理解 Gamma

作者：較瘦

發(fā)表時(shí)間：2005.4.20

　　關(guān)于Gamma的學(xué)習(xí)筆記。歡迎參觀、指導(dǎo)。。

　　1. 在哪見(jiàn)過(guò)、聽(tīng)說(shuō)過(guò)Gamma？

　　2. 什么是Gamma？

　　2.1. 顯示器Gamma曲線(xiàn)

　　2.2. 檢查顯示系統(tǒng)的Gamma值

　　3. 什么是Gamma校正？

　　4. Gamma校正可能發(fā)生在哪里

　　4.1. 系統(tǒng)級(jí)（硬件、操作系統(tǒng)）

　　4.2. 應(yīng)用程序級(jí)

　　4.3. 文件級(jí)

　　5. 改變Gamma帶來(lái)的影響

　　5.1. 影調(diào)的變化

　　5.2. 顏色的變化

　　5.3. 其它

　　6. 校正Gamma的理由

　　6.1. 標(biāo)準(zhǔn)化及互換性

　　6.2. 算法上的要求

　　7. 不校正Gamma的理由

　　7.1. 現(xiàn)實(shí)的非標(biāo)準(zhǔn)化

　　7.2. 更符合視覺(jué)特性

　　7.3. 可能導(dǎo)致顏色數(shù)的減少

　　8. 結(jié)論

　　1. 在哪見(jiàn)過(guò)、聽(tīng)說(shuō)過(guò)Gamma？

　　* 還用說(shuō)，Adobe Gamma

　　* 常聽(tīng)說(shuō)MAC的默認(rèn)Gamma是1.8，PC的是2.2

　　* 我的顯卡驅(qū)動(dòng)程序里有Gamma調(diào)節(jié)

　　* 我下載了一個(gè)軟件，也可以調(diào)節(jié)顯示器的Gamma

　　* WinDVD播放器帶Gamma校正功能

　　* ACDSEE的曝光調(diào)節(jié)里可以調(diào)Gamma

　　* ACDSEE的選項(xiàng)中有Enable Gamma Correction

　　* XV Viewer 能以參數(shù)-gamma 2.2 啟動(dòng)（x window也可以）

　　* PNG文件里有Gamma校正

　　* Photoshop里當(dāng)然也有

　　* ICC Profile也和Gamma有關(guān)？

　　* 攝像頭、數(shù)碼相機(jī)、掃描儀？膠片？……中也有提到Gamma的

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　　這些都是怎么回事？

　　圖 1-1 顯卡（驅(qū)動(dòng)程序）上的Gamma設(shè)置現(xiàn)在很多顯卡上都有Gamma設(shè)置（圖中是一破爛集成顯卡）。

　　圖 1-2 ACDSEE中的曝光調(diào)節(jié)

　　2. 什么是Gamma？

　　2.1. 顯示器Gamma曲線(xiàn)

　　Gamma可能源于CRT（顯示器/電視機(jī)）的響應(yīng)曲線(xiàn)，即其亮度與輸入電壓的非線(xiàn)性關(guān)系。

　　圖 2-1 一典型顯示器 的響應(yīng)曲線(xiàn)，非常接近指數(shù)函數(shù) 圖片來(lái)源：http://radsite.lbl.gov/radiance/refer/Notes/gamma.html （說(shuō)明：上圖中輸入值為數(shù)字化的，即通常的RGB值，但可以理解數(shù)/模轉(zhuǎn)換是線(xiàn)性的，所以它和輸入電壓是等效的。）

　　歸一化后，我們通�？梢杂靡缓�(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)表示： output = input ^ gamma

　　gamma就是指數(shù)函數(shù)中的冪

　　圖 2-2 歸一化的Gamma曲線(xiàn) 圖片來(lái)源：http://www.teamten.com/lawrence/graphics/gamma/

　　注意上圖曲線(xiàn)的一些特性：

　　* 端點(diǎn)是不變的，即不管gamma值如何變化，0對(duì)應(yīng)的輸出始終是0，1的輸出始終是1（這一特性會(huì)被用到）。這可能是gamma又被叫作“灰度”系數(shù)的原因吧。

