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Medición y calibración de color de pantallas profesionales

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Con los últimos avances tecnológicos aportados por las pantallas que utilizan fuentes de luz LED, los problemas de uniformidad, precisión y calibración de color han recobrado importancia. En el presente artículo se expone que el uso de sensores de color triestímulo no resulta satisfactorio en lo relacionado con dichas pantallas: para garantizar una representación y calibración del color precisas se necesita un espectrómetro.

En muchas aplicaciones profesionales en las que se utilizan pantallas, la uniformidad, la calibración y la estabilidad del color revisten una gran importancia. Por ejemplo, los vídeo walls para aplicaciones de señalización digital o salas de control deben ser uniformes para transmitir la información correctamente. Si las ‘tiles’ o ‘cubos’ que forman un vídeo wall no son uniformes, se ocasiona una distorsión en el contenido que se intenta presentar en el dispositivo, lo cual puede provocar, desde molestias para el operador, hasta la interpretación errónea de la información (posiblemente crucial). Un vídeo wall con mala uniformidad provoca también una mala impresión a quien lo visiona. El proceso de lograr que las «tiles» diferentes sean uniformes entre sí se conoce como calibración relativa, o uniformidad de pantalla.
En otras aplicaciones profesionales, no solo la uniformidad de la pantalla, sino también la representación real del color, deben ser lo más correctas posibles. Esto se conoce como calibración absoluta. Como ejemplo, podemos citar un monitor de referencia para emisiones de televisión que se use en pruebas de calidad y como referencia general en estudios de televisión. Además, los display walls que se usan como fondo en un estudio de TV no solo deben ser uniformes (calibración relativa) sino que también deben estar calibrados respecto a un patrón absoluto que coincida con las luces del estudio. En un sector similar, un estudio de postproducción debe asegurarse de que la gradación de color de la pantalla se vea igual cuando se traslade al negativo.
En el campo de la  imagen médica, las pantallas que se usan en aplicaciones de entorno crítico deben mostrar una escala de grises y de color correcta, para transmitir adecuadamente la información de TAC, rayos X u otras pruebas médicas. La interpretación errónea de la imagen puede resultar nefasta para el paciente.
En cualquier caso, al hablar de uniformidad y exactitud de la pantalla, es conveniente que estos parámetros de color sean estables a lo largo del tiempo. Una pantalla que no es estable se debe recalibrar a intervalos regulares o, en los casos más críticos, antes de cada uso. Con ello se incrementa, por supuesto, el coste de mantenimiento. Además, la calibración supone una interrupción del trabajo, lo cual, en algunos casos (uso las 24 horas del día, los 7 días de la semana), no es posible.
Es evidente que para los profesionales de estos sectores la medición de color correcta y cuidadosa constituye una necesidad.

