Utiliser une sonde pour calibrer ses écrans

1. Comment un écran affiche-t´il des couleurs ?

Principe de fonctionnement des écrans plats

Les écrans plats utilisent généralement une source de lumière blanche (rétro-éclairage) laquelle passe à travers différents filtres de couleurs matricés (pixels), comme illustré sur la figure ci-après.

Fig.1 - Constitution d´un écran plat à rétro-éclairage LED [source : toyo-visual.com].

La lumière blanche passe alors à travers un filtre qui polarise (2) et distribue la lumière de façon uniforme. Puis la lumière blanche se propage à travers différentes couches transparentes mais conductrices (3) permettant de polariser un cristal liquide (4) présent sous chaque pixel, constitué de filtres Rouges, Verts et Bleus (5), avant de traverser le support mécanique en verre (7) et un dernier filtre polarisant (6). Pour modifier une couleur, il suffit donc de contrôler l´intensité des composantes rouges vertes et bleues transmises pour chaque pixel, à travers un entier variant entre 0 et 255. Ainsi, une couleur est donc définie par un triplet (R,V,B) qui décrit la quantité de couleur à afficher pour les trois composantes de base. Avec cette technologie, pour le pixel bleu, on doit piloter le nombre de photons bleus qui traversent, tout en ne laissant passer aucun photons rouge ou vert. Il en va de même avec les sous-pixels rouges et verts. Pour un tel écran, on perd donc 2/3 des photons au premier ordre, ce qui explique l´émergence de la technologie LED des écrans AMOLED où chaque sous-pixel est directement une micro-LED rouge, verte ou bleue. Cette technologie, qui garantit un meilleur rendement, commence devenir disponible pour les écrans de grande taille, après avoir envahi le marché des smartphones.

A l´heure actuelle, pour les écrans à rétro-éclairage, il existe

• CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamps) : historiquement, c´est la première solution utilisée pour les écrans plats
• LED : technologie contemporaine, qui comporte différentes variantes : blanches ou RVB (assemblage de différentes LED de couleur), comme illustré sur la figure 1.

Chaque type de rétro-éclairage dispose de son propre spectre, comme expliqué sur PC-monitors.info. Idéalement, ce rétro-éclairage devrait émettre uniquement aux longueurs d´ondes 464 nm (bleu), 549 nm (vert) et 612 nm (rouge), de sorte ce que chaque sous pixel puisse efficacement doser la quantité de rouge, vert ou bleu à transmettre. Les technologies les plus récentes (à base de boites quantiques produisant les couleurs vertes et rouges depuis les photons bleus) permettent de se rapprocher d´un tel spectre, comme illustré ci-dessous :

Fig.2 - Spectre émis avec un rétro-éclairage QDEF (Quantum Dot Enhancement Film) [source : PC-monitors.info].

Cette technologie présente quelques faiblesses pour afficher des couleurs "justes":

• la nature du rétro-éclairage peut impacter le rendu des couleurs, à travers des spectres différents.
• le spectre de la source de lumière varie avec la température, la puissance demandée (ie, la luminosité visée) et est impactée par les tolérances des composants qui le pilotent
• chaque sous pixel est plus ou moins sélectif pour ne pas laisser passer les autres couleurs. Les couleurs sombres ont donc tendance à avoir une mauvaise teinte.
• chaque sous pixel ne peut atténuer totalement la lumière incidente : les noirs ne sont donc pas parfaits, et donc le contraste (rapport entre le signal le plus lumineux et le plus sombre) est limité. La tolérance des composants de l´électronique de commande intervient ici aussi. A noter que par définition, un écran de type AMOLED dispose d´un contraste infini.

Pour toutes ces raisons, il est impossible que deux écrans affichent une image ou une video à l´identique. Même deux écrans de même marque et modèle peuvent donc différer à cause des tolérances sur les composants électroniques de pilotage des pixels.

Pourquoi calibrer ou étalonner un écran ?

