gamma的完全理解

1、gamma校正 分類： 圖像處理 2010-09-23 20:55 3482人閱讀 評論(2) 收藏 舉報 windows擴展存儲解密加密圖形Gamma 校正問題：什么是Gamma曲線矯正？Gamma曲線矯正是什么意思？ Gamma曲線是一種特殊的色調(diào)曲線，當(dāng)Gamma值等于1的時候，曲線為與坐標(biāo)軸成45的直線，這個時候表示輸入和輸出密度相同。高于1的Gamma值將會造成輸出亮化，低于1的Gamma值將會造成輸出暗化?？傊?，我們的要求是輸入和輸出比率盡可能地接近于1。在顯示器、掃描儀、打印機等輸入、輸出設(shè)備中這是一個相當(dāng)常見并且比較重要的概念。在計算機系統(tǒng)中，由于顯卡或者顯示器的原因會出現(xiàn)實際

2、輸出的圖像在亮度上有偏差，而Gamma曲線矯正就是通過一定的方法來矯正圖像的這種偏差的方法。一般情況下，當(dāng)用于Gamma矯正的值大于1時，圖像的高光部分被壓縮而暗調(diào)部分被擴展，當(dāng)Gamma矯正的值小于1時，圖像的高光部分被擴展而暗調(diào)部分被壓縮，Gamma矯正一般用于平滑的擴展暗調(diào)的細(xì)節(jié)。圖1 CRT顯示器的亮度響應(yīng)曲線圖 圖1顯示的是一般CRT顯示器的亮度響應(yīng)曲線，可以看到其輸入電壓提高一倍，亮度輸出并不是提高一倍，而是接近于兩倍，顯然這樣輸出的圖像同原來的圖像相比就發(fā)生了輸出亮化的現(xiàn)象，也就是說未經(jīng)過Gamma矯正的CRT顯示器其Gamma值是小于1的。 沒有經(jīng)過Gamma矯正的設(shè)備會影響最

3、終輸出圖像的顏色亮度，比如一種顏色由紅色和綠色組成，紅色的亮度為50%，綠色的亮度為25%，如果一個未經(jīng)過Gamma矯正的CRT顯示器的Gamma值是2.5，那么輸出結(jié)果的亮度將分別為18%和3%，其亮度大大的降低了。圖2 按圖進行曲線補償 為了補償這方面的不足，我們需要使用反效果補償曲線來讓顯示器盡可能地輸出同輸入圖像相同的圖像，所以這個時候顯示器的輸入信號應(yīng)該按照圖2所示的曲線進行補償，這樣才能在顯示器上得到比較理想的輸出結(jié)果。圖3 理想狀態(tài)下的曲線 一般的反效果可以直接被賦予存儲在幀緩存中的圖像，使之Gamma曲線呈非線性，也可以通過RAMDAC進行這種反效果補償（或者說是Gamma曲線

4、矯正）。這樣我們就可以在顯示器上看到同我們輸入的圖像接近的圖像了（如圖3）。當(dāng)然圖3所示的曲線只是理想狀態(tài)下的情況，在實際應(yīng)用中我們并不可能得到如此完美的曲線，所以不同的廠商之間所競爭的就是誰能做到最接近于這個效果。 顯示器的gamma值是用于定義一個顯示器的顯示特性的數(shù)學(xué)方法，是決定顯示器從黑色到白色的值。簡單的說，當(dāng)顯示一個顏色從黑到白時（也就是0到1），顯示器的電壓也要隨之變化，但這個變化不是線性的。因為顯示器的物理特性決定了如果電壓的變化是線性的，顯示出來的亮度就不是線性的，這時，顯示的亮度就會很暗。所以，為了保整顯示出來的亮度是正常（線性）的，就需要對顯示器的電壓變化加以校正，這個值

