza nessun tipo di luce ambiente.
  • 2.4: per monitor HD, come descritti dal BT.1886. È previsto che il monitor sia guardato in un ambiente pochissimo illuminato (fino al 10 percento).
  • 2.2: televisione consumer, previsto per essere guardato in ambienti più luminosi, dal 5 al 20 percento, corrispondenti al salotto di casa e ambienti di lavoro/ufficio.
  • sRGB 2.2: è leggermente diverso dallo standard usato per le TV ed è comunemente utilizzato dai computer con sistemi operativi Windows e macOS.

Questo articolo richiama contenuti dal capitolo 9 di Tecniche di video digitale.

unsplash-logoImmagine di apertura di Jonathan Ybema

L'autore

  • Piervincenzo Nardese
    Piervincenzo Nardese, ingegnere elettronico, dopo diversi anni nell'industria IT e delle telecomunicazioni ha iniziato a lavorare nel settore audiovisivo come Data Manager, Digital Imaging Technician (DIT) e consulente digitale. Ha lavorato a film, serie TV per Sky, documentari, cortometraggi e spot pubblicitari, occupandosi della produzione audiovisiva sia durante la fase di ripresa sia in ambito di post-produzione. Collabora con la Scuola di Cinema "Sentieri Selvaggi" di Roma.

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