gamma校正到底是个什么玩意儿

gamma校正到底是个什么玩意儿一.在哪见过、听说过Gamma?  *还用说,AdobeGamma  *常听说MAC的默认Gamma是1.8,PC的是2.2  *我的显卡驱动程序里有Gamma调节  *我下载了一个软件,也可以调节显示器的Gamma  *WinDVD播放器带Gamma校正功能  *ACDSEE的曝光调节里可以调Gamma  *ACDSEE的选项中有Enable

大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。

一. 在哪见过、听说过Gamma?

  * 还用说,Adobe Gamma
  * 常听说MAC的默认Gamma是1.8,PC的是2.2
  * 我的显卡驱动程序里有Gamma调节
  * 我下载了一个软件,也可以调节显示器的Gamma
  * WinDVD播放器带Gamma校正功能
  * ACDSEE的曝光调节里可以调Gamma
  * ACDSEE的选项中有Enable Gamma Correction
  * XV Viewer 能以参数-gamma 2.2 启动(x window也可以)
  * PNG文件里有Gamma校正
  * Photoshop里当然也有
  * ICC Profile也和Gamma有关?
  * 摄像头、数码相机、扫描仪?胶片?……中也有提到Gamma的
  ……

  这些都是怎么回事?

gamma校正到底是个什么玩意儿
图:显卡(驱动程序)上的Gamma设置

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图:ACDSEE中的曝光调节

二. 什么是Gamma?

  2.1. 显示器Gamma曲线

  Gamma可能源于CRT(显示器/电视机)的响应曲线,即其亮度与输入电压的非线性关系。

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图:一典型显示器 的响应曲线,非常接近指数函数
(说明:上图中输入值为数字化的,即通常的RGB值,但可以理解数/模转换是线性的,所以它和输入电压是等效的)

  归一化后,我们通常可以用一简单的函数来表示:

  output = input ^ gamma

  gamma就是指数函数中的幂。

gamma校正到底是个什么玩意儿
图:归一化的Gamma曲线

  注意上图曲线的一些特性:
  * 端点是不变的,即不管gamma值如何变化,0对应的输出始终是0,1的输出始终是1(这一特性会被用到)。这可能是gamma又被叫作“灰度”系数的原因吧。
  * gamma > 1时,曲线在gamma=1斜线的下方;反之则在上方。

  另外说明一下,虽然是以显示器作为例子,但可扩展到一般的图像相关的输入/输出设备。Gamma曲线应该是普遍存在的,即使它不是严格的指数关系,可能还是会这么通称。至少我知道的数码机机/摄像头里的sensor也存在gamma曲线及gamma校正。

  2.2. 检查显示系统的Gamma值

  在PC上,好像还没有什么软件方法可以得到系统的Gamma值(4.1会说明这一点)。有人做了一些图片,可以粗略估计。其原理和Adobe Gamma类似。

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图:Gamma对照图

  使用方法:与Adobe Gamma类似,即眯着眼,或站远点,或近视眼取下眼镜,总之当左边糊成一片,而右边某栏的亮度和左边相当时。注意:如果您没有做任何Gamma校正(没有使用Adobe Gamma之类的软件,或虽使用了但校正系数设为1.0),测得的才是显示器的Gamma,否则只能称为系统Gamma(或复合Gamma)。如笔者的ACER AL1916W的GAMA值为2.0左右。

  另外,通过显示器自带的ICC Profile是可以知道显示器的Gamma的,这个应该比较准。

三. 什么是Gamma校正?

  从一个数字化的图片文件,到我们最终看到的图片,中间要经过许多环节。几乎在任何一个环节上,都可以加入一些变换,以改变最终输出和最初输入的关系(类似的,这种关系被称作系统Gamma或复合Gamma)。

  比如,对gamma=2.5的显示器,在数据传递到显示器之前,将其做一个gamma=0.4的变换(比如对显卡缓存中的数据,d’ = d ^ 0.4),这样就能从总体上得到一个线性的关系。

  注意这里有一点混乱。通常我们说做一个gamma=c的校正,意思是指做output = input ^ (1/c)的变换。有一个倒数关系。

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图:Gamma校正示意图

  对于PC,显示器的Gamma是2.2左右(可能以前更多的是2.5,现在好像趋向2.2了),一般没有内置的校正,所以我们说Adobe Gamma对Windows系统默认的校正系数2.2。对于MAC,显示器的Gamma是2.5,硬件内置了1.4的校正,所以它还需要2.5/1.4~=1.8的校正才成为线性的。下文对各种系统下的gamma校正过程有更详细的说明。

