Resumen
En primer lugar, me gustaría decir que he estado expuesto al concepto de Gamma durante mucho tiempo y no lo he estudiado en serio. Saberlo pero no sé por qué. Sucedí que aprendí esta parte recientemente , y quiero entenderla completamente.
CRT
Hablando de gamma, debe haber un CRT (tubo de rayos catódicos).
CRT (tubo de rayos catódicos) es el dispositivo de visualización utilizado en la mayoría de los monitores de computadora, monitores de video, receptores de televisión y osciloscopios, inventado por el científico alemán Karl Ferdinand Braun en 1897. Su característica es que la pantalla fluorescente emite luz visible cuando es irradiada por el haz de electrones emitido por el cátodo calentado. Los electrones se concentran en un haz de luz, que se desvía bajo la acción de un campo magnético, escaneando el extremo de visión (ánodo) cubierto por el material fosforescente. Cuando los electrones golpean este material, emiten luz.
En un tubo de rayos catódicos de televisión (CRT), se escanea toda el área del tubo de imagen en un patrón fijo, que se denomina trama. Al ajustar la intensidad del haz de electrones a través de la señal de video, se puede generar una imagen. En los televisores modernos, el haz de electrones es escaneado por un campo magnético que actúa sobre el cuello del tubo de electrones a través de un yugo (un conjunto de bobinas accionadas por circuitos electrónicos). Los tubos de rayos catódicos de color utilizan tres materiales diferentes, que emiten luz verde, azul y roja, dispuestos de forma estrecha en tiras (en el diseño de la rejilla de apertura) o en grupos (en el tubo de rayos catódicos de la máscara de sombra). Hay tres cañones de electrones, uno para cada color, y cada cañón de electrones solo puede alcanzar un punto de un color.
En los primeros días de la televisión, se descubrió que los tubos de rayos catódicos no producen una intensidad de luz proporcional al voltaje de entrada. La relación entre la señal de video y la luz (función de transferencia) generada por el tubo de rayos catódicos no es lineal, y generalmente se describe en la ley de potencia:
El valor de Gamma (γ) es 2.8 (PAL y SECAM) o 2.2 (NTSC). La función de transferencia a menudo se llama curva. Es causado por el efecto electrostático dentro del cañón de electrones . El gráfico de esta relación es el siguiente:
Según esta relación, el brillo que se muestra en la pantalla será más oscuro de lo esperado.
Por ejemplo, si hay una relación lineal, el 50% de la luz incidente debería emitir el 50% del brillo; pero de acuerdo con esta relación exponencial, \ (50 \% ^ {2.2} = 21.8 \% \) , de hecho, solo en monitores CRT El brillo de salida es del 21.8%, ¡menos de la mitad del brillo esperado!
Codificación gamma
La gente ha descubierto el problema de la TRC y debe encontrar una manera de resolverlo.
Una solución concebible es cambiar la pantalla CRT para que pueda emitir linealmente. Sin embargo, muchos monitores CRT ya existían en ese momento, y no sería muy realista si fueran reconstruidos. Teniendo en cuenta la situación en ese momento, no hay muchos dispositivos de adquisición de imágenes, como cámaras, ¿se pueden mejorar para resolver el problema CRT Gamma? La respuesta es si.
Equipo de adquisición de gráficos, el brillo recogido en realidad es lineal. Antes de que necesite almacenar los datos recopilados, puede realizar la codificación Gamma, que también se ajusta a la ley de potencia:
Para expresar esta relación con las imágenes, de la siguiente manera:
La pregunta viene, entonces, ¿por qué se puede resolver el problema Gamma de CRT?
Matemáticamente, las operaciones a realizar al almacenar imágenes son:
Para mostrar la imagen en la pantalla, las operaciones a realizar son:
Por lo tanto, el resultado final en la pantalla es lineal. Este proceso se muestra a continuación:
De esta manera, el problema Gamma de CRT se puede resolver.
Muchos artículos mencionaron que la codificación Gamma está relacionada con la respuesta no lineal de la visión humana al brillo. Esto no es exacto.
Esta confusión probablemente se deba a la relación exponencial muy similar entre la codificación Gamma (aproximadamente \ (x ^ {0.45} \) ) y la visión humana (aproximadamente \ (x ^ {0.42} \) ), pero esto es solo una coincidencia.
Dicho esto, esta relación similar tiene un beneficio significativo. Dado que los niveles de tono redistribuidos por el código Gamma están más cerca de cómo los perciben nuestros ojos, nuestra expresión de la parte oscura es más refinada, mientras que la expresión de la parte brillante será más simple.
