了解伽馬GAMMA伽馬值光灰系數(shù)

1、了解伽馬（GAMMA、伽馬值、光度、灰度系數(shù)）來源：pconline 日期：2007-08-26 00:05一. 在哪見過、聽說過Gamma？ * 還用說，Adobe Gamma* 常聽說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Gamm

2、a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 這些都是怎么回事？圖：顯卡（驅(qū)動(dòng)程序）上的Gamma設(shè)置圖：ACDSEE中的曝光調(diào)節(jié)二. 什么是Gamma？2.1. 顯示器Gamma曲線Gamma可能源于CRT（顯示器/電視機(jī)）的響應(yīng)曲線，即其亮度與輸入電壓的非線性關(guān)系。圖：一典型顯示器 的響應(yīng)曲線，非常接近指數(shù)函數(shù) (說明：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?？梢杂靡缓唵蔚暮瘮?shù)來表示：output = input ga

3、mmagamma就是指數(shù)函數(shù)中的冪。圖：歸一化的Gamma曲線注意上圖曲線的一些特性：* 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)，曲線在gamma=1斜線的下方；反之則在上方。另外說明一下，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。至少我知道的數(shù)碼機(jī)機(jī)/攝像頭里的sensor也存在gamma曲線及gamma校正。2.2. 檢查顯示系統(tǒng)的Gamma值在PC

4、上，好像還沒有什么軟件方法可以得到系統(tǒng)的Gamma值（4.1會(huì)說明這一點(diǎn)）。有人做了一些圖片，可以粗略估計(jì)。其原理和Adobe Gamma類似。圖：Gamma對(duì)照?qǐng)D使用方法：與Adobe Gamma類似，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：如果您沒有做任何Gamma校正（沒有使用Adobe Gamma之類的軟件，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，否則只能稱為系統(tǒng)Gamma（或復(fù)合Gamma）。如筆者的ACER AL1916W的GAMA值為2.0左右。另外，通過顯示器自帶的ICC Profile是可以知道顯示

5、器的Gamma的，這個(gè)應(yīng)該比較準(zhǔn)。三. 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（類似的，這種關(guān)系被稱作系統(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)線性的關(guān)系。注意這里有一點(diǎn)混亂。通常我們說做一個(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。圖：Gamma校正示意圖對(duì)于PC

6、，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），一般沒有內(nèi)置的校正，所以我們說Adobe Gamma對(duì)Windows系統(tǒng)默認(rèn)的校正系數(shù)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的校正才成為線性的。下文對(duì)各種系統(tǒng)下的gamma校正過程有更詳細(xì)的說明。四. 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)沒有聽說過有何補(bǔ)償，即使有，它們也對(duì)外呈現(xiàn)一定的gamma值。主要的補(bǔ)償發(fā)生在顯卡及其驅(qū)動(dòng)程序類。如果顯卡硬件不支持，則由驅(qū)動(dòng)程序軟件完成。在Windows中，上層通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)程

7、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)榇耍荒芡ㄟ^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。還有人說它們是共同作用的?，F(xiàn)在我完全明白了，沒有迭加關(guān)系，最后

8、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。）圖：Gamma Panel，一個(gè)校正系統(tǒng)Gamma的小工具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：ACDSEE瀏覽圖片時(shí)可加載Gamma校正功能圖中左邊是由IE打開的同一

9、圖片（無Gamma校正），可以看出它們的亮度不同。（不過，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)寫入文件內(nèi)，而不改變文件內(nèi)容，而瀏覽/處理軟

10、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。五. 改變Gamma帶來的影響 5.1. 影調(diào)的變化通常的感覺是，系統(tǒng)gamma高，圖像會(huì)發(fā)暗，而校正后，畫面變亮。觀察下列圖片。兩個(gè)對(duì)應(yīng)的File Gamma=2.5的圖片是為了模擬系統(tǒng)Gamma的變化。或者也可以用Gamma Panel之類的工具，將Gamma校正系數(shù)設(shè)為1.02.5觀察（每組中的第1個(gè)圖片)。圖 灰度圖0-128, Fi

11、le Gamma=1.0圖 灰度圖0-128, File Gamma=2.5 圖 灰度圖128-255, File Gamma=1.0圖 灰度圖128-255, File Gamma=2.5圖：很直觀的調(diào)整Gamma值的例子 結(jié)論：* 當(dāng)系統(tǒng)Gamma高（Gamma校正=1.0）時(shí)，看到的圖像暗部影調(diào)豐富；反之，則亮部豐富。* Gamma校正設(shè)為2.5時(shí)看到的File Gamma=2.5的圖片，和校正設(shè)為1.0時(shí)看到的File Gamma=1.0的圖片相當(dāng)。5.2. 顏色的變化很顯然，Gamma的變化帶來亮度的變化。而單獨(dú)改變某個(gè)通道的Gamma，則會(huì)則會(huì)帶來色調(diào)（Hue）的變化。Gamma

