Factor Gamma y ajustes del monitor

9.5 El factor gamma y ajustes del monitor

§1 Preámbulo

Suponiendo un monitor convencional analógico CRT [2] conectado a la controladora de video, el mecanismo de representación de la imagen en un ordenador supone una serie de pasos:

Volcado de la matriz-imagen digital en la memoria de video ("Frame buffer").
Traducción de los valores R G B de la memoria de video en valores corregidos R' G' B', mediante tablas de conversión LUT ("Lookup Tables") o gestores de color de los CMS ("Color Management Systms").
Paso de los valores R' G' B' resultantes a los conversores digital-analógico (DACs) de la controladora, que los transforma en tensiones analógicas Er, Eg, Eb.
Aplicación de las tensiones Er, Eg y Eb resultantes, a los canales de color del monitor.
El monitor traduce las tensiones de entrada en ternas de puntos de color de luminancia Lr, Lg y Lb sobre el fósforo del tubo.
El conjunto de puntos de color sobre la pantalla es recogido por los órganos de la visión produciendo la imagen en la mente del observador.

§2 Factor Gamma

La totalidad del proceso se diseña de forma que la imagen resultante tenga un aspecto lo más parecido posible a la realidad. Respecto a los puntos 4 y 5, ocurre que la luminancia emitida por algunas fuentes de luz, como lámparas de incandescencia o tubos de rayos catódicos, es proporcional a la señal aplicada, pero esta relación no es lineal. En el caso de monitores CRT, la relación entre la luminancia L proporcionada por la pantalla, y la tensión E de la señal expresada en voltios, es una función exponencial en la forma:

L = E^g

donde el exponente g es denominado factor Gamma. Un valor típico de este exponente para un monitor es del orden de 2.0 a 3.0; un valor representativo del factor gamma para un monitor actual puede ser g = 2.2.

Fig. 1

La fig. 1 muestra la relación entre la luminancia ( H9.1.1) y la tensión de la señal para la pantalla de un monitor actual para diversos ajustes del control de contraste [1].

Nota: Generalmente en las pantallas TFT actuales el contraste es fijo, disponiendo a lo sumo de un control de brillo, aunque en ocasiones este valor también es fijo.

Teniendo en cuenta que los valores de tensión E son menores que la unidad (en la figura del ejemplo varía entre 0 y 0.7 V), cuanto mayor sea el factor gamma g, la curva es más cerrada; la imagen se hace más oscura (hay más píxels cuyo valor es oscuro) Por ejemplo, para un gamma g = 2 y una tensión E = 400 mV, la luminancia resulta:

L₂ = 0.400² = 0.16

Con el mismo valor de tensión E y un valor gamma g = 3, la luminancia producida por el tubo sería:

L₃ = 0.400³ = 0.064

Además del oscurecimiento general señalado, el aumento del factor gamma produce simultáneamente una disminución del contraste (la pendiente de la curva es positiva). Por ejemplo, las diferencias de luminancias de dos puntos con tensiones 400 y 500 mV en un monitor con gamma 2 es:

L_0.5 - L_0.4 = 0.5² - 0.4² = 0.09

La misma diferencia con un monitor de gamma 3 resultaría:

L_0.5 - L_0.4 = 0.5³ - 0.4³ = 0.061

Nota: Puede realizarse una comprobación práctica de estos conceptos con el programa Gammacrt de Chips and Technologies Inc. (descargar). Es un pequeño programa de 195 Kb para Windows que no requiere instalación (no tiene efecto sobre pantallas planas -LCD y TFT- que carecen de control de contraste).

§3 Corrección Gamma

La falta de linealidad en la respuesta debida al factor gamma no solo está presente en los monitores CRT, sino en todos los elementos hardware que realicen una conversión del tipo "valor numérico Þimagen" o viceversa, "Imagen valor numérico". Por ejemplo, escáneres y cámaras. La necesaria corrección puede efectuarse de dos formas: Mediante controles incluidos en el propio dispositivo, o mediante procesos software complementarios en los programas de visualización o adquisición de las imágenes. Estos procesos software realizan la compensación mediante tablas de conversión LUT o mediante los gestores de color del programa de aplicación o del propio SO ( H9.4).