Un Nuevo factor en la ecuación: Iluminación LED

Hasta ahora, los usuarios de pantallas profesionales se han tenido que conformar con los equipos de medición de color y pantallas existentes. ¿Qué ha cambiado para que debamos abordar este tema otra vez? La respuesta es el LED (diodo emisor de luz). El LED es una fuente de luz inorgánica de estado sólido. Cada vez más, las pantallas LCD utilizan luces de fondo LED en lugar de lámparas CCFL (los aparatos de TV basados en LED se están vendiendo más que las CCFL tradicionales, incluso con un precio mayor1).  En 2009 se han lanzado también al mercado los primeros proyectores DLP con iluminación LED, y se espera que los LED ecológicos sustituyan pronto a las lámparas de vapor de mercurio UHP. Por lo tanto, es importante volver a considerar los conceptos básicos y analizar los desafíos que entraña esta nueva tecnología LED en cuanto a la calibración del color de las pantallas.
Brillo y vida útil
Se sabe que los LED tienen una vida útil mayor que su equivalente UHP en proyección. La producción lumínica de las lámparas es el principal parámetro que se tiene en cuenta en lo que a la vida útil se refiere2,3. Mientras que las lámparas UHP pueden durar hasta 10.000 horas de promedio y pueden quemarse en cualquier momento, las luces de fondo LED y las lámparas CCFL:
a) Tienen una vida útil estimada de 40-50.000 horas (con brillo medio).
b) Por lo general no fallan de modo ‘catastrófico’. Seguirán funcionando incluso después de la vida útil estimada, aunque quizás no sea posible usarlas porque el brillo va a ser demasiado bajo.
Rendimiento de color con el transcurso del tiempo
No todos saben que el rendimiento de color de la iluminación LED en realidad es más susceptible a los cambios de temperatura, corriente conductora y envejecimiento que las pantallas tradicionales. Mientras que la iluminación CCFL y UHP, al igual que los sistemas fluorescentes CRT, en su mayoría solo presentan una ligera disminución en brillo y un cambio de cromaticidad  (UHP, CCFL) o ningún cambio en absoluto (CRT); con los LED, el brillo de  los colores disminuye y la cromaticidad cambia considerablemente 4.
Para profundizar un poco más analizaremos el espectro de diferentes fuentes de iluminación de pantalla (Imagen 1). Un espectro es una función que depende de la intensidad de la luz y de la longitud de onda. A continuación, se establece una comparación entre la tecnología LED y de lámpara en dos gráficos, correspondientes a LCD (comparando CCFL con LED) y a DLP (comparando UHP con LED). El espectro de la lámpara se representa con una fina línea azul y el espectro LED con una línea discontinua magenta. La intensidad se muestra en unidades arbitrarias.
CRT (Tubo de Rayos Catódicos)
El CRT contiene puntos de fósforo rojos, verdes y azules que emiten luz cuando un haz de electrones guiado impacta en ellos. Aunque el color de estos puntos de fósforo no se ve alterado con el paso del tiempo, su brillo sí que disminuye, lo cual provoca un oscurecimiento de la pantalla. Dado que los distintos puntos de fósforo pueden ver reducido su brillo con mayor o menor rapidez, el balance de blancos se acaba desplazando con el tiempo. Así que el principal desafío en CRT consistía en mantener la temperatura de color (balance de blancos).
Lámpara (CCFL o UHP)
Con el transcurso del tiempo o una mayor temperatura, la intensidad de los diferentes picos espectrales de la lámpara disminuye. La longitud de onda del pico y la anchura del mismo también cambian, pero la disminución de brillo de los primarios es predominante. A efectos prácticos, podemos pasar por alto el cambio de cromaticidad.
LED
El espectro LED tiene un comportamiento diferente al de los puntos de fósforo y las lámparas. Con el tiempo y/o el aumento de temperatura, los picos espectrales de LED a) se reducirán; b) se extenderán; y c) se alterarán a diferentes longitudes de onda, todo al mismo tiempo. La reducción está relacionada con la disminución de brillo y un cambio del «white point» o punto blanco. La alteración y la extensión originan cambios de cromaticidad. Además, el único modo de controlar el brillo de un LED es modificando la corriente que lo atraviesa. Pero una corriente diferente significa una temperatura local diferente, de modo que esto vuelve a cambiar el espectro. Por lo tanto, el resultado final del envejecimiento del LED es un menor brillo, un desplazamiento del balance de blancos, y la cromaticidad alterada de los colores primarios y todos los demás colores intermedios. En la siguiente imagen se aprecia que la longitud de onda del pico cambia con la temperatura del LED (unión)4.
Vemos que por cada 10°C, la longitud de onda del pico se altera en unos 2 nm. El cambio parece insignificante, pero de hecho puede contribuir a un cambio muy visible en el color que se percibe.
Ejemplo

Imagen 1. Izquierda: Comparación entre espectro CCFL y LED en un LCD. Derecha: Comparación entre espectro UHP y LED en un proyector DLP.

