ПОНИМАНИЕ ГАММА-КОРРЕКЦИИ

Гамма — важная, но редко понимаемая характеристика практически всех цифровых систем обработки изображений. Он определяет отношение между числовым значением пикселя и его реальной яркостью. Без гаммы оттенки, снятые цифровыми камерами, не выглядели бы так, как для наших глаз (на стандартном мониторе). Его также называют гамма-коррекцией, гамма-кодированием или гамма-сжатием, но все они относятся к одному и тому же понятию. Понимание того, как работает гамма, может улучшить технику экспозиции, а также помочь максимально эффективно редактировать изображения.

ПОЧЕМУ ГАММА ПОЛЕЗНА

<сильный>1. Наши глаза воспринимают свет не так, как это делают камеры . В цифровой камере, когда на сенсор попадает удвоенное количество фотонов, он получает вдвое больший сигнал («линейная» зависимость). Довольно логично, правда? Наши глаза так не работают. Вместо этого мы воспринимаем удвоенное количество света как лишь немного более яркое — и тем более при более высокой интенсивности света («нелинейная» зависимость).

Опорный тон Выберите:

Воспринимается как На 50 % ярче в наших глазах

Определяется камерой как 50 % яркости

Обратитесь к руководству по инструменту кривых Photoshop, если у вас возникли проблемы с интерпретацией графика.
Точность сравнения зависит от наличия хорошо откалиброванного монитора, настроенного на гамму дисплея 2,2.
Фактическое восприятие будет зависеть зависит от условий просмотра и может зависеть от других соседних тонов.
В очень темных сценах, например при свете звезд, наши глаза начинают видеть линейно, как это делают камеры.

По сравнению с камерой мы гораздо более чувствительны к изменениям в темных тонах, чем к аналогичным изменениям в ярких тонах. У этой особенности есть биологическая причина:она позволяет нашему зрению работать в более широком диапазоне яркости. В противном случае типичный диапазон яркости, с которым мы сталкиваемся на открытом воздухе, был бы слишком большим.

Но как все это относится к гамме? В данном случае гамма — это то, что переводит светочувствительность нашего глаза в светочувствительность камеры. Таким образом, когда цифровое изображение сохраняется, оно «закодировано гамма-кодом», так что удвоенное значение в файле более точно соответствует тому, что мы воспринимаем как удвоение яркости.

Техническое примечание. Гамма определяется как V =V. , где V — выходное значение яркости, а V — входное/фактическое значение яркости. Эта формула заставляет синюю линию выше искривляться. Когда gamma<1, линия изгибается вверх, тогда как при gamma>1 происходит обратное.

<сильный>2. Изображения с кодировкой гаммы сохраняют тона более эффективно . Поскольку гамма-кодирование перераспределяет уровни тонов ближе к тому, как их воспринимают наши глаза, для описания данного тонального диапазона требуется меньше битов. В противном случае для описания более ярких тонов (где камера относительно более чувствительна) будет выделено избыток битов, а для описания более темных тонов (где камера относительно менее чувствительна) останется нехватка битов:

Оригинал↓ Закодировано с использованием только 32 уровней (5 бит) Линейное кодирование Гамма-кодирование

Примечание. Градиент с кодировкой гаммы выше показан со стандартным значением 1/2,2
См. руководство по битовой глубине, чтобы узнать о взаимосвязи между уровнями и битами.

Обратите внимание, как линейное кодирование использует недостаточные уровни для описания темных тонов, хотя это приводит к избытку уровней для описания ярких тонов. С другой стороны, гамма-кодированный градиент распределяет тона примерно равномерно по всему диапазону («однородно для восприятия»). Это также гарантирует, что последующее редактирование изображения, цвет и гистограммы основаны на естественных, перцептивно однородных тонах.

Однако реальные изображения обычно имеют не менее 256 уровней (8 бит), чего достаточно, чтобы тона на отпечатке выглядели плавными и непрерывными. Если бы вместо этого использовалось линейное кодирование, потребовалось бы в 8 раз больше уровней (11 бит), чтобы избежать постеризации изображения.

РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ГАММА:КОДИРОВАНИЕ И КОРРЕКЦИЯ

Несмотря на все эти преимущества, гамма-кодирование усложняет весь процесс записи и отображения изображений. Следующий шаг — это то, где большинство людей запутаются, поэтому выполняйте эту часть медленно. Гамма-кодированное изображение должно подвергаться "гамма-коррекции" при просмотре, что эффективно преобразует его обратно в свет из исходной сцены . Другими словами, гамма-кодирование предназначено для записи изображения, а не для его отображения. К счастью, этот второй шаг («отображение гаммы») автоматически выполняется вашим монитором и видеокартой. На следующей диаграмме показано, как все это сочетается друг с другом:

Изображение с камеры в формате RAW
сохраняется как файл JPEG 1. Файл изображения Gamma+JPEG просматривается
на мониторе компьютера 2. Гамма дисплея =суммарный эффект
3. Системная гамма

1. Отображает изображение в цветовом пространстве sRGB (которое кодируется с использованием гаммы приблизительно 1/2,2).
2. Отображает гамму дисплея, равную стандарту 2,2

<сильный>1. Гамма изображения . Это применяется либо вашей камерой, либо программным обеспечением для разработки RAW всякий раз, когда захваченное изображение преобразуется в стандартный файл JPEG или TIFF. Он перераспределяет исходные уровни тонов камеры в более однородные с точки зрения восприятия, тем самым обеспечивая наиболее эффективное использование заданной глубины цвета.

<сильный>2. Показать гамму . Это относится к чистому влиянию вашей видеокарты и устройства отображения, поэтому на самом деле оно может состоять из нескольких гамм. Основная цель гаммы дисплея — компенсировать гамму файла, тем самым гарантируя, что изображение не станет нереально ярким при отображении на экране. Более высокая гамма дисплея приводит к более темному изображению с большей контрастностью.

<сильный>3. Системная гамма . Это представляет собой суммарный эффект всех значений гаммы, примененных к изображению, и также называется «гаммой просмотра». Для достоверного воспроизведения сцены в идеале она должна быть близка к прямой (гамма =1,0). Прямая линия гарантирует, что вход (исходная сцена) совпадает с выходом (свет, отображаемый на экране или на отпечатке). Однако системную гамму иногда устанавливают чуть больше 1,0, чтобы улучшить контрастность. Это может помочь компенсировать ограничения, связанные с динамическим диапазоном устройства отображения или неидеальными условиями просмотра и бликами изображения.

ГАММА ФАЙЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ

Точная гамма изображения обычно определяется цветовым профилем, встроенным в файл. В большинстве файлов изображений используется гамма кодирования 1/2,2 (например, в файлах, использующих цвета sRGB и Adobe RGB 1998), но большим исключением являются файлы RAW, в которых используется линейная гамма. Однако средства просмотра изображений RAW обычно показывают их, предполагая стандартную гамму кодирования 1/2,2, поскольку в противном случае они выглядели бы слишком темными:

Линейное изображение RAW
(гамма изображения =1,0) Гамма-кодированное изображение
(гамма изображения =1/2,2)

Если цветовой профиль не встроен, обычно предполагается стандартная гамма 1/2,2. Файлы без встроенного цветового профиля обычно включают множество файлов PNG и GIF, а также некоторые изображения JPEG, созданные с использованием параметра «Сохранить для Интернета».

Техническое примечание о гамме камеры . Большинство цифровых камер записывают свет линейно, поэтому предполагается, что их гамма равна 1,0, но вблизи крайних теней и ярких участков это может быть не так. В этом случае гамма файла может представлять собой комбинацию гаммы кодирования и гамма камеры. Однако по сравнению с этим гамма камеры обычно незначительна. Производители камер также могут применять тонкие тоновые кривые, которые также могут влиять на гамму файла.

ОТОБРАЗИТЬ ГАММУ

Это гамма, которой вы управляете при калибровке монитора и настройке контрастности. К счастью, индустрия сошлась на стандартной гамме дисплея 2,2, поэтому не нужно беспокоиться о плюсах и минусах разных значений. В старых компьютерах Macintosh использовалась гамма дисплея 1,8, из-за чего изображения не-Mac выглядели ярче по сравнению с обычным ПК, но это уже не так.

Напомним, что гамма дисплея компенсирует гамму файла изображения, и что конечным результатом этой компенсации является системная/общая гамма. Для стандартного файла изображения с гамма-кодированием (— ), изменение гаммы дисплея (— ), таким образом, будет иметь следующее общее влияние (— ) на изображении:

Гамма дисплея 1.0 Гамма дисплея 1.8 Гамма дисплея 2.2 Гамма дисплея 4.0

На диаграммах предполагается, что ваш дисплей был откалиброван на стандартную гамму 2,2.
Вспомним из предыдущего значения гаммы файла изображения (— ) плюс гамма отображения (– ) равна общей гамме системы (— ). Также обратите внимание, как более высокие значения гаммы заставляют красную кривую изгибаться вниз.

Если у вас возникли проблемы с приведенными выше таблицами, не отчаивайтесь! Рекомендуется сначала понять, как тональные кривые влияют на яркость и контрастность изображения. В противном случае вы можете просто посмотреть на портретные изображения для качественного понимания.