12、Correction = 1.0 Gamma Correction = 2.5Source Output Source OutputR 80% R 57% R 80% R 80%G 20% G 0% G 20% G 20%B 20% B 0% B 20% B 20%當(dāng)然，如果顯示器本來就偏色，我們則可以改變某個(gè)通道的Gamma使其總體上保持均衡。5.3. 其它其它影響在后面有說明或提及。六. 校正Gamma的理由主要指是否要將系統(tǒng)Gamma校正到1.0。因?yàn)樾Ｕ偸谴嬖诘?。（下同?.1. 標(biāo)準(zhǔn)化及互換性如果數(shù)碼相機(jī)/掃描儀給你一個(gè)Gamma=1.0的圖片，你最好是在系統(tǒng)Gamma=1.0的系

13、統(tǒng)上查看；或者當(dāng)你的數(shù)碼圖片要拿去輸出時(shí)，對(duì)方系統(tǒng)Gamma=1.0；（這部分涉及到色彩空間、ICC Profile，我還不太清楚，而且接觸的設(shè)備非常有限，不多說了。）6.2. 算法上的要求在涉及不同灰度的混合時(shí)，就會(huì)對(duì)gamma有要求。一個(gè)簡單的例子，考慮在填充時(shí)，一半的黑（0）+一半的白（255），效果應(yīng)該和50%的灰（128）相同。但這僅在系統(tǒng)gamma=1.0時(shí)成立。又如，彩色轉(zhuǎn)黑白時(shí)常說的：30% R + 59% G + 11% B，也是針對(duì)gamma=1.0而言。同樣，許多算法也是針對(duì)1.0的系統(tǒng)gamma，否則算法內(nèi)要做gamma校正。下面是一個(gè)抗距齒（anti-alias，反走

14、樣）的例子。圖： 通常情況下的邊緣由于只能在矩形的點(diǎn)陣中畫斜線，而斜線的像素值為全黑，當(dāng)斜線較陡（或平）時(shí)，就會(huì)有明顯的鋸齒感。圖：采用anti-alias后，鋸齒感沒有那么明顯了在Photoshop中放大查看此圖片，就會(huì)發(fā)現(xiàn)邊緣不是全黑的，而是漸變的。（這是對(duì)anti-alias的直觀理解。）注：不要用ACDSEE放大查看，它默認(rèn)的放大算法是插值的，無法看清像素的原貌。圖：anti-alias并gamma校正后，鋸齒感完全消失當(dāng)然，如果你保持系統(tǒng)gamma=1.0去查看上面的圖片，就會(huì)發(fā)現(xiàn)第2張圖完全無鋸齒感，第3張圖反而有一點(diǎn)。（這不是也可以作為一種估計(jì)系統(tǒng)gamma的方法嗎）七. 不校正

15、Gamma的理由 7.1. 現(xiàn)實(shí)的非標(biāo)準(zhǔn)化假定你的圖片作為Web發(fā)布，你的用戶（觀眾）的系統(tǒng)Gamma會(huì)是1.0嗎？即使可以假定色影無忌的泡菜會(huì)用Adobe Gamma將他們的系統(tǒng)Gamma校正到1.0左右，但絕大多數(shù)普通用戶呢？在接觸到Photoshop前，我是不知道什么Gamma的。也許只能折衷吧。（MAC通過硬件只校正到1.8，SGI只校正到1.4，不知道有沒有這方面的原因。）Making Good Cross Platform And WWW Pictures 而我們整天面對(duì)的操作系統(tǒng)，它默認(rèn)用戶界面的設(shè)計(jì)，又是以什么系統(tǒng)Gamma值為前提的呢？似乎設(shè)為1.0并不是最舒服的。PNG文件

16、格式提供了Gamma補(bǔ)償?shù)墓δ?，但并沒有流行起來，因?yàn)槿藗儾恢浪麄兊南到y(tǒng)Gamma是多少（當(dāng)然還有別的原因）。相關(guān)新聞鏈接：The Sad Story of PNG Gamma “Correction”7.2. 更符合視覺特性就人的感知覺，心理量和物理量一般呈對(duì)數(shù)關(guān)系，視覺也不例外。雖然這個(gè)對(duì)數(shù)關(guān)系和那個(gè)指數(shù)關(guān)系并不嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，但方向上是一致的。即越暗處感覺越細(xì)（對(duì)同等光強(qiáng)的變化，暗處比亮處敏感），而對(duì)于（未校正的）顯示器gamma曲線（gamma值大于1），也是暗處對(duì)應(yīng)的層次更多。比如對(duì)gamma=2，以一半的光強(qiáng)為分界，0182對(duì)應(yīng)于暗的一半，182255對(duì)應(yīng)于亮的一半。7.3. 可能導(dǎo)致顏色數(shù)的減少這是由于數(shù)字量的舍入誤差造成的。輸入數(shù)據(jù)按通常的每通道8位計(jì)算，當(dāng)顯卡（DAC）精度只有8位時(shí)就會(huì)發(fā)生。x = 0:255; y = uint8(x / 255) . gamma * 255); n = histc(y, x); count = sum(n>0)當(dāng)gamma=2（或0.5）時(shí)，結(jié)果count=192，即256色變?yōu)榱?92色。若三通道Gamma值（校正系統(tǒng)）相同，則總共的顏色數(shù)為1923 = 707,788色，而24位色原本為16,777,216。當(dāng)然，對(duì)10bit,