Imagen 1. Izquierda: Comparación entre espectro CCFL y LED en un LCD. Derecha: Comparación entre espectro UHP y LED en un proyector DLP.

Imagen 3.
Izquierda – imagen original
La imagen original (en la izquierda) se vería en una pantalla nueva recientemente calibrada.
Segunda columna – pantalla envejecida, sin calibración
En todas las pantallas, el brillo disminuye con el tiempo. Lo que cambia es lo que varía el color. En una pantalla basada en LED, los colores primarios cambian (el tomate en realidad parece menos maduro a pesar del envejecimiento…). También el balance de blancos se vuelve más amarillento porque el LED azul tiene una disminución de brillo más rápida.
En una pantalla de lámpara cambian tanto el punto blanco como la cromaticidad, pero menos que en la pantalla LED, lo que produce un color rojo más similar al original.
En un CRT (tercera fila), el balance de blancos puede cambiar y el brillo disminuye, pero la cromaticidad de los primarios no cambia.
Tercera columna – pantalla envejecida, con compensación del balance de blancos
Para poder corregir el cambio del balance de blancos, casi todas las pantallas profesionales utilizan un sensor monocromo. Este sensor sólo mide el brillo de los colores primarios, pero no su color. El punto blanco se calcula en función de las supuestas cromaticidades primarias. En realidad solamente algunas pantallas usan un sensor de color. Como se explicará mejor en el próximo capítulo, estos sensores de color son lo bastante eficientes como para medir el brillo de los colores primarios y el brillo y la cromaticidad del blanco. Usando el sensor de color (tercera columna en la imagen 3), el balance de blancos neutral se corrige aunque no perfectamente.
El cambio real de color de los primarios no se puede medir correctamente con un sensor de color. En consecuencia se generan colores erróneos en el caso de una pantalla con lámpara, y más aún en una pantalla basada en LED.
Si bien no podemos evitar la disminución de brillo de una lámpara, de los puntos de fósforo CRT o de un LED, seguramente nos gustaría conservar al menos el balance de blancos y los colores, como se representa en la cuarta columna. ¿Es posible? La respuesta es sí. Solo necesitamos el equipo de medición adecuado.
Medición de color
Lo que se pretende con una medición de color que tenga sentido es representar el color con unos términos que se comprendan fácilmente. La luz, por su naturaleza física, se compone de ondas electromagnéticas con diferentes longitudes de onda e intensidades. De modo que la principal medición de la luz consiste en generar un espectro. No obstante, este espectro no nos dice si un color es marrón, amarillo, púrpura, blanco, azul, turquesa, verde, etc.
Necesitamos un modo más simple de representar el color. Para ello, examinemos el sistema visual humano. El ojo humano tiene tres tipos diferentes de receptores, responsables, en líneas generales, de las zonas de luz azul, verde y roja. Cada receptor detecta la intensidad total de la luz dentro de su zona, de modo que cada receptor funciona por aproximación como un filtro de color, y así obtenemos una impresión del color mezclando tres luces diferentes. Las respuestas de estos ‘filtros’ para un observador humano promedio se han medido y normalizado. Se denominan Funciones de Combinación de Colores (CMF) (Imagen 4) y fueron normalizadas por el comité CIE en 19315.
De acuerdo con lo expresado en el párrafo anterior, existen tres modos de medir el color. La mejor manera de hacerlo es utilizando un espectrómetro. Medir el espectro, aplicar las CMF normalizadas, y obtener una medición de color en términos de tres parámetros significativos. Esta es la medición más exacta. Otra manera (más económica) es utilizar un dispositivo que use filtros con exactamente las mismas características que las CMF para medir la luminosidad de cada porción filtrada, y obtener un conjunto de 3 parámetros. Este es el principio de los sensores de color triestímulo. La tercera forma, con el grado de abstracción y aproximación más alto, es medir el brillo esencial de los colores primarios. Este método no genera ninguna información de color, pero, si se conoce el espectro con anticipación, y suponiendo que no cambie mucho, también podría ofrecer una aproximación a la cromaticidad. Analicemos con más detalle los tres métodos de medición.
Sensor monocromo
Es el método más simple y consiste en medir el brillo de los colores primarios mediante un sensor de luz monocromo. Por ejemplo, en el caso de un proyector DLP que use una lámpara y una rueda de color, este sensor mediría a su vez el brillo de la luz R, G y B (rojo, verde y azul) transmitida a través de la rueda de color. En el caso de un sistema LED, el sensor monocromo (o tres sensores, según la estructura) medirían la intensidad de la luz LED R, G y B (rojo, verde y azul). El supuesto que aquí exponemos es que las características del filtro de color, al igual que el espectro de luz de la fuente, se conocen con anticipación y no cambian. De todos modos, si el espectro no cambia, no necesitamos medirlo y corregirlo en tiempo real. Como ya se explicó, el espectro en realidad cambia significativamente con el tiempo y la temperatura. Como el sensor monocromo mide la intensidad total de la luz sin tener en cuenta la forma y el cambio del espectro, dicho sensor apenas puede corregir la temperatura de color del blanco, y mucho menos la cromaticidad de los primarios. En conclusión, un sensor monocromo no se puede usar para garantizar una buena uniformidad visual en un display wall, ni tampoco una gran precisión en una pantalla de visión directa.
