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色彩管理中的Gamma值的理解

news 2024/9/21 22:18:16

广义的Gamma值

Gamma值的广义定义就是输入值和输出值的Gamma幂指数关系，用来补偿人眼对自然亮度的非线性感知。输入与输出关系如下图所示：
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输入和输出的关系可表达为：输出 = 输入gamma

Gamma=1，斜45°直线，不校正，输出=输入；Gamma大于1，曲线下压，输出值小于输入值；Gamma小于1，曲线上拱，输出值大于输入值。

为什么要将输出和输入做Gamma运算？

上面提到，Gamma为了解决人眼对自然亮度非线性感知的问题，其二是因为记录存储的有限性。举个栗子：一间黑屋子中，点亮了一只灯泡A，人眼会感觉照亮整间屋子，持续点亮第2个、第2个…灯泡后，人眼会感觉屋子逐渐变得明亮，此时再点亮第N+1个灯泡，其实人眼没有什么感觉甚至微乎其微，为什么？

亮度对人眼的刺激是非线性的，第1个和最后一个灯泡点亮对人眼的刺激感觉是不同的；
人眼感觉黑->白范围“有限”，灯泡可以无限，但感觉会趋于一个有限制值；

分析：此时输入是灯泡的强度，输出是人眼的感觉，大自然中，感觉的差别阈限随原来刺激量的变化而变化，这是著名的韦伯定律，下图显示了自然界的线性增长的亮度和人心里感觉的灰介关系图：
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当物理亮度达到白色的20%左右的时候，人的心目中已经感受到中灰色（即0.5处）的概念。而剩下的一半高光区的灰阶，需要用白色80%的物理能量才能照亮成白色。根据输入和输出的关系，可确定此时的Gamma大约在1.8~2.5，而现在大多数用2.2。

所以，GAMMA值的应用非常多，如图像的拍摄中的相机的GAMMA、图像显示中的显示器的GAMMA、图像输出中的打印机、印刷机等GAMMA等，不同设备的GAMMA描述的都是此设备的信号值对应的亮暗关系，而且，这些关系都是非线性的。

显示器的Gamma值

显示器的Gamma值表示了输入信号的颜色值以及发光的亮度之间的关系，也就是输出时从黑到白的亮度过渡。同样，其也是非线性关系的。使用不同的Gamma值：1.0(线性响应)，1.8~2.2(较暗的图像)，3.0(过暗的图像)显示同一幅图像：
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可见，较低的Gamma值(1.0)有一个较亮，较平稳的显示；而较高的Gamma值(2.2)有更高对比度的较暗的显示。现在显示器一般用8位深的RGB来记录数字图像，所以最大的数据存储量就是28 * 28 * 28 = 16,777,216，如果使用线性的方式进行存储自然中的亮度，那可能根本不够用。所以拍摄的图像先用GAMMA进行压缩，保留了大部分的中间和暗调细节，再通过GAMMA释放（校正）并显示，展示给人眼看见，保证了人眼在显示器上感觉和自然中相同。

什么是Gamma值为1.0线性响应?

对于采集设备，如相机或者扫描仪，Gamma为1.0的时候，图像不存在压缩和释放，直接将原自然高动态亮度1:1输出为高动态显示信号，如果不对图像进行GAMMA校正，整体图像会显得更亮，会失去更多的中间调和暗调，同时图像文件的大小也会更大。如我们熟知的RAW工作流程就是一种线性GAMMA流程。

显示器的Gamma值标准是多少?

GAMMA值没有标准，如果要正确的找到GAMMA的标准，只能通过每台显示器的调整GAMMA更适合人眼的感觉，即感觉白-黑之间的渐变平滑，而且中间灰处于0.5中间的位置，如下图（8位深的RGB编码模式下）：
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一般而言，显示器的GAMMA值会在1.8~2.5之间。由于最初的CRT显示器的GAMMA采用2.2，所以现在大部分显示器还是沿用2.2作为推荐的GAMMA值，但Mac中使用1.8。没有对与错，最正确的方法则是通过灰介自己找到最佳的GAMMA值。

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未使用GAMMA校正和使用1.8GAMMA校正的图像对比

为什么sRGB在Gamma0.45空间？

假设你用数码相机拍一张照片，你看了看照相机屏幕上显示的结果和物理世界是一样的。可是照相机要怎么保存这张图片，使得它在所有显示器上都一样呢？可别忘了所有显示器都带Gamma2.2。反推一下，那照片只能保存在Gamma0.45空间，经过显示器的Gamma2.2调整后，才和你现在看到的一样。换句话说，sRGB格式相当于对物理空间的颜色做了一次伽马校正。

还有另外一种解释，和人眼对暗的感知更加敏感的事实有关。
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如图，在真实世界中（下方），如果光的强度从0.0逐步增加到1.0，那么亮度应该是线性增加的。但是对于人眼来说（上方），感知到的亮度变化却不是线性的，而是在暗的地方有更多的细节。换句话说，**我们应该用更大的数据范围来存暗色，用较小的数据范围来存亮色。**这就是sRGB格式做的，定义在Gamma0.45空间。而且还有一个好处就是，由于显示器自带Gamma2.2，所以我们不需要额外操作显示器就能显示回正确的颜色。

打印机、印刷机Gamma值?

流程中的所有设备都有它们自己独有的Gamma特性，这也是为什么用Gamma查找表(LUTs)来生成显示器的Gamma以匹配其它设备的Gamma。如专业的扫描仪的Gamma值一直都是1.0，这样可以在扫描过程中得到最大的线性响应，而便宜的扫描仪则使用较高的Gamma值来避免多余的暗调噪声。

对于胶印，GAMMA是CMYK比例和人眼的亮度刺激关系，也就是密度值大小，所以我们通常使用“网点扩大”或者“TVI”，而不是“Gamma”，但是两者同理。它是设备的阶调响应以及中间调的主要影响因素，这点与Gamma类似。印刷机的网点扩大有点像1.7，1.8的Gamma。但是实际的值取决于印刷机、纸张、油墨等。相关的因素比显示器的GAMMA校正多很多。