理解gamma校正[译]

原文：
https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/gamma-correction.htm

这篇文章是我读过的讲gamma讲的最清楚、最易懂的，来龙去脉简明扼要。翻译出来分享给朋友们。这篇文章最重要的结论：gamma编码的目的仅仅是为了图像保存–而不是为了图像展示。

Gamma是数字图像领域中非常重要的特征，但是我们对它的了解不算多，它定义了像素值和实际光强的关系。不进行Gamma处理，我们看到的数码相机照片和真实的图像会有差别(在标准的显示器上观看)。Gamma也被称为 Gamma校正、Gamma编码、或者Gamma压缩。理解了Gamma工作机制，你可以更好的进行图像编辑和图片曝光处理。

Gamma为什么有用

1. 人眼和相机对光强的敏感度有差别

对数字相机而言，光强增加到两倍，传感器接收到的信号也是两倍(呈线性关系)。但是人眼对光强的反馈是是非线性的，对弱光的反应更敏感，亮度只增加了一点儿，我们可能就感觉增加到两倍–并且随着光强增加逐步变化(呈非线性变化)

图1.相机对50%亮度的反馈为50%

图2.人眼对约20%亮度的反馈为50%

人眼实际的感知依赖观察环境，还受附近颜色的影响。在极端的光照场景下，比如星光下人眼和相机的感光度一致，都呈线性。

与相机相比，人眼对暗色调的变化比较敏感，这是由于人的生物学机理，使得人类的视觉系统可以处理更广泛的光强，因为户外的物体明暗范围非常广，如果无差别的处理所有的明暗色调，对人眼是过重的负担。

技术要点

Gamma公式： $Vout = Vin^{gamma}$ ，Vin：输入光强值，即实际光强，Vout：输出光强值

图1中的蓝色曲线是基于gamma生成的，gamma<1时，蓝色线条往上弯曲，gamma>1时向下弯曲

2. Gamma编码的图像存储效率更高

因为gamma编码重新划分了颜色层级，使得其更符合人眼的感知，使用更少的bit可以表达相同的颜色范围。对相机而言则相反，过多的bit用于描述更亮的颜色(相机对亮色相对敏感)，更少的bit用于描述暗色调(相机对暗颜色相对不敏感)

上图中gamma编码的颜色变化使用了标准gamma值1/2.2，用5位共32个值表达颜色明暗范围。

注意观察，这32个值分配到暗色调范围不足，分配到亮色范围又过多。而经过gamma编码的颜色变化基本上均匀的摊开到整个范围(“感知上是均匀的”)，这也保证了之后的图像编辑处理，颜色和直方图都是基于自然的、感知上的均匀色调。

真实的图片大部分有256个值(8位)，足以保证打印出来的颜色是平滑、连续的。如果使用线性编码，要避免图片色调分离(image posterization)，需要8倍的色值(11位)来存储图片单个颜色。

Gamma工作流程：编码与校正

尽管有这些好处，gamma编码增加了图像保存、显示的复杂度。下一步是大家最容易困惑的点，我们讲慢一点。

要显示gamma编码的图片，必须先经过gamma校正处理，以还原出原始的图像。换句话说，gamma编码的目的仅仅是为了图像保存–而不是为了图像展示。【译者注，这是本篇最重要的观点】。第二步就比较幸运了，display gamma(显示gamma)已经被显示器、视频卡处理了，不用我们手动计算转换了

图4. 1描述sRGB空间的图片(gamma≈1/2.2), 2描述display gamma=2.2

Image Gamma.用于相机或者RAW开发软件，将捕捉到的图像转换到标准的JPEG或TIFF文件，将相机捕获到的颜色值重新分配以保证在感知上更均匀。同时，给定相同的bit depth，能更高效的利用存储空间
display gamma. 指视频卡和展示设备的总影响，实际有可能是一系列的gamma处理的加和。display gamma的目的是抵消image gamma，还原真实的图像，在显示器上呈现时不会变的更亮(不真实)。当然，偏大的display gamma会导致图像变暗。
System Gamma. 表示整个过程中，作用于图像的所有gamma值的总效果，也被称为"viewing gamma". 为了高保真还原图像场景，system gamma应该接近一条直线(gamma = 1.0)。直线确保输入(原始的场景)和输出(屏幕展示或者打印)保持一致。有时候system gamma会略大于1.0，以提升对比度，这么做可以补偿显示器的动态范围的不足，或者补偿不太理想的观看环境及图像斑点

下面展开说明

图片gamma (image gamma)

图片的gamma通常由颜色属性定义，嵌在图片文件中。大部分的图片文件中gamma = 1/2.2(比如sRGB、Adobe RGB 1988 color)，注意，RAW格式用linear gamma，然而RAW图像查看器通常也会默认使用1/2.2的gamma值，这样会看起来不那么暗。

图5.