Calibrer ses écrans permet de s´assurer que le rendu des couleurs est indépendant des différentes imperfections évoquées plus haut. Cela présente plusieurs avantages :

• quand on affiche quelque chose (photos, videos etc), le rendu est identique d´un écran à l´autre.
• quand on diffuse du contenu graphique, tout le monde observe la même chose, même sur des écrans de marques, modèles différents : c´est donc particulièrement intéressant pour des photographes ou vidéastes puisque le rendu qu´ils verront sera aussi celui de ceux qui regarderont leur production si leurs écrans sont eux aussi calibrés.
• quand on imprime des photos, les imprimeurs en ligne disposent désormais d´imprimante calibrées : travailler avec des écrans calibrés permet d´éviter les mauvaises surprises à l´impression, comme un rendu bleuâtre, verdâtre, rougeâtre etc. Idéalement, les imprimantes personnelles disposent elles aussi de profils de couleur.
• les films, jeux vidéos, photos sont mieux détaillées vu que toutes les nuances peuvent normalement être affichées. A noter que l´utilisation d´un téléviseur calibré peut surprendre au premier abord : les réglages par défaut sont souvent très saturés, pour mieux flatter l´oeil des utilisateurs... conduisant à un rendu totalement faux.

On distingue les deux étapes suivantes :

• la calibration : on ajuste l´équilibre (R,V,B) auparavant, pour avoir un minimum de correction à faire à l´étalonnage et obtenir la couleur blanche de référence (explications en page suivante). Cette étape passe par les réglages R,V,B de l´écran.
• l´étalonnage : on corrige les couleurs pour avoir le bon rendu. En pratique, c´est la carte graphique qui va se charger de réaliser l´opération suivante "pour afficher telle couleur correctement sur tel écran, il faut que j´envoie en fait tel code couleur au lieu de celui-ci", en s´appuyant sur un fichier particulier contenant toutes les corrections à opérer.

Pour quantifier la justesse d´une couleur, on parle de ΔE, qui mesure en fait l´écart entre deux couleurs, par exemple entre celle demandée et celle affichée réellement. Plus cette quantité est faible, meilleure est le rendu. Plusieurs normes cohabitent (ΔE₇₆, ΔE₂₀₀₀, parfois noté aussi ΔE₀₀...) mais généralement un écran avec un ΔE inférieur à 2 est très bien calibré. Entre 2 et 4-5, il sera correct, et au delà, on pourra clairement percevoir des aberrations.

La calibration est une étape cruciale, car elle permet de réaliser la majeure partie de la correction à apporter. Pour en illustrer son importance, la plupart des PC portables n´ont pas la possibilité d´ajuster l´équilibre RVB matériellement : l´espace couleur "accessible" frôle alors les 50-60% de l´espace colorimétrique seulement dans certains cas. Sur la figure 3, nous avons représenté en abscisse le code couleur (0 pour sombre à 255 pour luminosité maximale) pour les composantes R,V,B, et la valeur mesurée par une sonde, pour deux écrans. C´est ce qu´on appelle une "courbe de calibration". Le premier, à gauche, est un écran de PC portable (ACER ES1-111M), tandis que le second est un écran plat bureautique calibré (EIZO EV2455).

Fig.3 - Courbes d´étalonnage : PC portable à gauche (ACER ES1-111M, ΔE^RMS=5), moniteur calibré à droite (Eizo EV2455, ΔE^RMS=0.5)

Dans le cas de l´écran portable (gauche), quand on demande à afficher du blanc (255,255,255), l´écran retourne une couleur proche de (252,255,210), qui manque donc clairement de bleu. Il faudrait donc baisser le gain du rouge et du vert pour s´aligner avec le bleu (ie. corriger les pentes des 3 courbes). Pour afficher le gris neutre (128,128,128), il faut en fait demander à afficher le code couleur (117,126,170) : l´étalonnage doit donc apporter une grosse correction.

Dans le cas de l´écran calibré (droite), on constate que le code RVB de la couleur affichée est très proche du code RVB demandé car les gains de l´écran ont été parfaitement ajustés. L´étalonnage n´apportera qu´une petite correction. On peut aussi remarquer que les caractéristiques "ondulent" bien moins que dans le cas précédent : l´électronique de commande est donc bien plus linéaire. Après étalonnage, le moniteur pourra afficher 95% des 16.7 millions de couleurs possibles en RGB, tandis que ce portable, uniquement 50% avec une erreur ΔE de 5 en valeur RMS et 15 au maximum pour 0.5 et 3.6 respectivement pour le moniteur.