Cualquiera que sea el método utilizado, la corrección consiste en que la luminancia teórica L de cada componente R, G y B de la matriz-imagen, se transforma en una tensión E de señal para el monitor, siguiendo la forma de una función exponencial (inversa al factor gamma) cuyo aspecto se muestra en la figura 2, que corresponde a la fórmula:

Fig. 2

E = L^Lg

Puede verse que la tensión de salida E es igual a la luminancia teórica L elevada a un exponente Lg denominado gamma LUT, cuyo valor puede oscilar entre 5 y 0.25 aproximadamente (1 es la corrección nula). Un valor usual es Lg = 0.45. Su inverso es denominado factor de corrección gamma Cg, o gamma del sistema (SO gamma). La mayoría de los Sistemas Operativos permiten que el usuario pueda manipular estos valores.

Los valores por defecto de la corrección gamma de diversos Sistemas Operativos son las siguientes:

PC	Mac	SGI
1.0	1.4	1.7

El objeto de esta corrección gamma es contrarrestar el factor gamma del monitor, por tanto su efecto es inverso. Un aumento del factor de corrección Cg hace la imagen más clara (hay más píxels con luminancias altas). Por ejemplo: para un factor Cg = 2 (Lg = 0.5) y una luminancia relativa L = 0.5, la tensión de salida E resulta:

E = 0.5^0.5 = 0.707 V.

Con el mismo valor de luminancia y una corrección Cg = 2.5 (Lg = 0.4), la tensión de salida sería:

E = 0.5^0.4 = 0.757 V

Además del aclaramiento de imagen, el aumento de la corrección gamma produce una disminución del contraste. Por ejemplo, las diferencias de tensión correspondiente a dos puntos de luminancias relativas 0.4 y 0.5 en un monitor con corrección Cg = 2 es:

E_0.5 - E_0.4 = 0.5^0.5 - 0.4^0.5 = 0.074

La misma diferencia en un monitor de corrección Cg = 2.5 resultaría:

E_0.5 - E_0.4 = 0.5^0.4 - 0.4^0.4 = 0.064

El valor gamma total del sistema es igual al factor gamma del monitor + el factor gama LUT.

§3.1 Corrección gamma en monitores

Es raro que un monitor incluya la posibilidad de corrección gamma en sus controles, aunque algunos modelos punteros pueden tenerla; recientemente esta capacidad ha sido añadida a los productos de algunos fabricantes, incluso de pantallas planas.

Otros dispositivos, como escáneres, suelen utilizar un método software en el programa de adquisición de imagen. En la figura adjunta se muestra el aspecto de un cuadro de diálogo para calibración de la corrección gamma de un escáner en un paquete de diseño gráfico (Micrografx Picture Publisher). En este caso, la corrección se realiza gráficamente, mostrándose la curva de respuesta resultante. El sistema permite ajustar individualmente la corrección para los canales rojo, verde y azul.

§4 Ajustes del monitor

La utilidad y función de los controles utilizados en los monitores, generalmente señalados como brillo y contraste, son por lo general poco entendidos y peor utilizados.

§4.1 Brillo

En realidad, el "brillo" (señalado con el símbolo de la izquierda), debería ser denominado ajuste del blanco. Su función es añadir o restar una cantidad inicial fija (Li) a los valores de Rojo, Verde y Azul de cualquier color representado en pantalla. Su efecto es subir o bajar la curva de respuesta [4]. O dicho de otra forma: subir o bajar el valor inicial (ordenada en el origen) de la señal de video.

Fig 3.

Fig. 4

Este control se debería ajustar hasta que una imagen blanca apareciera realmente blanca ( H9.1.1). Su desajuste suele ser el principal motivo de mala calidad de imagen en los monitores y televisiones; su calibración depende fundamentalmente de las condiciones ambientales.

