Гамма-коррекция: кодирование и преобразование яркости изображений.

Введение

Функция отображения яркости изображения

Гамма-коррекция, или гамма, — это нелинейная операция, используемая для кодирования и декодирования яркости или тристимульных значений в видео- или статических изображениях. В простейших случаях гамма-коррекция определяется следующим степенным выражением:

где неотрицательное вещественное входное значение возводится в степень γ и умножается на константу A для получения выходного значения. В наиболее распространенном случае, когда A = 1, входные и выходные значения обычно находятся в диапазоне от 0 до 1. Значение γ иногда называют гаммой кодирования, а процесс кодирования с использованием этой нелинейности степенного сжатия — гамма-сжатием; соответственно, значение γ называют гаммой декодирования, а применение нелинейности степенного расширения — гамма-расширением.

Пояснение

Гамма-кодирование изображений используется для оптимизации использования битов при кодировании изображения или пропускной способности, необходимой для передачи изображения, за счет использования нелинейного способа восприятия света и цвета человеком. Гамма-кодирование изображений с плавающей точкой не требуется (и может быть неэффективным), поскольку формат с плавающей точкой уже обеспечивает кусочно-линейное приближение логарифмической кривой. Хотя гамма-кодирование изначально было разработано для компенсации характеристик яркости дисплеев с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), это не является его основной целью или преимуществом в современных системах. В ЭЛТ-дисплеях интенсивность света изменяется нелинейно в зависимости от напряжения электронного пушка. Изменение входного сигнала с помощью гамма-компрессии может компенсировать эту нелинейность, чтобы выходное изображение имело желаемую яркость. Однако гамма-характеристики устройства отображения не влияют на гамма-кодирование изображений и видео. Гамма-кодирование необходимо для максимизации визуального качества сигнала, независимо от гамма-характеристик дисплея. Фотопленка обладает гораздо большей способностью регистрировать тонкие различия в оттенках, чем может быть воспроизведено на фотобумаге. Аналогично, большинство видеоэкранов не способны отображать диапазон яркостей (динамический диапазон), который может быть зафиксирован типичными электронными камерами. По этой причине значительные усилия прилагаются к выбору оптимального способа представления исходного изображения. Гамма-коррекция, или выбор контраста, является частью арсенала фотографа, используемого для настройки воспроизводимого изображения. Аналогично, цифровые камеры записывают свет с помощью электронных сенсоров, которые обычно реагируют линейно. В процессе преобразования линейных исходных данных в стандартные RGB-данные (например, для сохранения в формате JPEG) выполняются преобразования цветового пространства и преобразования рендеринга. В частности, почти все стандартные цветовые пространства RGB и форматы файлов используют нелинейное кодирование (гамма-компрессию) предполагаемых интенсивностей основных цветов при фотографическом воспроизведении. Кроме того, желаемое воспроизведение почти всегда нелинейно связано с измеренной интенсивностью сцены посредством нелинейности воспроизведения тона.

Gamma encoding of images is used to optimize the usage of bits when encoding an image, or bandwidth used to transport an image, by taking advantage of the non linear manner in which humans perceive light and color. Gamma encoding of floating point images is not required (and may be counterproductive), because the floating point format already provides a piecewise linear approximation of a logarithmic curve. Although gamma encoding was developed originally to compensate for the brightness characteristics of cathode ray tube (CRT) displays, that is not its main purpose or advantage in modern systems. In CRT displays, the light intensity varies nonlinearly with the electron gun voltage. Altering the input signal by gamma compression can cancel this nonlinearity, such that the output picture has the intended luminance. However, the gamma characteristics of the display device do not play a factor in the gamma encoding of images and video. They need gamma encoding to maximize the visual quality of the signal, regardless of the gamma characteristics of the display device. Photographic film has a much greater ability to record fine differences in shade than can be reproduced on photographic paper. Similarly, most video screens are not capable of displaying the range of brightnesses (dynamic range) that can be captured by typical electronic cameras. For this reason, considerable artistic effort is invested in choosing the reduced form in which the original image should be presented. The gamma correction, or contrast selection, is part of the photographic repertoire used to adjust the reproduced image. Analogously, digital cameras record light using electronic sensors that usually respond linearly. In the process of rendering linear raw data to conventional RGB data (e. g. for storage into JPEG image format), color space transformations and rendering transformations will be performed. In particular, almost all standard RGB color spaces and file formats use a non linear encoding (a gamma compression) of the intended intensities of the primary colors of the photographic reproduction. In addition, the intended reproduction is almost always nonlinearly related to the measured scene intensities, via a tone reproduction nonlinearity.