Как интерпретировать диаграммы . Первое изображение (крайнее слева) становится значительно ярче, потому что гамма изображения (— ) не корректируется гаммой дисплея (— ), что приводит к общей гамме системы (— ), который изгибается вверх. На втором изображении гамма дисплея не полностью корректирует гамму файла изображения, в результате чего общая системная гамма по-прежнему немного изгибается вверх (и, следовательно, все еще слегка осветляет изображение). На третьем изображении гамма дисплея точно корректирует гамму изображения, что приводит к общей линейной гамме системы. Наконец, на четвертом изображении гамма дисплея чрезмерно компенсирует гамму изображения, в результате чего общая гамма системы изгибается вниз (и тем самым затемняет изображение).

Общая гамма дисплея на самом деле состоит из (i) собственной гаммы монитора/ЖК-дисплея и (ii) любых корректировок гаммы, применяемых в самом дисплее или видеокартой. Однако эффект каждого из них сильно зависит от типа устройства отображения.

ЭЛТ-мониторы ЖК-мониторы (плоские)

ЭЛТ-мониторы. Из-за странной инженерной удачи родная гамма ЭЛТ составляет 2,5 — почти противоположно нашим глазам. Таким образом, значения из файла с гамма-кодированием могут быть отправлены прямо на экран, и они будут автоматически исправлены и будут выглядеть почти нормально. Однако для достижения общей гаммы дисплея 2,2 необходимо применить небольшую гамма-коррекцию ~1/1,1. Обычно это уже задано заводскими настройками по умолчанию, но его также можно установить во время калибровки монитора.

ЖК-мониторы . ЖК-мониторам не так повезло; обеспечение общей гаммы дисплея 2,2 часто требует значительных исправлений, и они также гораздо менее постоянны, чем ЭЛТ. Поэтому для ЖК-дисплеев требуется нечто, называемое справочной таблицей (LUT), чтобы гарантировать, что входные значения отображаются с использованием предполагаемой гаммы дисплея (среди прочего). См. руководство по калибровке монитора:справочные таблицы для получения дополнительной информации по этой теме.

Техническое примечание. Гамма дисплея может немного сбивать с толку, поскольку этот термин часто используется взаимозаменяемо с гамма-коррекцией, поскольку он исправляет для файла гамма. Однако значения, указанные для каждого из них, не всегда эквивалентны. Гамма-коррекция иногда указывается с точки зрения гаммы кодирования, которую она призвана компенсировать, а не фактической применяемой гаммы. Например, фактическая гамма, применяемая с «гамма-коррекцией 1,5», часто равна 1/1,5, поскольку гамма 1/1,5 отменяет гамму 1,5 (1,5 * 1/1,5 =1,0). Поэтому более высокое значение гамма-коррекции может сделать изображение ярче (в отличие от более высокого значения гаммы дисплея).

ДРУГИЕ ПРИМЕЧАНИЯ И ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЧТЕНИЕ

Другие важные моменты и разъяснения перечислены ниже.

• Динамический диапазон . В дополнение к обеспечению эффективного использования данных изображения гамма-кодирование фактически увеличивает записываемый динамический диапазон для заданной битовой глубины. Гамма иногда также может помочь дисплею/принтеру управлять своим ограниченным динамическим диапазоном (по сравнению с исходной сценой) за счет улучшения контрастности изображения.
• Гамма-коррекция . Термин «гамма-коррекция» на самом деле является просто универсальным выражением, когда гамма применяется для компенсации некоторой другой более ранней гаммы. Поэтому, вероятно, следует избегать использования этого термина, если вместо него можно указать конкретный тип гаммы.
• Гамма-сжатие и расширение . Эти термины относятся к ситуациям, когда применяемая гамма меньше или больше единицы соответственно. Таким образом, гамма файла может считаться сжатием гаммы, тогда как гамма дисплея может считаться расширением гаммы.
• Применимость . Строго говоря, гамма относится к тональной кривой, которая подчиняется простому степенному закону (где V =V), но часто используется для описания других тональных кривых. Например, цветовое пространство sRGB на самом деле является линейным при очень низкой яркости, но затем следует кривой при более высоких значениях яркости. Ни кривая, ни линейная область не соответствуют стандартному степенному закону гаммы, но общая гамма приблизительно равна 2,2.
• Требуется ли гамма? Нет, изображения с линейной гаммой (RAW) по-прежнему будут отображаться такими, какими их видят наши глаза, но только если эти изображения будут отображаться на дисплее с линейной гаммой. Однако это сведет на нет способность гаммы эффективно записывать уровни тонов.

Дополнительные сведения по этой теме см. также в следующих руководствах:

• Методы цифровой экспозиции:экспозиция справа, отсечение и шум
  Узнайте, почему гамма и линейные файлы RAW влияют на оптимальную экспозицию фотографии.
• Как откалибровать монитор Калибровка для фотографии
  Узнайте, как точно настроить гамму дисплея вашего компьютера.