　　* gamma > 1時(shí)，曲線(xiàn)在gamma=1斜線(xiàn)的下方；反之則在上方。

　　另外說(shuō)明一下，雖然是以顯示器作為例子，但可擴(kuò)展到一般的圖像相關(guān)的輸入/輸出設(shè)備。Gamma曲線(xiàn)應(yīng)該是普遍存在的，即使它不是嚴(yán)格的指數(shù)關(guān)系，可能還是會(huì)這么通稱(chēng)。至少我知道的數(shù)碼機(jī)機(jī)/攝像頭里的sensor也存在gamma曲線(xiàn)及gamma校正。

　　2.2. 檢查顯示系統(tǒng)的Gamma值

　　在PC上，好像還沒(méi)有什么軟件方法可以得到系統(tǒng)的Gamma值（4.1會(huì)說(shuō)明這一點(diǎn)）。有人做了一些圖片，可以粗略估計(jì)。其原理和Adobe Gamma類(lèi)似。    

　　圖 2-3 Gamma對(duì)照?qǐng)D 圖片來(lái)源：http://radsite.lbl.gov/radiance/refer/Notes/gamma.html

　　另有一張類(lèi)似的圖片： /Article/UploadPic/2005-6/20056820102824.gif

　　使用方法：與Adobe Gamma類(lèi)似，即瞇著眼，或站遠(yuǎn)點(diǎn)，或近視眼取下眼鏡，總之當(dāng)左邊糊成一片，而右邊某欄的亮度和左邊相當(dāng)時(shí)。

　　注意：如果您沒(méi)有做任何Gamma校正（沒(méi)有使用Adobe Gamma之類(lèi)的軟件，或雖使用了但校正系數(shù)設(shè)為1.0），測(cè)得的才是顯示器的Gamma，否則只能稱(chēng)為系統(tǒng)Gamma（或復(fù)合Gamma）。 另外，通過(guò)顯示器自帶的ICC Profile是可以知道顯示器的Gamma的，這個(gè)應(yīng)該比較準(zhǔn)。我看了自己的G71f+，大約是2.2.

　　3. 什么是Gamma校正？

　　從一個(gè)數(shù)字化的圖片文件，到我們最終看到的圖片，中間要經(jīng)過(guò)許多環(huán)節(jié)。幾乎在任何一個(gè)環(huán)節(jié)上，都可以加入一些變換，以改變最終輸出和最初輸入的關(guān)系（類(lèi)似的，這種關(guān)系被稱(chēng)作系統(tǒng)Gamma或復(fù)合Gamma）。

　　比如，對(duì)gamma=2.5的顯示器，在數(shù)據(jù)傳遞到顯示器之前，將其做一個(gè)gamma=0.4的變換（比如對(duì)顯卡緩存中的數(shù)據(jù)，d’ = d ^ 0.4），這樣就能從總體上得到一個(gè)線(xiàn)性的關(guān)系。 注意這里有一點(diǎn)混亂。通常我們說(shuō)做一個(gè)gamma=c的校正，意思是指做output = input ^ (1/c)的變換。有一個(gè)倒數(shù)關(guān)系。

　　對(duì)于PC，顯示器的Gamma是2.2左右（可能以前更多的是2.5，現(xiàn)在好像趨向2.2了），一般沒(méi)有內(nèi)置的校正，所以我們說(shuō)Adobe Gamma對(duì)Windows系統(tǒng)默認(rèn)的校正系數(shù)是2.2。對(duì)于MAC，顯示器的Gamma是2.5，硬件內(nèi)置了1.4的校正，所以它還需要2.5/1.4~=1.8的校正才成為線(xiàn)性的。下文對(duì)各種系統(tǒng)下的gamma校正過(guò)程有更詳細(xì)的說(shuō)明。 http://www.cgsd.com/papers/gamma_diagram.html

