为什么显示图像要做Gamma矫正?

先简单说一下Gamma(伽玛)值是什么?

Gamma值的广义定义就是输入值和输出值的Gamma幂指数关系,用来补偿人眼对自然亮度的非线性感知。输入与输出关系如下图所示:

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输入和输出的关系可表达为:输出 = 输入^(Gamma)

Gamma=1,斜45°直线,不校正,输出=输入;

Gamma>1,曲线下压,输出值<输入值;

Gamma<1,曲线上拱,输出值>输入值。

为什么要将输出和输入做Gamma运算?

上面提到,Gamma为了解决人眼对自然亮度非线性感知的问题,其二是因为记录存储的有限性。举个例子:一间黑屋子中,点亮了一只灯泡A,人眼会感觉照亮整间屋子,持续点亮第2个、第3个……灯泡后,人眼会感觉屋子逐渐变得明亮,此时再点亮第N+1个灯泡,其实人眼没有什么感觉甚至微乎其微。这是因为亮度对人眼的刺激是非线性的,第1个和最后一个灯泡点亮对人眼的刺激感觉是不同的;人眼感觉黑到白的范围“有限”,灯泡可以无限,但感觉会趋于一个有限制值。

分析:此时输入是灯泡的强度,输出是人眼的感觉,大自然中,感觉的差别阈限随原来刺激量的变化而变化,这是著名的韦伯定律,下图显示了自然界线性增长的亮度和人心理感觉的灰阶关系图:

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当物理亮度达到白色的20%左右的时候,人已经感受到了中灰色(即0.5处)的概念。而剩下的一半高光区的灰阶,需要用白色80%的物理能量才能照亮成人感觉到的白色。根据输入和输出的关系,可确定此时的Gamma大约在1.8~2.5,而现在大多数用2.2。

所以,Gamma值的应用非常多,如图像拍摄中的相机的Gamma、图像显示中的显示器的Gamma、图像输出中的打印机、印刷机的Gamma等,不同设备的Gamma描述的都是此设备的信号值对应的亮暗关系,而且,这些关系都是非线性的。

显示器的Gamma值:

显示器的Gamma值表示了输入信号的颜色值以及发光的亮度之间的关系,也就是输出时从黑到白的亮度过渡。下面是使用不同的Gamma值显示同一幅图像:1.0(左,线性响应),1.8~2.2(中,较暗的图像),3.0(右,过暗的图像)。图片

可见,较低的Gamma值有一个较亮较平稳的显示;而较高的Gamma值有更高对比度的较暗的显示。一般显示器用8bit色深的RGB来记录数字图像,所以最大的数据存储量就是2^8 * 2^8 * 2^8 = 16,777,216,如果使用线性的方式进行存储自然中的亮度,那可能根本不够用。所以拍摄的图像先用Gamma进行压缩,保留了大部分的中间和暗调细节,再通过Gamma释放(校正)并显示,展示给人眼看见,保证了人眼在显示器上感觉和自然中相同。

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