Гамма-коррекция

Гамма-коррекция или коррекция гаммы (иногда — гамма) — предыскажения яркости чёрно-белого или цветоделённых составляющих цветного изображения при его записи в телевидении и цифровой фотографии. В качестве передаточной функции при гамма-коррекции чаще всего используется степенная в виде

Пример гамма-коррекции изображения на ЭЛТ. Средняя линия из точек является результирующей функцией передачи полутонов; сплошная кривая отражает характеристику монитора, а пунктирная кривая — гамма-коррекцию

Где служит коэффициентом, а входные и выходные значения — неотрицательные вещественные числа. В общем случае, если , то входные и выходные значения находятся в пределах от 0 до 1. При равенстве единице характеристика передачи полутонов линейна и перепады освещённости объекта в светах и тенях отображаются одинаково[1].

В случае, когда этот параметр меньше единицы, улучшается распознавание деталей на слабо освещённых участках. Такое соотношение, называемое «гаммой кодирования», используется при преобразовании оптического изображения в электрический сигнал или цифровой файл в передающих камерах и цифровых фотоаппаратах. При воспроизведении полученного сигнала на кинескопе из-за особенностей его световых характеристик происходит обратное преобразование, в результате которого результирующая гамма всей системы приближается к единице, обеспечивая пропорциональную передачу полутонов во всём диапазоне[2]. Аналогичный процесс происходит при воспроизведении изображения на жидкокристаллических дисплеях за счёт цепей обратной коррекции видеокарт[3].

Демонстрация гамма-коррекции изображения. Значения γ от 2 до 0,25 от исходного изображения (γ=1).

История возникновения

В современном цифровом телевидении и цифровой фотографии гамма-коррекция при кодировании позволяет учитывать особенности восприятия полутонов человеческим зрением для повышения эффективности использования глубины цвета. Известно, что в нормальных условиях глаз лучше различает перепады освещённости в тенях, чем в света́х[3]. При отсутствии гамма-коррекции в светах цифрового изображения кодируется слишком много полутонов, которые неспособен различить зритель. Напротив, в тенях остаётся слишком мало информации, снижая качество изображения[4]. В случае линейного кодирования файлов JPEG по существующей 8-битной системе, неизбежна «постеризация» изображения, когда глаз различает ступенчатые тональные переходы[3].

Впервые гамма-коррекция появилась в аналоговом телевидении и её применение было обусловлено тем, что у электронно-лучевых трубок взаимосвязь между количеством испускаемых фотонов и напряжением на катоде нелинейна и близка к степенной функции. Поэтому, в видеосигнал, линейно зависящий от передаваемой яркости, вводилась гамма-коррекция, компенсирующая искажения яркости кинескопом[2]. Для каждой системы цветного телевидения существуют собственные стандарты гамма-коррекции, соответствующие рекомендациям SMPTE[5]. Для современных жидкокристаллических дисплеев, где зависимость между напряжением и яркостью имеет более сложный характер, используются специальные компенсационные схемы.

Фотография и кинематограф

Для желатиносеребряных фотоматериалов зависимость оптической плотности изображения от полученной экспозиции отображается характеристической кривой. Обе координаты, относительно которых строится кривая — экспозиции и оптической плотности — имеют логарифмические шкалы. Поэтому прямолинейный участок характеристической кривой представляет собой степенную зависимость, а его наклон к оси абсцисс характеризует коэффициент контрастности и часто называется «гаммой» фотоэмульсии. Это понятие не имеет ничего общего с гамма-коррекцией в электронных устройствах, и совпадение звучания имеет лишь этимологическое происхождение. У негативных фото- и киноплёнок гамма меньше единицы, а у позитивных — больше. При правильном подборе позитивного фотоматериала к негативу итоговая гамма приближается к единице, обеспечивая пропорциональную передачу полутонов объекта съёмки. Гамма обращаемых фотоматериалов также близка к единице.

Зависимость аналогового электрического сигнала фотоматрицы от полученной экспозиции также линейна. В процессе аналогово-цифрового преобразования линейный сигнал преобразуется в нестандартный массив данных, который принято называть файлом RAW. Для возможности чтения в устройствах визуализации RAW-файл конвертируется в данные одного из общепринятых стандартов JPEG, TIFF или PSD, и в процессе конвертации подвергается гамма-коррекции, обеспечивая повышенную информативность в тенях[6]. Такая гамма-коррекция предусмотрена в большинстве цветовых пространств, таких как RGB и CMYK. В цифровом кинематографе, стандарты DCI которого предусматривают хранение каждого кадрика фильма в стандарте JPEG 2000, используется такое же нелинейное преобразование полутонов при оцифровке. При этом профессиональная съёмка ведётся в различных форматах RAW, как и в фотографии не подвергающихся гамма-коррекции.