§4.2 Contraste

El control señalado como "contraste" debería ser señalado como imagen. Su función es aplicar un mayor o menor factor de ganancia a las componentes Roja, Verde y Azul de la señal. Esto afecta naturalmente a la luminancia (que es proporcional a la señal), de forma que en realidad, el "contraste" controla la luminancia (brillo) de la imagen dejando intacto el blanco. Como puede verse en la figura 4, todas las curvas tienen el punto negro en el origen (luz cero con señal cero).

Fig. 5

Fig. 6

En las figuras 5 y 6 se muestran dos situaciones extremas de ajuste del "brillo". La primera muestra un ajuste demasiado bajo, de forma que la luz es cero para algunos valores pequeños de señal, lo que origina que se pierda un rango de señales bajas (correspondientes a colores oscuros).

En la figura 6 se muestra la curva de respuesta señal/luminancia para un ajuste demasiado alto. El valor añadido Li hace que exista respuesta luminosa para señales nulas, con lo que la imagen se forma a partir de un "pedestal de gris".

Para que exista calidad de imagen en un monitor, deben cumplirse dos condiciones: Para unas componentes RGB (0,0,0) debe producirse un negro real (ausencia de luz en el fósforo o en el diodo correspondiente). Para una señal (255,255,255), debe producirse la luminancia deseada (ajuste de blanco adecuado).

Hay que tener en cuenta que el factor de contraste de un monitor es el cociente entre la máxima luminancia que puede producir (correspondiente al blanco) y la mínima (correspondiente a negro). Este factor es determinante en la calidad de la imagen, más incluso que la definición [3].

Los pasos para ajustar de forma óptima un monitor son los siguientes:

1.- Ajustar el control de Contraste al mínimo
2.- Mostrar una imagen negra

3.- Ajustar el control de Brillo para reproducir correctamente el negro. Debe estar situado en tal punto que un pequeño aumento haga que las zonas negras empiecen a parecer gris oscuro.

Mostrar una imagen que tenga zonas blancas.

4.- Ajustar el Contraste de modo que los colores blancos de una imagen resulten con el nivel de brillo deseado.

Este último ajuste depende enteramente de las condiciones ambientales en que se vaya a contemplar la imagen, pero debe resistirse la tentación de utilizar una imagen demasiado brillante, ya que esto origina una serie de factores contrarios a la calidad de la imagen (aumento del parpadeo -fliker-, desenfoque de los cañones, traspaso de luz a las zonas adyacentes con reducción del contraste, Etc.)

Naturalmente, los consejos anteriores se refieren a las pantallas CRT, ya que las pantallas planas carecen de este tipo de problemas. En el caso de estas últimas la única precaución es elegir una luminancia que sea solo ligeramente superior a la del fondo (un gran contraste es perjudicial para el confort visual). En todos los casos se deben evitar las luces ambientales que produzcan reflejos sobre la pantalla.

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[1] Debido a que la mayoría de los monitores actuales son similares eléctricamente (distinguiendo naturalmente entre las tecnologías CRT y LCD), sus valores Gamma también lo son, de forma que para un monitor cualquiera el valor Gamma depende principalmente de los ajustes de brillo y contraste.

[2] CRT ("Cathodic Ray Tube") Tubo de rayos catódicos, todavía (2004) habituales en los monitores de ordenador y pantallas de TV, aunque están siendo rápidamente desplazados por dispositivos LCD (pantallas planas). En estas últimas es proceso es muy similar, aunque la forma última de producir cada punto de luz (pixel) que compone la imagen, varía ligeramente..

[3] Este valor depende principalmente del tipo de display utilizado; un monitor CRT suele tener un factor de contraste del orden de 245:1. Las pantallas planas presentan (2004) valores entre 130:1 a 500:1, con valores medios del orden de 350:1 y por lo general exceden el valor de los CRTs.

[4] Curva que muestra la respuesta de luminancia de la pantalla en función de la tensión de señal E aplicada al monitor.

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