Sensor triestímulo
El principio básico de un sensor triestímulo es que las características de sus filtros de color coincidan exactamente con las CMF. De todos modos, esto es imposible con la actual tecnología del filtro de color. En el mejor de los casos, los filtros de los sensores del color siguen la vía marcada por las CMF, pero continúan mostrando desviaciones importantes (La imagen 4 muestra la respuesta de un sensor triestímulo típico comparado con las CMF).
Esta desviación significa ante todo que debemos ser cuidadosos con la interpretación de los resultados de la medición con ese sensor, ya que presentan considerables errores en comparación con la medición realizada con un espectrómetro. Además, como esta desviación no es la misma para todas las longitudes de onda, el resultado de la medición y el error dependerán del tipo de espectro de luz (la posición del pico de longitud de onda, la anchura de los picos), e incluso de los cambios en el espectro de la misma fuente de luz.
En la actualidad, este error se puede minimizar calibrando un sensor de color directamente contra un dispositivo de pantalla determinado (espectro). De esta tarea se encargan los fabricantes de sensores de color. La diferencia entre las lecturas de un espectrómetro y un sensor de color se almacena en el propio sensor de color, y se utiliza como un factor de corrección en posteriores mediciones del sensor de color. Este método nunca producirá resultados exactos, pero en la práctica puede ofrecer resultados aceptables siempre que el espectro de la pantalla no sea muy diferente del espectro que se ha utilizado para calibrar el sensor. Solo es aplicable a pequeños cambios en la forma del espectro.
Sensor triestímulo y pantallas CRT
El CRT produce luz haciendo brillar puntos de fósforo con una cromaticidad fija. Lo que cambia es la intensidad (brillo) de los puntos de fósforo. Un sensor triestímulo que se haya calibrado de manera directa para ser utilizado con CRT solo necesita detectar el cambio de brillo de los puntos de fósforo. Luego, es fácil calcular las correcciones de ganancia para los tres cañones de electrones (R, G, B), y obtener un balance de blancos correcto. De modo que en las pantallas CRT, un sensor triestímulo realiza la calibración bastante bien.
Sensor triestímulo y pantallas con lámpara
En el caso de la iluminación con lámpara, el espectro tiene muchos picos, pero éstos no cambian demasiado. Los picos, en la mayoría de los casos, tienden a ver reducido su brillo. Un sensor triestímulo puede detectar una reducción de brillo de cada color primario. Estabilizar el punto blanco no es muy complicado. La medición absoluta puede ser propensa a errores, pero, en términos relativos (entre diferentes pantallas, o en comparación con una medición anterior), el punto blanco será bastante uniforme. De modo que, en el caso de pantallas con lámpara, el sensor triestímulo del color realiza una labor aceptable, si consideramos la relación entre costes y beneficios.
Sensor triestímulo y pantallas LED
El espectro de los LED de estado sólido se comporta de modo irregular con el paso del tiempo: los picos se expanden, se reducen y se alteran, lo cual provoca cambios de cromaticidad y brillo. Los LED envejecen de modo diferente. Para poder estabilizar el brillo, se ha de modificar la corriente, con lo que el espectro de ve de nuevo afectado. La medición de color LED absoluta con un sensor triestímulo es imposible, pero incluso la calibración relativa del display wall supone un desafío, porque cada emisor tiene diferente espectro.
Espectrómetro
De modo que el sensor triestímulo es bueno para algunas pantallas (CRT), bastante bueno para otras (lámpara), pero no lo es para las pantallas LED. Otra opción es usar un espectrómetro. Analiza la luz entrante: utiliza un prisma o una red de difracción para formar un ‘arco iris’: dividir la luz en longitudes de onda. Acto seguido, esta luz incide en una matriz CCD o CMOS que contiene muchos sensores. Cada sensor lee la intensidad de un intervalo de longitud de onda estrecho, y de este modo se obtiene una medición exacta de la distribución espectral. A partir de este espectro, utilizando cálculos colorimétricos con valores teóricos, se obtiene un conjunto de tres valores RGB o XYZ con la máxima exactitud posible. Como la luz entrante no se filtra previamente como en un sensor de color, cualquier cambio del espectro de luz se medirá con precisión. De modo que, incluso si el espectro LED presenta cambios de intensidad, alteraciones de longitud de onda o ampliación de picos, o bien se comporta de modo distinto en diferentes lotes de LED (viejos y nuevos), el espectrómetro captará cualquier mínima diferencia y facilitará mediciones exactas en todo momento.
En resumen, el espectrómetro es el único dispositivo de medición suficientemente preciso para pantallas con una fuente de luz LED. Usar sensores triestímulo o monocromáticos en pantallas LED no permite obtener una calibración de punto blanco y de color satisfactoria.