　　4. Gamma校正可能發(fā)生在哪里

　　4.1. 系統(tǒng)級(jí)（硬件、操作系統(tǒng)）

　　顯示器內(nèi)沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)有何補(bǔ)償，即使有，它們也對(duì)外呈現(xiàn)一定的gamma值。DVI接口的及LCD類(lèi)顯示器不清楚。 主要的補(bǔ)償發(fā)生在顯卡及其驅(qū)動(dòng)程序類(lèi)。如果顯卡硬件不支持，則由驅(qū)動(dòng)程序軟件完成。在Windows中，上層通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的一個(gè)接口函數(shù)（DrvIcmSetDeviceGammaRamp）向其傳遞Gamma校正表（LUT），這個(gè)表的大小是3*256項(xiàng)（每項(xiàng)16字節(jié)），對(duì)應(yīng)于RGB三個(gè)通道，每個(gè)通道256級(jí)。描述這一細(xì)節(jié)，可以對(duì)有些事情更有把握：

　　* 這種校正實(shí)際上可以是任意函數(shù)，而不限于gamma為冪的指數(shù)函數(shù)。

　　* 也是因?yàn)榇�，不能通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序得到系統(tǒng)的gamma值（因?yàn)樽疃嘀荒艿玫侥莻�(gè)表）。

　　* 這一設(shè)置對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有效（任何程序，任意顯示的圖片都受它影響）。

　　以前我一直不明白Adobe Gamma和驅(qū)動(dòng)程序的Gamma是什么關(guān)系，它們一起出現(xiàn)就不知所措。還有人說(shuō)它們是共同作用的�，F(xiàn)在我完全明白了，沒(méi)有迭加關(guān)系，最后者的設(shè)置有效。而且，Adobe Gamma也不必是（實(shí)際上也不是）一個(gè)駐留程序，它僅在啟動(dòng)時(shí)將那個(gè)表傳給驅(qū)動(dòng)程序就完成了它的任務(wù)。

　　還可以用其它程序來(lái)校正/設(shè)置gamma，下面是一個(gè)方便的小工具：Gamma Panel。（查看本文中的圖片，需要經(jīng)常改變gamma，最好下一個(gè)，F(xiàn)ree的。） http://www.stars.benchmark.pl/index.php?show=gapa&SID=5c96c83c7df02e6e44dea37584af9534    

　　圖 4-1 Gamma Panel，一個(gè)校正系統(tǒng)Gamma的小工具 圖中的Gamma是校正系數(shù)，即實(shí)際曲線(xiàn)是：output = inupt ^ (1/gamma)

　　4.2. 應(yīng)用程序級(jí)

　　如前提到的，某些播放軟件有Gamma校正功能，ACDSEE也有。這時(shí)，它們不是修改系統(tǒng)的Gamma校正表，而是在解碼時(shí)對(duì)當(dāng)前幀/圖像作了實(shí)時(shí)的Gamma變換。    

　　圖 4-2 ACDSEE瀏覽圖片時(shí)可加載Gamma校正功能 圖中左邊是由IE打開(kāi)的同一圖片（無(wú)Gamma校正），可以看出它們的亮度不同。（不過(guò)，黑框和白邊是相同的。）

　　4.3. 文件級(jí)

　　如前面提到的（圖 1-2 ACDSEE中的曝光調(diào)節(jié)），某些圖像處理軟件可以調(diào)整文件的Gamma，這種調(diào)整的結(jié)果將寫(xiě)入文件（即相當(dāng)于對(duì)圖像進(jìn)行某種處理）。比如，當(dāng)你的PC未進(jìn)行Gamma校正（你的系統(tǒng)Gamma=顯示器的Gamma約2.2），這時(shí)你可以把文件的Gamma調(diào)為2.2保存，你以及其它未校正系統(tǒng)Gamma的PC用戶(hù)看到的這個(gè)圖片應(yīng)是正好的。（注意，這里有一個(gè)前提即原始圖片在Gamma=1的系統(tǒng)上看是“正好”的。）

　　另一種方式則是將Gamma校正的系數(shù)寫(xiě)入文件內(nèi)，而不改變文件內(nèi)容，而瀏覽/處理軟件在解碼這一圖像時(shí)會(huì)依據(jù)這一參數(shù)對(duì)它單獨(dú)進(jìn)行Gamma校正。（這被稱(chēng)作“文件Gamma”。PNG格式支持）

　　總之，不管Gamma校正發(fā)生在哪一環(huán)節(jié)，它們是等效的（在理想情況下/或近似地看）。明白在哪些環(huán)節(jié)Gamma發(fā)生了怎樣的變化，然后做一些乘除法就可以了。