Обобщенная гамма

Понятие гамма может быть применено к любой нелинейной зависимости. Для степенной зависимости кривая на логарифмическом графике является прямой линией, с наклоном, повсеместно равным гамма (наклон здесь представлен оператором производной):

То есть, гамма можно представить как наклон вход-выходной кривой при построении на логарифмических осях. Для степенной кривой этот наклон постоянен, но эта идея может быть расширена на любой тип кривой, в этом случае гамма (в строгом смысле, "точечная гамма") определяется как наклон кривой в конкретной точке.

Фотосъемка

Когда фотопленка подвергается воздействию света, результат экспозиции можно представить на графике, где по горизонтальной оси отложена логарифмическая величина экспозиции, а по вертикальной – плотность, или отрицательный логарифм пропускания. Для конкретной рецептуры пленки и метода её проявки эта кривая называется её характеристической кривой или кривой Хертера — Дриффилда. Поскольку обе оси используют логарифмическую шкалу, наклон линейного участка кривой называется гаммой пленки. Негативная пленка обычно имеет гамму меньше 1, а позитивная пленка (слайдовая пленка, обращаемая пленка) – гамму с абсолютным значением больше 1.

Аналоговое телевидение

Вывод на телевизоры и мониторы с ЭЛТ обычно не требует дополнительной гамма-коррекции. Стандартные видеосигналы, передаваемые или хранящиеся в файлах изображений, содержат гамма-сжатие, соответствующее гамма-расширению ЭЛТ (хотя это и не является точной обратной функцией). Для телевизионных сигналов значения гаммы фиксированы и определяются аналоговыми видеостандартами. Системы CCIR M и N, используемые с цветным NTSC, применяют гамму 2.2; системы B/G, H, I, D/K, K1, L и M, используемые с цветным PAL или SECAM, применяют гамму 2.8.

Компьютерные дисплеи

В большинстве систем компьютерного отображения изображения кодируются с гаммой около 0,45 и декодируются с обратной гаммой 2,2. Заметным исключением, до выпуска Mac OS X 10.6 (Snow Leopard) в сентябре 2009 года, были компьютеры Macintosh, которые кодировали с гаммой 0,55 и декодировали с гаммой 1,8. В любом случае, двоичные данные в файлах изображений (таких как JPEG) явно кодируются (то есть содержат значения, закодированные с помощью гаммы, а не линейные интенсивности), как и файлы видео (такие как MPEG). Система может дополнительно управлять обоими случаями с помощью управления цветом, если требуется лучшее соответствие гамме выходного устройства. Стандарт цветового пространства sRGB, используемый большинством камер, ПК и принтеров, не использует простую степенную нелинейность, как описано выше, но имеет значение гаммы декодирования около 2,2 на большей части своего диапазона, как показано на графике справа/выше. Ниже сжатого значения 0,04045 или линейной интенсивности 0,00313 кривая является линейной (кодированное значение пропорционально интенсивности), поэтому 1 = γ = 1. Пунктирная черная кривая, расположенная за красной, представляет собой стандартную степенную кривую 1 = γ = 2,2 для сравнения. Гамма-коррекция в компьютерах используется, например, для правильного отображения изображения Apple с гаммой = 1,8 на мониторе ПК с гаммой = 2,2 путем изменения гаммы изображения. Другое применение – выравнивание гамм отдельных цветовых каналов для компенсации различий между мониторами.

Гамма метаинформация

Некоторые форматы изображений позволяют сохранять целевую гамму (преобразования между закодированными значениями пикселей и яркостью) в метаданных, что упрощает автоматическую гамма-коррекцию. Спецификация PNG включает в себя чанк gAMA для этой цели, а в форматах JPEG и TIFF можно использовать тег Exif Gamma. Некоторые форматы могут указывать профиль ICC, который включает в себя функцию передачи. Эти возможности исторически вызывали проблемы, особенно в веб-среде. Для цветов HTML и CSS, а также изображений JPG или GIF без прикрепленных метаданных цветового профиля, популярные браузеры передавали числовые значения цветов на дисплей без управления цветом, что приводило к значительному различию в отображении на разных устройствах. Однако те же браузеры передавали изображения с гаммой, явно указанной в метаданных, через систему управления цветом, и также применяли гамму по умолчанию к изображениям PNG, у которых метаданные отсутствовали. Это делало невозможным одновременное соответствие изображений PNG цветам HTML или немаркированных JPG на всех устройствах. Ситуация с тех пор улучшилась, поскольку большинство основных браузеров теперь поддерживают настройку гаммы (или её отсутствие).