5、就是我們通常所說的gamma值。通常情況只有在調(diào)整HDRI圖片時和在做動畫渲染時會用到。 校正（Gamma Correction，伽瑪校正）：所 謂伽瑪校正就是對圖像的伽瑪曲線進行編輯，以對圖像進行非線性色調(diào)編輯的方法，檢出圖像信號中的深色部分和淺色部分，并使兩者比例增大，從而提高圖像對比 度效果。計算機繪圖領(lǐng)域慣以此屏幕輸出電壓與對應(yīng)亮度的轉(zhuǎn)換關(guān)系曲線，稱為伽瑪曲線（Gamma Curve）。以傳統(tǒng)CRT（Cathode Ray Tube）屏幕的特性而言，該曲線通常是一個乘冪函數(shù)，Y=(X+e)，其中，Y為亮度、X為輸出電壓、e為補償系數(shù)、乘冪值（）為伽瑪值，改變乘冪 值（）的大小，就能改變

6、CRT的伽瑪曲線。典型的Gamma值是0.45，它會使CRT的影像亮度呈現(xiàn)線性。使用CRT的電視機等顯示器屏幕，由于對于 輸入信號的發(fā)光灰度，不是線性函數(shù)，而是指數(shù)函數(shù)，因此必需校正。在電視和圖形監(jiān)視器中，顯像管發(fā)生的電子束及其生成的圖像亮度并不是隨顯像管的輸入電壓線性變化，電子流與輸入電壓相比是按照指數(shù)曲線變化的，輸入 電壓的指數(shù)要大于電子束的指數(shù)。這說明暗區(qū)的信號要比實際情況更暗，而亮區(qū)要比實際情況更高。所以，要重現(xiàn)攝像機拍攝的畫面，電視和監(jiān)視器必須進行伽瑪補 償。這種伽瑪校正也可以由攝像機完成。我們對整個電視系統(tǒng)進行伽瑪補償?shù)哪康模鞘箶z像機根據(jù)入射光亮度與顯像管的亮度對稱而產(chǎn)生的輸出信

7、號，所以應(yīng)對圖 像信號引入一個相反的非線性失真，即與電視系統(tǒng)的伽瑪曲線對應(yīng)的攝像機伽瑪曲線，它的值應(yīng)為1/，我們稱為攝像機的伽瑪值。電視系統(tǒng)的伽瑪值約為 2.2，所以電視系統(tǒng)的攝像機非線性補償伽瑪值為0.45。彩色顯像管的伽瑪值為2.8，它的圖像信號校正指數(shù)應(yīng)為1/2.80.35，但由于顯像管內(nèi) 外雜散光的影響，重現(xiàn)圖像的對比度和飽和度均有所降低，所以現(xiàn)在的彩色攝像機的伽瑪值仍多采用0.45。在實際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)實際情況在一定范圍內(nèi) 調(diào)整伽瑪值，以獲得最佳效果。 今天有個朋友問校正的用處，這里簡單說一下： 伽馬校正最初是由于顯示器的陰極現(xiàn)象管（也就是物理上所說的示波管的陰極射線版）的成像

8、扭曲引起的，為了不使畫面失真所以就用先特殊算法進行校正，此之謂校正。 校正的原理是修改顯示系統(tǒng)的配色方案，本來顯示系統(tǒng)輸出的r g b電子槍線性的根據(jù)顯存中的各個顏色值輸出對應(yīng)的控制電壓，但是通過伽碼校正可以把某個顏色值對應(yīng)的輸出電壓調(diào)整高或調(diào)整低。達到校正顯示系統(tǒng)色澤的目的。同時可以用軟件的方法校正，就是對一副圖片設(shè)定某個顏色的顏色值變換成新的顏色值的對照表，然后用新的顏色值取代原來圖片中對應(yīng)的顏色就行了呀。比如你先編寫一個控制rgb各個分量對應(yīng)關(guān)系的曲線調(diào)節(jié)器，在曲線調(diào)節(jié)器里面調(diào)整控制曲線設(shè)置原來顏色多少對應(yīng)目標(biāo)顏色多少，然后根據(jù)設(shè)定的關(guān)系，修改要調(diào)整色澤的圖片每一個像素的顏色就可以了。