如果没有颜色描述文件，会假设gamma等于1/2.2。没有颜色描述的文件有PNG、GIF格式，有些JPEG图片比较特殊，没有gamma属性但是设置了"save for the web"

技术要点-camera gamma

大部分的数码相机，除开极暗和极亮的区段，记录光强是线性的，gamma值也假定是1.0。所以image file gamma是encoding gamma和camera gamma的和，而由于camera gamma权重较小通常被忽略，有些相机制造商可能会微调色调曲线以改变image file gamma

Display Gamma

当你调整显示器色调校正或对比度时，会用到Display Gamma。幸运的事，工业界达成共识，用2.2作为标准的display gamma，所以我们不用考虑display gamma设置成哪个值更好。老的苹果电脑使用过1.8，这就使得其他电脑的图片在mac 上看起来更亮一点，不过现在也统一了。

回顾下，display gamma补偿了图片文件gamma，补偿的净结果称为system/overall gamma。

用标准gamma编码图片(蓝色曲线), 不同display gamma值(红色曲线)对应的整体效果(紫色曲线)如下, 可以看到display gamma值越大图片越暗:

上图中，假设显示器的gamma是标准值2.2。

回顾下前面讲的,image file gamma(蓝色) + display gamma(红色)等于overall system gamma(紫色)。注意，gamma值增大会造成红色曲线向下弯曲

如何理解上图。第一张图(从左至右顺序)最亮是因为display gamma(红色)对image gamma(蓝色)的校正效果为0，导致overall system gamma(紫色)向上弯曲。第二张图中，display gamma没有彻底抵消掉image gamma，导致overall system gamma曲线依然有点上扬(图片略微变亮)。第三张图中，display gamma 精确的校正了image gamma，输出线性的overall system gamma。最后一张图中，display gamma过度补偿了图片gamma，导致overall system gamma向下弯曲

overall display gamma实际上有两部分组成：

显示器/LCD 硬件造成的native gamma
视频处理器的gamma，或者设计人员增加给显示器的gamma校正

图7.

这两部分的影响依赖显示器的类型。

CRT Monitors. 因为一些偶然的工程上的幸运，CRT的native gamma是2.5，接近于人眼的逆处理。所以经过gamma编码的图像文件直接在CRT显示器上显示，接近原始的图像。然而，制造商还是会增加一个≈1/1.1的调整系数，以保证display gamma为2.2，这个值也可以在显示器上设置。

LCD 显示器. LCD显示器就没有这么幸运。要保证display gamma为2.2经常要经过大量的校正，而且一致性也没有CRT显示器好。为此，LCD上会用到look-up table(LUT)以确保输入值能达到预想的gamma值。

技术要点

display gamma可能会有点容易混淆。这个术语经常可以换成gamma校正，因为它确实是对图像文件进行校正。但是，这两个值不一定相等。

gamma校正有时候以encoding gamma的形式定义，即对什么gamma值进行补偿，而不是实际计算用到的值。
比如说，我们用1.5的gamma校正，其实际的值是1/1.5，因为1/1.5的gamma 抵消了1.5的gamma(1.5 * 1/1.5 = 1.0).

gamma校正值越大图像越亮(与display gamma相反)【译者注，这一段描述不太清晰，感觉有点蒙的可以略过，不影响对整篇文章的理解】

其他概念 & 后续阅读

其他的要点及说明如下：

Dynamic Range(动态范围). 除了增加图像存储利用率，gamma编码还增加了可记录的dynamic range(给定位深). gamma可以通过提高图像对比，使得显示器、打印机管理有限的dynamic range(与原始图像相比)。
Gamma Correction(gamma校正). "gamma correction"实际上是一个涵盖范围很广的术语，只要有gamma相互抵消就可以叫gamma校正。所以，尽量避免使用这个术语。
Gamma Compression & Expansion(gamma压缩与膨胀).这个术语对应gamma的值，小于1为压缩，大于1为膨胀。所以，image file gamma可以被称为gamma压缩，display gamma可以被称为gamma膨胀
Applicability(适用性). 严格说，gamma指的是色调曲线，用简单的幂律(Vout = Vin^gamma)表达，但是也经常指其他的色调曲线。比如，sRGB颜色空间在低亮度区间是线性的，高亮度区间为曲线，这两段区间都不是标准的gamma幂指数，但是整体的gamma也近似为2.2
Is Gamma Required(gamma是必须的吗)?否，线性gamma(RAW)图像依然存在，前提是配合线性的gamma display使用，这种场景就没有利用gamma的存储优势