Закон мощности для видеодисплея

Гамма-характеристика — это степенная зависимость, которая аппроксимирует взаимосвязь между закодированной яркостью в телевизионной системе и фактической желаемой светимостью изображения. При этой нелинейной зависимости равные шаги в закодированной яркости приблизительно соответствуют субъективно равным шагам в яркости. Эбнер и Фэрчайлд использовали показатель 0,43 для преобразования линейной интенсивности в светлоту (люму) для нейтральных цветов; было обнаружено, что обратный показатель, приблизительно 2,33 (достаточно близкий к значению 2,2, приводимому для типичной подсистемы отображения), обеспечивает приблизительно оптимальное перцептивное кодирование оттенков серого. Следующая иллюстрация показывает разницу между шкалой с линейно возрастающим закодированным сигналом яркости (линейный вход с гамма-сжатой люмой) и шкалой с линейно возрастающей шкалой интенсивности (линейный выход светимости). Линейное кодирование VS = 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Линейная интенсивность I = 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

На большинстве дисплеев (с гаммой около 2.2) можно заметить, что линейная шкала интенсивности имеет резкий скачок в воспринимаемой яркости между значениями интенсивности 0.0 и 0.1, в то время как шаги в верхней части шкалы едва заметны. Гамма-закодированная шкала, имеющая нелинейно возрастающую интенсивность, покажет гораздо более равномерные шаги в воспринимаемой яркости. Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), например, преобразует видеосигнал в свет нелинейным образом, поскольку интенсивность (яркость) электронного пучка как функция приложенного видео напряжения является нелинейной. Интенсивность света I связана с исходным напряжением Vs следующим образом:

где γ — греческая буква гамма. Для ЭЛТ гамма, связывающая яркость с напряжением, обычно находится в диапазоне от 2,35 до 2,55; таблицы поиска видео в компьютерах обычно регулируют гамму системы в диапазоне от 1,8 до 2,2. Настройка этих таблиц называется аппаратной калибровкой. Некоторые современные мониторы позволяют пользователю изменять поведение гаммы (как будто это просто другая настройка яркости/контрастности), кодируя входные сигналы самостоятельно перед их отображением на экране. Это также калибровка аппаратным способом, но она выполняется на аналоговых электрических сигналах, а не на переназначении цифровых значений, как в предыдущих случаях. В правильно откалиброванной системе каждый компонент будет иметь заданную гамму для своих входных и/или выходных кодировок. Во многих случаях значения гамма-коррекции для основных цветов немного различаются. Настройка цветовой температуры или белой точки — следующий шаг в настройке монитора. Перед гамма-коррекцией желаемую гамму и цветовую температуру следует установить с помощью элементов управления монитора. Используя элементы управления гаммой, контрастностью и яркостью, гамма-коррекцию на ЖК-дисплее можно выполнить только для одного конкретного вертикального угла обзора, что подразумевает одну конкретную горизонтальную линию на мониторе, на одном конкретном уровне яркости и контрастности. ICC-профиль позволяет настроить монитор для нескольких уровней яркости. Качество (и цена) монитора определяет, насколько отклонение от этой рабочей точки все еще дает удовлетворительную гамма-коррекцию. Дисплеи с TN-матрицей (Twisted Nematic) с 6-битной глубиной цвета на основной цвет имеют самое низкое качество. Дисплеи с IPS-матрицей (In-Plane Switching) с типичной 8-битной глубиной цвета лучше. Хорошие мониторы имеют 10-битную глубину цвета, аппаратное управление цветом и позволяют проводить аппаратную калибровку с помощью тристимульного колориметра. Часто 6-битная панель плюс FRC продается как 8-битная, а 8-битная панель плюс FRC продается как 10-битная. FRC не является полноценной заменой большего количества бит. Форматы 24-битной и 32-битной глубины цвета имеют 8 бит на основной цвет. С Microsoft Windows 7 и выше пользователь может установить гамма-коррекцию с помощью инструмента калибровки цвета дисплея dccw.exe или других программ. Эти программы создают файл ICC-профиля и загружают его по умолчанию. Это упрощает управление цветом. Увеличьте ползунок гаммы в программе dccw до тех пор, пока последняя цветная область, часто зеленый цвет, не будет иметь одинаковую яркость в шахматном и однородном областях. Используйте ползунки цветового баланса или отдельные цветовые ползунки гамма-коррекции в программах гамма-коррекции для настройки двух других цветов. Некоторые старые драйверы графических карт не загружают таблицу поиска цветов (LUT) правильно после выхода из режима ожидания или гибернации и отображают неправильную гамму. В этом случае обновите драйвер графической карты. В некоторых операционных системах, работающих в X Window System, можно установить коэффициент гамма-коррекции (применяемый к существующему значению гаммы) с помощью команды xgamma 0.9 для установки коэффициента гамма-коррекции равным 0.9 и xgamma для запроса текущего значения этого коэффициента (по умолчанию 1.0). В системах macOS гамма и другие связанные с этим калибровки экрана выполняются через Системные настройки.