四. Gamma校正可能发生在哪里

  4.1. 系统级(硬件、操作系统)

  显示器内没有听说过有何补偿,即使有,它们也对外呈现一定的gamma值。

  主要的补偿发生在显卡及其驱动程序类。如果显卡硬件不支持,则由驱动程序软件完成。在Windows中,上层通过调用驱动程序的一个接口函数(DrvIcmSetDeviceGammaRamp)向其传递Gamma校正表(LUT),这个表的大小是3*256项(每项16字节),对应于RGB三个通道,每个通道256级。

  描述这一细节,可以对有些事情更有把握:
  * 这种校正实际上可以是任意函数,而不限于gamma为幂的指数函数。
  * 也是因为此,不能通过驱动程序得到系统的gamma值(因为最多只能得到那个表)。
  * 这一设置对整个系统有效(任何程序,任意显示的图片都受它影响)。

  以前我一直不明白Adobe Gamma和驱动程序的Gamma是什么关系,它们一起出现就不知所措。还有人说它们是共同作用的。现在我完全明白了,没有迭加关系,最后者的设置有效。而且,Adobe Gamma也不必是(实际上也不是)一个驻留程序,它仅在启动时将那个表传给驱动程序就完成了它的任务。

  还可以用其它程序来校正/设置gamma,下面是一个方便的小工具:Gamma Panel。(查看本文中的图片,需要经常改变gamma,最好下一个,Free的。)

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图:Gamma Panel,一个校正系统Gamma的小工具

  4.2. 应用程序级

  如前提到的,某些播放软件有Gamma校正功能,ACDSEE也有。这时,它们不是修改系统的Gamma校正表,而是在解码时对当前帧/图像作了实时的Gamma变换。

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图:ACDSEE浏览图片时可加载Gamma校正功能
图中左边是由IE打开的同一图片(无Gamma校正),可以看出它们的亮度不同。(不过,黑框和白边是相同的。)

  4.3. 文件级

  如前面提到的(图 1-2 ACDSEE中的曝光调节),某些图像处理软件可以调整文件的Gamma,这种调整的结果将写入文件(即相当于对图像进行某种处理)。比如,当你的PC未进行Gamma校正(你的系统Gamma=显示器的Gamma约2.2),这时你可以把文件的Gamma调为2.2保存,你以及其它未校正系统Gamma的PC用户看到的这个图片应是正好的。(注意,这里有一个前提即原始图片在Gamma=1的系统上看是“正好”的。

  另一种方式则是将Gamma校正的系数写入文件内,而不改变文件内容,而浏览/处理软件在解码这一图像时会依据这一参数对它单独进行Gamma校正。(这被称作“文件Gamma”。PNG格式支持)

  总之,不管Gamma校正发生在哪一环节,它们是等效的(在理想情况下/或近似地看)。明白在哪些环节Gamma发生了怎样的变化,然后做一些乘除法就可以了。

五. 改变Gamma带来的影响

  5.1. 影调的变化

  通常的感觉是,系统gamma高,图像会发暗,而校正后,画面变亮。

  观察下列图片。

  两个对应的File Gamma=2.5的图片是为了模拟系统Gamma的变化。或者也可以用Gamma Panel之类的工具,将Gamma校正系数设为1.0~2.5观察(每组中的第1个图片)。

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图 灰度图0-128, File Gamma=1.0

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图 灰度图0-128, File Gamma=2.5

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图 灰度图128-255, File Gamma=1.0

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图 灰度图128-255, File Gamma=2.5

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图:很直观的调整Gamma值的例子

  结论:
  * 当系统Gamma高(Gamma校正=1.0)时,看到的图像暗部影调丰富;反之,则亮部丰富。
  * Gamma校正设为2.5时看到的File Gamma=2.5的图片,和校正设为1.0时看到的File Gamma=1.0的图片相当。

  5.2. 颜色的变化

  很显然,Gamma的变化带来亮度的变化。而单独改变某个通道的Gamma,则会则会带来色调(Hue)的变化。

gamma校正到底是个什么玩意儿        gamma校正到底是个什么玩意儿
Gamma Correction = 1.0    Gamma Correction = 2.5
Source Output    Source Output
R 80% R 57%    R 80% R 80%
G 20% G ~0%    G 20% G 20%
B 20% B ~0%    B 20% B 20%