Esto se debe a que la visión humana es más sensible a los cambios en las partes oscuras que en las partes brillantes . Al codificar los datos de una manera que coincida con nuestro sistema de visión, los valores de tono se pueden distribuir de manera más eficiente. En otras palabras, en la parte brillante, es difícil ver diferencias sutiles; sin embargo, en la parte oscura, podemos detectar el mismo cambio absoluto. Por lo tanto, incluso si hay menos tonos con niveles de brillo más altos, no percibiremos ninguna diferencia.
Por lo tanto, bajo la premisa del mismo ancho de banda / espacio de almacenamiento, tanto como sea posible para almacenar más información en la parte oscura puede brindar más información a las personas.
La representación gráfica de la codificación Gamma es la siguiente. Se puede ver que cuando la entrada x es relativamente baja, y tiene un mayor crecimiento; mientras que cuando x es relativamente grande, el crecimiento de y es relativamente plano. Entonces podemos usar más espacio para procesar la información de la parte oscura.
Es importante recordar que esta no es la razón de nuestras imágenes codificadas con Gamma, solo un efecto secundario interesante.
sRGB (estándar Rojo Verde Azul)
sRGB es un espacio de color y es el estándar de facto para los dispositivos electrónicos de consumo actuales, incluidos monitores, cámaras digitales, escáneres, impresoras y dispositivos de mano. También es el espacio de color estándar para imágenes en Internet.
La especificación sRGB define qué gamma se usa para codificar y decodificar imágenes sRGB. El sRGB Gamma está muy cerca del estándar Gamma2.2.
Debido a que el monitor siempre muestra colores aplicados con gamma en el espacio sRGB, cada vez que dibuja, edita o dibuja una imagen en la computadora, el color que elija se basa en lo que ve en el monitor Especies En realidad, esto significa que todas las imágenes que crea o edita no están en el espacio lineal, sino en el espacio sRGB. Si duplica el rojo en su pantalla, se basa en el brillo que percibe. Duplica el elemento rojo.
Aquí se consideran dos casos: uno es que la imagen es generada por un dispositivo de adquisición de imágenes (como una cámara); el otro es que el artista dibuja la imagen en la computadora.
Para el primero, después de que el dispositivo recoge la imagen, la imagen lineal se codifica con Gamma, es decir , se aplica el mapeo de la relación de función de potencia de \ (V_ {encode} = V_ {linear} ^ {\ gamma} \) . Aquí, \ (\ gamma \) es aproximadamente igual a 0.45 ( \ (1 / 2.2 \) ). En este punto, la imagen se almacena en el espacio sRGB.
Con respecto a esto último, cuando el artista dibuja en la computadora, no está en el espacio lineal, sino en el espacio sRGB.
Flujo de trabajo gamma
A pesar de estos beneficios, la codificación Gamma agrega una capa de complejidad al proceso de grabación y visualización de imágenes. Cuando se muestra una imagen codificada con Gamma en la pantalla, debe tener una decodificación Gamma, que se considera como un efecto de conversión efectiva a la escena original. En otras palabras, el propósito de la codificación Gamma es grabar imágenes, no mostrar imágenes. Afortunadamente, el monitor y la tarjeta de video realizan automáticamente este segundo paso ("decodificación gamma"). El siguiente diagrama ilustra cómo se combina todo esto:
- Imagen \ (\ gamma \) : cuando la imagen capturada se convierte en un archivo JPEG o TIFF estándar, la cámara o el software de desarrollo original aplicarán este método. Redistribuye los tonos inherentes de la cámara en tonos más consistentes, haciendo así el uso más efectivo de una profundidad de bits dada.
- Display \ (\ gamma \) : se refiere al impacto neto de su tarjeta gráfica y dispositivo de visualización, por lo que en realidad puede estar compuesto por varios gammas. El objetivo principal de mostrar \ (\ gamma \) es compensar la gamma del archivo, para garantizar que la imagen no se ilumine de manera poco realista cuando se muestra en la pantalla. Una pantalla más alta \ (\ gamma \) da como resultado una imagen más oscura con mayor contraste.
- Sistema \ (\ gamma \) : representa el efecto neto de todos los valores de gamma aplicados a la imagen, también conocido como "ver gamma". Para reproducir fielmente la escena, esta debe estar cerca de una línea recta (Gamma = 1.0). Una línea recta asegura que la entrada (escena original) sea la misma que la salida (la luz que se muestra en la pantalla o en la impresión). Sin embargo, para mejorar el contraste, el sistema Gamma a veces se configura un poco más grande que 1.0. Esto ayuda a compensar las limitaciones causadas por el rango dinámico del dispositivo de visualización, o debido a condiciones de visión no ideales y destellos de imagen.