 |
Гамма-коррекция — коррекция яркости цифрового изображения или видеопотока.
|
|
|
|
Из книги “Основы интерактивной машинной графики” (Дж.Фоли,А.вэн Дэм):
Мы воспринимаем различие в интесивностях 0,10 и 0,11 так же как различие в интенсивностях 0,55 и 0,50. Следовательно, распределение уровней интенсивности должно быть не линейным, а логарифмическим. Имея 256 уровней интенсивности, где каждая следующая интенсивность в r раз больше предыдущей, можно написать соотношения:
, 
, 
…… (I- интенсивность) Отсюда:
– передать интенсивности на ЭЛТ совсем не просто, а получить их на фото или кинопленке еще сложнее. Так, интенсивность свечения люминофора зависит от числа электронов N в лучше и определяется соотношением:
, где k и v – константы. Число электронов пропорционально напряжению на управляющей сетке, которое в свою очередь пропорционально заданному для пэла значению интенсивности V. Следовательно, введя некоторую другую константу c, можно написать:
. Отсюда получим: 
На следующем шаге определим значение пэла 
, необходимое для получения интенсивности:
.
Если растровый дисплей имеет таблицы цветов, значение заносится в соответствующие пэлы. Если же таблица цветов имеется, в пэлы заносится номер j а соответствующее значение помещается в элемент таблицы с номером j. Величины с, v, 
определяются используемой ЭЛТ, поэтому таблица цветов обычно заполняется экспериментально на основе реальных измерений интенсивностей. Такой достаточно общий способ использования таблицы цветов называется гамма-коррекцией.
Гамма-коррекция (Gamma correction) обеспечивает компенсацию для различий в отображаемых цветах на различных устройствах вывода так, чтобы изображение выглядело одинаково при просмотре на различных мониторах. Значение гамма, равное 1, соответствует «идеальному» монитору, то есть такому, который имеет совершенно линейную зависимость отображения от белого к черному.
|
|
|
Цифровая фотокамера — линейно ориентированное устройство, т.е. выходное изображение прямо пропорционально освещению снимаемой сцены и времени выдержки. Удвоение времени выдержки в два раза усиливает выходной сигнал. Однако в мониторе взаимосвязь между входным и выходным сигналами носит нелинейный характер. Чем выше значение гаммы, тем выше нелинейность. Стандартное значение гаммы для NTSC (National Television Standards Committee ) видео — 2.2. Для компьютерных мониторов значение гаммы обычно варьируется от 1.5 до 2.0.
Известно, что основной источник нелинейности в мониторе — электронно-лучевая трубка. Многие ошибочно считают, что виной всему нелинейность люминофоров (вещество, способное преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучение) в трубке. На самом деле причиной нелинейности являются электронные пушки, а люминофор и электронная часть — видеоусилители — вполне линейны. Считается, что данная нелинейность — большой дефект мониторов, который необходимо компенсировать. На самом деле степенная функция светимости монитора обратна функции, описывающей восприятие яркости человеком (рис.228). Они вполне точно компенсируют друг друга. Гамма-коррекция применяется для того, чтобы избежать большой погрешности (ступенчатости оцифровки) в темных местах изображения. Кроме того, в профессиональных целях применяют поканальную гамма-коррекцию, которая компенсирует неиндентичность RGB-каналов монитора.
Наши глаза видят иначе, чем камеры. В цифровой камере удвоенное количество фотонов, попадающих на сенсор, означает удвоение сигнала (зависимость «линейна»). Однако наши глаза устроены иначе. Для нас увеличение освещённости вдвое означает, что свет стал слегка ярче.
|
|
|
1. 
|
Точность сравнения зависит от калибровки монитора с коэффициентом 2.2. В действительности восприятие зависит от условий просмотра, на него могут повлиять окружающие тона. При предельно низкой освещённости (например, при свете звёзд) наши глаза видят линейно, как камеры.
По сравнению с камерами мы более чувствительны к малейшим изменениям тёмных оттенков и менее чувствительны к достаточнобольшим изменениям в ярких тонах. Для такой странности есть свои биологические причины: это позволяет нашему зрению работать в более широком диапазоне освещённости. В противном случае типичный диапазон яркостей, с которым мы сталкиваемся на улице, был бы невыносим.
Гаммой мы называем преобразование к светочувствительности наших глаз показаний камеры. Когда сохраняется цифровое изображение, оно подвергается «гамма-кодированию» — так чтобы удвоение значения в файле ближе соответствовало тому, что мы воспринимаем как удвоение яркости.
Гамма-кодированные изображения сохраняют оттенки более эффективно. Поскольку гамма-кодирование перераспределяет тональные уровни ближе к тому, как их воспринимают наши глаза, для описания выбранного диапазона тонов требуется меньше бит. В противном случае на яркие тона (где камера имеет большую чувствительность) выделялось бы чрезмерно много бит, а на тёмных тонах (где камера менее чувствительна) сказывалась бы их нехватка:
Полная яркость:
| Полная яркость: | 
|
| |
| Линейное кодирование: | 
|
| Гамма-кодирование: | 
|
Примечание: для гамма-кодирования градиента применялось стандартное значение 1/2.2
Линейное кодирование использует недостаточно уровней для описания тёмных тонов — хотя это и даёт избыток уровней для описания ярких тонов. С другой стороны, гамма-кодированный градиент распределяет тона практически равномерно по всему диапазону («перцептивно униформно»)
. Тем самым гарантируется, что при дальнейшей обработке изображения цвета и гистограммы основаны на естественных, перцептивно униформных тонах (Перцептивно - аналогично чувственному восприятию, униформно - равномерно).