  当然,如果显示器本来就偏色,我们则可以改变某个通道的Gamma使其总体上保持均衡。

  5.3. 其它

  其它影响在后面有说明或提及。

六. 校正Gamma的理由

  主要指是否要将系统Gamma校正到1.0。因为校正总是存在的。(下同)

  6.1. 标准化及互换性

  如果数码相机/扫描仪给你一个Gamma=1.0的图片,你最好是在系统Gamma=1.0的系统上查看;或者当你的数码图片要拿去输出时,对方系统Gamma=1.0;……

  (这部分涉及到色彩空间、ICC Profile,我还不太清楚,而且接触的设备非常有限,不多说了。)

  6.2. 算法上的要求

  在涉及不同灰度的混合时,就会对gamma有要求。一个简单的例子,考虑在填充时,一半的黑(0)+一半的白(255),效果应该和50%的灰(128)相同。但这仅在系统gamma=1.0时成立。

  又如,彩色转黑白时常说的:30% R + 59% G + 11% B,也是针对gamma=1.0而言。

  同样,许多算法也是针对1.0的系统gamma,否则算法内要做gamma校正。

  下面是一个抗距齿(anti-alias,反走样)的例子。

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图: 通常情况下的边缘
由于只能在矩形的点阵中画斜线,而斜线的像素值为全黑,当斜线较陡(或平)时,就会有明显的锯齿感。

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图:采用anti-alias后,锯齿感没有那么明显了
在Photoshop中放大查看此图片,就会发现边缘不是全黑的,而是渐变的。(这是对anti-alias的直观理解。)
注:不要用ACDSEE放大查看,它默认的放大算法是插值的,无法看清像素的原貌。

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图:anti-alias并gamma校正后,锯齿感完全消失
当然,如果你保持系统gamma=1.0去查看上面的图片,就会发现第2张图完全无锯齿感,第3张图反而有一点。(这不是也可以作为一种估计系统gamma的方法吗)

七. 不校正Gamma的理由

  7.1. 现实的非标准化

  假定你的图片作为Web发布,你的用户(观众)的系统Gamma会是1.0吗?即使可以假定色影无忌的泡菜会用Adobe Gamma将他们的系统Gamma校正到1.0左右,但绝大多数普通用户呢?——在接触到Photoshop前,我是不知道什么Gamma的。

  也许只能折衷吧。(MAC通过硬件只校正到1.8,SGI只校正到1.4,不知道有没有这方面的原因。)

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Making Good Cross Platform And WWW Pictures

  而我们整天面对的操作系统,它默认用户界面的设计,又是以什么系统Gamma值为前提的呢?——似乎设为1.0并不是最舒服的。

  PNG文件格式提供了Gamma补偿的功能,但并没有流行起来,因为人们不知道他们的系统Gamma是多少(当然还有别的原因)。

  相关新闻链接:The Sad Story of PNG Gamma “Correction”

  7.2. 更符合视觉特性

  就人的感知觉,心理量和物理量一般呈对数关系,视觉也不例外。虽然这个对数关系和那个指数关系并不严格对应,但方向上是一致的。即越暗处感觉越细(对同等光强的变化,暗处比亮处敏感),而对于(未校正的)显示器gamma曲线(gamma值大于1),也是暗处对应的层次更多。

  比如对gamma=2,以一半的光强为分界,0~182对应于暗的一半,182~255对应于亮的一半。

  7.3. 可能导致颜色数的减少

  这是由于数字量的舍入误差造成的。输入数据按通常的每通道8位计算,当显卡(DAC)精度只有8位时就会发生。

  x = 0:255; y = uint8((x / 255) .^ gamma * 255); n = histc(y, x); count = sum(n>0)

  当gamma=2(或0.5)时,结果count=192,即256色变为了192色。若三通道Gamma值(校正系统)相同,则总共的颜色数为192^3 = 707,788色,而24位色原本为16,777,216。

  当然,对10bit, 12bit及更高位显卡就不存在这个问题了。(以前一直不明白在8bit色彩的系统上,更高位的显卡有何意义。现在有一点感受了。)

八. 结论

  Gamma是一个基本的要素。关心图形、图像的人应该给它一点关心。

  不将显示系统Gamma校正到1.0似乎并没有太大的错误,至少你和人民大众站在了一边。校正到什么程度,既有折衷的考虑,也有口味的因素。但不偏色是必要的。当标准需要你校正时,你最好遵守标准。总之,取决于你的图片与谁“接口”。

  Gamma只是ICC Profile的一部分。关于标准及互换性的问题,也许只有理解了色彩管理以后,才能完全明白。

 

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