Такая технология позволяет получить на входе максимальную фотографическую широту, с последующим вводом гамма-коррекции при создании конечной цифровой мастер-копии и её фотовыводе на киноплёнку. В бюджетных цифровых кинокамерах, не приспособленных для записи несжатого видео RAW, для расширения диапазона используется нестандартная гамма-коррекция. Например, в камерах семейства Canon Cinema EOS и цифровых зеркальных фотоаппаратах Canon EOS с функцией профессиональной киносъёмки общепринята «Canon Log Gamma» с более плавным изгибом в области светов[7].

Стандарты гамма-коррекции

В большинстве систем аналогового телевидения гамма-коррекция кодирования находится в пределах 1,2—1,3[2]. Стандартное значение параметра гаммы для цветовых пространств sRGB и Adobe RGB — 2,2[3]. Такое же значение принято в операционной системе Windows и большинстве других. В компьютерах Macintosh первых поколений гамма монитора составляла 1,8, но позднее стандарт был заменён на общепринятый. Кривая полутонов файлов RAW линейна, поскольку не подвергается гамма-коррекции, но для нормального отображения на дисплее, программы просмотра показывают RAW-файлы со стандартной коррекцией 2,2[8].

Собственная гамма большинства мониторов, основанных на электронно-лучевых трубках, составляет 2,5 и для получения стандартной гаммы отображения 2,2 видеокарта производит дополнительную коррекцию сигнала. То же относится к жидкокристаллическим дисплеям, характеристика отображения которых ещё более нелинейна, чем у трубок. Средства настроек видеокарт и внутренние модули обработки сигнала в мониторах позволяют подавать на вход дисплеев модифицированный сигнал, и таким образом корректировать гамму отображения.

Гамма-коррекция и цветовой профиль

Значения гаммы монитора напрямую влияют на то, с какой яркостью будет показано изображение без применения цветокоррекции.

При переносе графического файла между компьютерами копия изображения может выглядеть светлее или темнее, чем оригинал. В разных операционных системах (например, Microsoft Windows, GNU/Linux и Macintosh) существуют разные стандарты встроенной гамма-коррекции.

При профессиональной работе программное обеспечение учитывает цветовые профили изображения и монитора и может вносить необходимые коррективы.

Например, встроенная в формат PNG гамма-коррекция работает следующим образом: данные о настройках дисплея, видеоплаты и программного обеспечения (информация о гамме) сохраняются в файле вместе с самим изображением, что и обеспечивает идентичность копии оригиналу при переносе на другой компьютер.

Гамма-коррекция как фильтр

В большинство программных продуктов для обработки изображений гамма-коррекция встроена как фильтр обработки. Если изображение необходимо высветлить или затемнить, можно использовать гамма-коррекцию. Для видео контента существуют специальные процессоры, позволяющие в линейном режиме осуществлять гамма-коррекцию[9].

При осветлении, например, возможно появление новых деталей в тёмных областях, которые ранее не были заметны.

См. также

Источники
  1. Телевидение, 2002, с. 37.
  2. Телевидение, 2002, с. 60.
  3. Что такое коррекция гаммы. Учебник. Cambridge in Color. Дата обращения: 21 декабря 2014.
  4. Charles Poynton. Frequently-questioned answers about gamma (англ.). GammaFQA. Color technology (24 декабря 2010). Дата обращения: 19 декабря 2014.
  5. Техника и технологии кино, 2009, с. 42.
  6. Johnson, 2007, с. 198.
  7. Jem Schofield. Understanding the EOS C300's Canon Log Gamma (англ.). Knowledge Base. Canon USA (2 ноября 2011). Дата обращения: 14 января 2016.
  8. Павел Косенко. Как выглядит Raw-файл?. LiveJournal (12 января 2011). Дата обращения: 21 декабря 2014.
  9. Масштабаторы Kramer и Calibre UK.

Литература
  • Джакония В. Е. Глава 4. Искажения телевизионного изображения // Телевидение. — М. : Горячая линия — Телеком, 2002. — С. 59—61. — 640 с. — ISBN 5-93517-070-1.
  • Столетов А. Неужели война плёнки и цифры подходит к концу? // Техника и технологии кино : журнал. — 2009. — № 4. — С. 42—43.
  • Chris Johnson. Chapter 10. The Zone System and Digital Photography // The Practical Zone System for Film and Digital Photography = Зонная система в цифровой и классической фотографии / Diane Heppner. — 4-е изд. — Оксфорд : Focal Print, 2007. — 285 с. — ISBN 978-0-240-80756-0.

Ссылки
  • Алексей Игнатенко. Гамма-коррекция (недоступная ссылка). Лекция 5. Лаборатория компьютерной графики и мультимедиа ВМК МГУ (23 марта 2011). Дата обращения: 21 декабря 2014. Архивировано 21 декабря 2014 года.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.