Conclusión

Hoy en día, el avance tecnológico en los LED de estado sólido como fuente de luz para pantallas es una realidad. Sin embargo, el LED se comporta de un modo bastante diferente de las fuentes de luz UHP o CCFL tradicionales. Al analizar más de cerca este comportamiento observamos que los LED son más inestables en función del tiempo, la temperatura y la corriente de paso, de modo que se ha de incidir con más atención en la calibración y medición. Mientras que en el caso de las CCFL y UHP, un simple sensor triestímulo de color podría ofrecer resultados satisfactorios, la calibración y medición exactas de los LED requiere un espectrómetro. Barco ha entendido este desafío, y es el único fabricante del mundo que integra un espectrómetro en sus líneas de producto basadas en iluminación LED.
Referencias
1 Robust growth for monitors with LED backlights
Ken Werner, Display Daily newsletter, August 13th 2009
http://displaydaily.com/2009/08/13/robust-growth-for-monitors-with-led-backlights/
2 Busting Myths about LED Reliability
Goodman, P., Subramanya, S., Landau. S, Philips Lumileds.
http://www.photonics.com/Content/ReadArticle.aspx?ArticleID=31912
3 Industry Alliance proposes standard definition for LED life
Jennifer Taylor, LEDs magazine, April 2005
4 A method for projecting useful life of LED lightning systems
Hing, E. and N. Narendran. 2004. Third international conference on Solid state Lighting, Proceedings of SPIE
5187:93-99, descargado de www.lrc.rpi.edu.
5 http://en.wikipedia.org/wiki/-CIE_1931_color_space

Txt: Goran Stojmenovik

Premio para Dimasa e
Clear-COM presenta u
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