On pourra noter que le cas du portable ayant servi d´exemple (premier prix) est malgré tout représentatif puisque même des PC portables PRO nettement plus chers peuvent présenter des dalles extrêmement mal réglées : le prix ne garantira pas forcément un affichage juste (même chez Apple).

DDC/CI et calibration

Pour réaliser l´étape de calibration, il est important de pouvoir ajuster les gains analogiques de l´écran. Pour les écrans externes, les boutons physiques permettent généralement d´ajuster les gains des canaux Rouge, Vert et Bleu. Certains constructeurs (Dell, Eizo, Samsung ... ) proposent des logiciels permettant de contrôler ces paramètres via le DDC/CI (Display Data Channel / Command Interface), option qu´il faut parfois activer sur l´écran lui-même. Il s´agit en fait d´un protocole de communication standardisé permettant de contrôler la plupart des réglages des écrans et qui exploite les interfaces Display Port, HDMI et DVI. En théorie, ce protocole pourrait donc être exploité pour réaliser la calibration de façon automatique : l´écran affiche du blanc, le logiciel de pilotage ajuste alors les gains pour que le blanc soit convenable. En pratique, il semble qu´aucun constructeur de sonde n´exploite cette possibilité sauf peut-être X-rite qui appelle cette possibilité ADC (Automatic Display Calibration).

La plupart du temps, il faut donc procéder à la main pour réaliser la calibration. Il existe cependant quelques outils génériques permettant d´exploiter de DDC/CI, ce qui peut s´avérer particulièrement pratique pour les écrans de PC portable. En effet, ces derniers utilisent un dérivé du Display Port (eDP, iDP) et donc ce protocole est parfois partiellement fonctionnel. Parmi les outils génériques (fig. 4), on peut citer :

• ClickMonitorDDC : ce logiciel n´est hélas plus maintenu.
• SoftMCCS : très riche en possibilités, ce logiciel parait doit être manié avec précautions.

Fig.4 - Interface de ClickMonitorDDC 7.2 (gauche) et SoftMCCS (droite)

Sur le portable utilisé en exemple ci-dessus (fig. 3), seule la luminosité peut-être contrôlée (ce qui présente peu d´intérêt) via ClickMonitorDDC, ce qui ne présente aucun intérêt. SoftMCCS ne permet pas lui non plus d´ajuster les gains R,V,B.

Profil de couleur et fichier ICC

Une fois l´écran calibré (ou pas), l´étalonnage consiste à stocker dans la carte graphique les conversions à réaliser entre les couleurs qu´on souhaite afficher sur un écran donné, et le code couleur qu´il faut demander à l´écran pour l´obtenir. Cette correspondance est obtenue en utilisant une sonde qui mesure un grand nombre de couleur pour en déduire la correction à apporter, puis un logiciel construit les règles de conversion qu´il stocke dans un fichier ICC. Ce fichier est en fait exploité par la carte graphique pour corriger l´ensemble des couleurs à afficher, et peut-être chargé :

• par le système d´exploitation. L´avantage est alors de charger le profil dès l´ouverture de session ou dès le démarrage de la machine. Malheureusement, certains programmes ont tendance à réinitialiser les profils de couleurs lorsqu´ils utilisent la totalité de l´écran, notamment les jeux vidéo. On peut donc perdre son étalonnage en entrant dans le jeu, sans le récupérer une fois quitté.
• par un programme qui se charge de régulièrement s´assurer que le profil est bien pris en compte en le rechargeant régulièrement.

C´est donc la seconde solution qu´utilisent la plupart des logiciels fournis avec les outils de calibration par défaut.

Précautions à prendre avec l´interface HDMI

L´interface HDMI, dont la vocation première concerne les applications vidéo ludiques, peut présenter quelques limitations gênantes. En effet, au lieu d´utiliser des valeurs comprises entre 0 et 255 pour chacun des trois canaux, il peut arriver que la plage réellement utilisée soit en fait 16-235 ! C´est typiquement le cas avec les cartes NVidia, puisque les réglages par défauts utilisent une Plage dynamique de sortie... Limitée (fig. 5).

Fig.5 - Plage limitée dans les pilotes NVidia pour l´interface HDMI

Il faut donc changer ce paramètre à Complète en n´utilisant pas les valeurs par défaut pour s´assurer d´utiliser toute la plage possible.