9、數(shù)學(xué)公式可以深刻和精確的把握一個概念，卻不能表達概念的物理意義和本質(zhì)含義，本貼試圖擺脫數(shù)學(xué)公式的陳述和推導(dǎo)，用言語來解釋gamma的本質(zhì)含義。1什么是gamma？對于CRT顯示器，輸入電壓信號將在屏幕上產(chǎn)生亮度輸出，但是顯示器的亮度與輸入的電壓信號不成正比，存在一種失真，如果輸入的是黑白圖像信號，這種失真將使被顯示的圖像的中間調(diào)偏暗，從而使圖像的整體比原始場景偏暗，如果輸入的是彩色圖像信號，這種失真除了使顯示的圖像偏暗以外，還會使顯示的圖像的色調(diào)發(fā)生偏移。gamma就是這種失真的度量參數(shù)。對于CRT顯示器，無論什么品牌的，由于其物理原理的一致性，其gamma值幾乎是一個常量，為2.5。（注意，

10、gamma1.0時不存在失真），由于存在gamma失真，輸入電壓信號所代表的圖像，在屏幕上顯示時比原始圖像暗。2 gamma概念的演化 gamma本來是顯示器的輸出圖像對輸入信號失真的度量參數(shù)。2.1 gamma概念的第一演化（系統(tǒng)gamma和顯示器gamma） 由于存在顯示失真，這樣的圖像不能應(yīng)用，所以需要校正這種失真。上文講到，對于顯示器來說，gamma值是常量，不可改變，所以校正過程就只能針對輸入的圖像電壓信號了。這種校正就是將正常的圖像電壓信號向顯示器失真的相反方向去調(diào)整，既然失真使圖像的中間調(diào)變暗，那么在圖像電壓信號輸入到顯示器之前，先將該電壓信號的中間調(diào)調(diào)亮，然后再輸入到顯示器，這

11、樣就可以抵消顯示器的失真了。 由于顯示器的gamma值是常量，所以這種校正的幅度也是相對固定的，這種校正幅度的度量參數(shù)也叫g(shù)amma，這是gamma概念的第一次演化，為了區(qū)別這兩種不同的概念，此處的gamma又叫做系統(tǒng)gamma（因為對圖像電壓信號的校正過程發(fā)生在電腦系統(tǒng)中），顯示器的固有的gamma又叫做顯示器gamma。2.2 gamma概念的第二次演化 顯示器gamma表示一種失真，系統(tǒng)gamma表示一種校正，這兩者共同之處是都表示對原始信號的一種變換，所以gamma概念發(fā)展到這里，其一般性含義已經(jīng)又兩層含義，a表示對原始信號的一種變換， b表示這種變換的度量參數(shù)。2.3 gamma概念

12、的第三次演化（文件gamma） 既然gamma的一般性含義是對原始信號的一種變換，可想而知，文件gamma也一定表示一種變換，這是一種什么樣的變換呢？ 從宏觀上講，被照相機拍攝的物體的亮度是連續(xù)變化的，如果將亮度連續(xù)變化的被攝物體的圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字文件（計算機文件）時，無論用數(shù)碼相機還是掃描儀，都要面臨用離散的數(shù)值去近似表示連續(xù)的物理量的問題。具體來說，一個8位的二進制數(shù)字文件，如何編碼才能比較精確的表示反差很大的一幅圖像？ 這要從人的視覺原理說起。人的眼睛感覺到亮度增加一級的時候，光強（光的能量）將增加一倍，同樣，當(dāng)人的眼睛感覺到亮度減小一級的時候，光強將減少一半。就是說，人的眼睛感覺到的亮度

13、的成比例的線性變化，是由光強的倍數(shù)變化引起的。如果將一段連續(xù)變化的亮度從暗到亮等差分成a b c d e f g 七段，那么這七段亮度對應(yīng)的光強不是1 2 3 4 5 6 7，而是1 2 4 8 16 32 64。打個數(shù)學(xué)比方，人眼感覺到的亮度是等差數(shù)列，而光強的物理實在是等比數(shù)列！為何如此，因為這樣可以確保人眼即適應(yīng)高亮度的陽光下的景物，又能在夜晚看清星光下的獵物，這是大自然的造化。 數(shù)碼相機或掃描儀的感光元件，將會把光強變成電信號，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，繼而再存儲為數(shù)字文件。為了便于討論，以黑白圖像為例，一個黑白圖片數(shù)字文件中每個象素用一個8位二進制編碼表示，8位二進制編碼只有