В действительности изображения имеют как минимум 256 уровней (8 бит), что вполне достаточно для того, чтобы тональные переходы выглядели в отпечатке гладко и непрерывно. Если бы использовалось линейное кодирование потребовалось бы в 8 раз больше уровней (11 бит), чтобы избежать постеризации. Постеризация проявляется при сильном уменьшении глубины цветности изображения, так, что это наблюдается визуально. Термин произошёл от слова "Постер", т.к. этот эффект похож на результат печати постера с небольшим набором цветных чернил.
|
|
|
Гамма дисплея
Гамма дисплея — единственная составляющая, которая обычно поддаётся коррекции (с использованием калибраторов монитора и регуляторов яркости/контраста). Индустрия сошлась на стандартной гамме дисплея 2.2. Старые компьютеры Macintosh использовали гамму дисплея 1.8, вследствие чего изображения, подготовленные на ПК с их стандартной гаммой 2.2, выглядели на маках несколько ярче, но эта неоднозначность больше не имеет места.
Для стандартного гамма-кодированного файла смена гаммы дисплея будет иметь следующее влияние на яркость и контраст изображения:
| 
| 
| 
|
| Гамма дисплея 1.0 | Гамма дисплея 1.8 | Гамма дисплея 2.2 | Гамма дисплея 4.0 |
| 
| 
| 
|
Диаграммы подразумевают, что дисплей откалиброван по стандартной гамме 2.2.
Разъяснение линий на следующей странице.
1.Гамма файла. Это преобразование применяется камерой или программой обработки RAW при преобразовании в стандартный файл JPEG или TIFF. Оно перераспределяет присущие камере тональные уровни в перцептивно униформные, тем самым обеспечивая наиболее эффективное использование доступной глубины цветности.
2. Гамма дисплея. Это преобразование отражает суммарное влияние видеокарты и дисплея, то есть в действительности может состоять из нескольких гамм. Основным назначением гаммы дисплея является компенсация гаммы файла — тем самым гарантируя, что изображение на экране не станет ненатурально ярким. Увеличение гаммы дисплея означает более тёмное изображение с повышенным контрастом.
|
|
|
3. Гамма системы. Это преобразование отражает суммарное влияние всех гамма-преобразований изображения, его также называют «гаммой просмотра». Для точного отображения гамма просмотра в идеале должна быть близка к прямой линии (гамма = 1.0). Прямая линия гарантирует, что изображение на входе (исходная сцена) и на выходе (на экране или в отпечатке) одинаково. Однако гамма системы зачастую установлена несколько выше 1.0 с целью повышения контрастности. Это может помочь скомпенсировать ограничения, вызванные динамическим диапазоном устройства отображения, а также неидеальными условиями просмотра и бликами в изображении.
Итоговая гамма дисплей в действительности состоит из 1) собственной гаммы монитора и 2) коррекции гаммы, внесенной самим монитором или видеокартой. Однако влияние каждой из них чрезвычайно зависит от типа монитора.
Мониторы ЭЛТ
| 
Мониторы ЖКД
|
ЭЛТ Мониторы. Рождённая под нечётной инженерной звездой, собственная гамма электронно-лучевой трубки составляет 2.5 — практически обратную для наших глаз. Как следствие, значения из гамма-кодированного файла могут быть переданы непосредственно на экран, где они автоматически скорректируются и будут выглядеть практически нормально. Однако для достижения суммарной гаммы дисплея 2.2 необходимо применить небольшую коррекцию гаммы порядка 1/1.1. Обычно она уже предустановлена производителем, однако можно подобрать точные значения путём калибровки монитора.
ЖКД-мониторы. Обеспечение суммарной гаммы дисплея 2.2 зачастую требует значительных корректив, и к тому же они значительно менее линейны, чем у ЭЛТ. В связи с этим ЖКД требуют некоторой таблицы отображения (look-up table — LUT), чтобы обеспечить требуемую гамму дисплея для отображения входных значений (помимо прочего).
Техническое примечание: гамма дисплея может несколько сбивать с толку, поскольку этот термин часто используют вместо гамма-коррекции, поскольку она корректирует гамму файла. Однако значения этих терминов не во всём совпадают. Коррекция гаммы порой задаётся в терминах гаммы кодирования, которую она призвана скомпенсировать, — вместо фактически применяемой гаммы. Например, при «гамма-коррекции 1.5» фактически применяемая гамма может составлять 1/1.5, поскольку гамма 1/1.5 компенсирует гамму 1.5 (1.5 * 1/1.5 = 1.0). Как следствие, увеличение гамма-коррекции может сделать изображение ярче (в отличие от увеличения гаммы дисплея).
История возникновения
Исторически введение гамма коррекции было обусловлено тем, что у электронно-лучевой трубки зависимость между количеством испускаемых фотонов и напряжением на катоде близка к степенной формуле. В результате это вошло в стандарт, и для появившихся жидкокристаллических мониторов, проекторов и т.д., где зависимость между напряжением и яркостью имеет более сложный характер, сейчас используются специальные компенсационные схемы.
|
|
|
Стандартное значение параметра гаммы для видеоизображений NTSC — 2.2. Для дисплеев компьютера значение гаммы обычно составляет от 1.8 до 2.4. Средства настроек видеокарт позволяют подавать на вход дисплеев модифицированный сигнал, и таким образом корректировать этот параметр.
|
|
|