where γ is the Greek letter gamma. For a CRT, the gamma that relates brightness to voltage is usually in the range 2.35 to 2.55; video look up tables in computers usually adjust the system gamma to the range 1.8 to 2.2, Setting up these tables to be correct is called hardware calibration. Some modern monitors allow the user to manipulate their gamma behavior (as if it were merely another brightness/contrast like setting), encoding the input signals by themselves before they are displayed on screen. This is also a calibration by hardware technique but it is performed on the analog electric signals instead of remapping the digital values, as in the previous cases. In a correctly calibrated system, each component will have a specified gamma for its input and/or output encodings. In many cases the gamma correction values for the primary colors are slightly different. Setting the color temperature or white point is the next step in monitor adjustment. Before gamma correction the desired gamma and color temperature should be set using the monitor controls. Using the controls for gamma, contrast and brightness, the gamma correction on an LCD can only be done for one specific vertical viewing angle, which implies one specific horizontal line on the monitor, at one specific brightness and contrast level. An ICC profile allows one to adjust the monitor for several brightness levels. The quality (and price) of the monitor determines how much deviation of this operating point still gives a satisfactory gamma correction. Twisted nematic (TN) displays with 6 bit color depth per primary color have lowest quality. In plane switching (IPS) displays with typically 8 bit color depth are better. Good monitors have 10 bit color depth, have hardware color management and allow hardware calibration with a tristimulus colorimeter. Often a 6bit plus FRC panel is sold as 8bit and a 8bit plus FRC panel is sold as 10bit. FRC is no true replacement for more bits. The 24 bit and 32 bit color depth formats have 8 bits per primary color. With Microsoft Windows 7 and above the user can set the gamma correction through the display color calibration tool dccw. exe or other programs. These programs create an ICC profile file and load it as default. This makes color management easy. Increase the gamma slider in the dccw program until the last colored area, often the green color, has the same brightness in checkered and homogeneous area. Use the color balance or individual colors gamma correction sliders in the gamma correction programs to adjust the two other colors. Some old graphics card drivers do not load the color Look Up Table correctly after waking up from standby or hibernate mode and show wrong gamma. In this case update the graphics card driver. On some operating systems running the X Window System, one can set the gamma correction factor (applied to the existing gamma value) by issuing the command xgamma gamma 0.9 for setting gamma correction factor to 0.9, and xgamma for querying current value of that factor (the default is 1.0). In macOS systems, the gamma and other related screen calibrations are made through the System Preferences.

Размер и смешивание

Как правило, операции со значениями пикселей должны выполняться в "линейном свете" (гамма 1). Эрик Брассер подробно обсуждает эту проблему и предоставляет тестовые изображения. Они призваны указать на широко распространенную ошибку: многие программы выполняют масштабирование в цветовом пространстве с гаммой, а не в физически корректном линейном пространстве. Тестовые изображения построены таким образом, чтобы при некорректном уменьшении масштаба они выглядели совершенно иначе. Йонас Берлин создал изображение "ваше программное обеспечение для масштабирования ужасно/отлично" на основе этого принципа. Помимо масштабирования, проблема также относится к другим видам понижения дискретизации (уменьшения масштаба), таким как цветовая субдискретизация в JPEG с включенной гаммой Y′CbCr. WebP решает эту проблему, вычисляя средние значения цветности в линейном пространстве, а затем преобразуя их обратно в пространство с гаммой; для больших изображений используется итеративное решение. Тот же код YUV (ранее Smart YUV) используется в sjpeg и опционально в AVIF. Корнелски предлагает более простое приближение, основанное на взвешенном среднем по яркости. Альфа-композитинг, цветовые градиенты и 3D-рендеринг также подвержены влиянию этой проблемы. Парадоксально, но при увеличении масштаба изображения результат, обработанный в "неправильном" (нефизическом) гамма-цветовом пространстве, часто выглядит более эстетично. Это связано с тем, что ресэмплинг-фильтры с отрицательными долями, такие как Mitchell–Netravali и Lanczos, создают линейные артефакты звона, хотя человеческое восприятие нелинейно и лучше описывается гаммой. (Эмуляция "отдаления", которая мотивирует понижение дискретизации в линейном свете (гамма=1), не применима при увеличении дискретизации.) Связанный метод уменьшения видимости артефактов звона заключается в использовании сигмоидальной функции передачи света, впервые реализованной в ImageMagick и фильтре LoHalo в GIMP, а затем адаптированной для видео-увеличения масштаба в madVR, AviSynth и Mpv.