14、256個量級，從0到255。就是說，一幅圖片，最亮的地方用255表示，最暗的地方用0表示。這里有一個問題需要我們思考一下：比最亮處（編碼255）暗一級的象素的編碼值是多少？ 答案是128，因為人眼感覺暗一級，光強將減小一半，這樣感光元件的輸出電壓值將減小一半，從而模數(shù)轉(zhuǎn)換器件得到的數(shù)字值也是255的一半，即128。 依此類推，比最亮的象素（編碼255）暗兩級的象素的編碼值是64，暗三級是32，暗四級是16，暗五級是8，暗六級是4，暗七級是2，暗八級是1。于是矛盾就出現(xiàn)了: 第一問題是，亞當(dāng)斯將曝光區(qū)分為11個等級，這種8位二進制編碼方法無法表示11個分區(qū)，只表示了9個分區(qū)，分別對應(yīng)的二進制編碼

15、值是01，12，24，48，816，1632，3264，64128，128255。 更嚴(yán)重的是第二個問題,最亮的分區(qū)（128255）占有8位二進制編碼256個量級的一半量級資源，即占有128個量級，分別是128，129，130，253,254,255。而最暗的分區(qū)只占有8位二進制編碼256個量級中的兩個量級，分別是0和1，比最亮分區(qū)暗四級的分區(qū)只占有8位二進制編碼256個量級中的8個量級，分別是8，9，15，16。這表明這種編碼方法在最亮的分區(qū)中，表達的亮度細(xì)節(jié)非常的豐富，超過人眼的識別能力（人眼在亮處可以識別1的亮度變化），可是在較暗的分區(qū)中，表達的亮度細(xì)節(jié)就少的可憐了，會出現(xiàn)馬賽克！ 所以

16、需要對感光元件的輸出的電壓值在模數(shù)轉(zhuǎn)換時做一種變換，使得較暗的分區(qū)占有的二進制編碼量級多一些，較亮的分區(qū)占有的二進制編碼量級少一些，從而不至于使圖像暗處出現(xiàn)馬賽克，也使亮部占有的量級剛好滿足人眼的最大識別能力。這樣編碼的數(shù)字文件可以較好的表示反差很大的一幅圖像。文件gamma是表示這種變換的度量參數(shù)。Windows系統(tǒng)，WWW和sRGB規(guī)定文件gamma值為2.2。2.4 gamma概念的第四次演化 a表示對原始信號的一種變換，泛指顯示器gamma，系統(tǒng)gamma，文件gamma。 b表示這種變換的度量參數(shù)。 c 在不同的上下文環(huán)境中，會特指顯示器gamma，系統(tǒng)gamma，文件gamma三個

17、概念中的某個具體概念，注意領(lǐng)會。2.5 概念總結(jié)（四種gamma）2.5.1 gamma gamma在不同的上下文環(huán)境中，有不同的含義，一個意思是表示對原始信號的一種變換，另一個意思是表示這種變換的度量參數(shù)，還可能表示顯示器gamma，系統(tǒng)gamma，文件gamma三個概念中的某個具體概念。2.5.2 顯示器gamma 是顯示器的物理屬性，固定的，不變的，不可校正的。顯示器gamma在不同的上下文環(huán)境中，有不同的含義，一個意思是指顯示器的輸出圖像對輸入信號的失真，另一個意思是指這種失真的具體數(shù)值。2.5.3 文件gamma 對一個給定的數(shù)碼相片文件，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范, 這個gamma是一個定值，所以無需對其校正。如果出于某種特殊需要，一定要改變某數(shù)碼相片文件的gamma值，這種改變也不能稱作“校正”，而是稱作“變換”。2.5.4 系統(tǒng)gamma 系統(tǒng)gamma所表示的變換，是計算機系統(tǒng)在讀取了照片數(shù)字文件之后，在輸出