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如何理解伽马曲线

52RD.com 2020年5月6日 我爱研发网            参与:5人 我来说两句
  我们在《理解摄像机》里曾经提到过伽马(Gamma),说伽马就是成像物件形成画面的“反差系数”。如果伽马曲线比较陡,则输出的画面反差比较高,如果伽马曲线比较缓,则输出的画面反差比较低。这个概念说起来好像并不难懂,但在实际的摄像机操作中,调整伽马对画面的影响似乎远不止“调整反差”那么简单,难道说伽马还有别的什么意义吗?在一些高级的摄像机里,不但有Master Gamma(总伽马)的调整,还有R/G/B Gamma(通道伽马),甚至BLK Gamma(黑伽马)的调整,为什么一个跟反差有关的参数弄得这么复杂呢?看来似乎仅仅知道“伽马影响反差”恐怕不容易驾驭这些马。好,今天我们就讲讲伽马在数字成像中的作用,以及各种不同的马仔都是怎么回事。
  
  要说马得先说骑马的人。人类对外界的刺激会产生反应,比如我们能感知物体重量、声音大小、味道咸淡、气温高低、光线强弱。而人类对这些外界刺激的变化所做出的反应是“非线性”的,换种说法就是,人类“感知刺激变化的比例”与“实际的刺激变化的比例”并不一致。举个例子,一杯水了放了一勺糖,我们会觉得甜,但放两勺糖,我们并不会觉得有“2倍甜”,顶多会觉得又甜了一点点,这就是非线性反应,但如果我们用“甜度计”去测量,那么甜度是原先的2倍,实际的物理变化是线性的,而人类是非线性的,你要加很多倍的糖,人类才能觉得“2倍甜”,这就是人类的德性。
  
  再举个例子,比如声音,我们把音量提高2倍分贝,用响度计测量,声音的强度比原来高2倍,但人耳却听不出来强了2倍,因为我们人耳也是“非线性”,非要强N多倍,才能感受到强了2倍。如果你玩音响,音响系统里就有个“等响度”的概念,就是把音量调节按人耳的非线性增量来设置,等响度设备调节2倍音量,我们听起来的确大了2倍,其实实际音量已经大N多倍了。
  
  好了,人眼,人眼也是非线性的“设备”,你提高2倍的亮度,人眼根本不领情,觉得只亮了一点点,你要提高到8倍亮度,人眼就觉得“这应该比原来亮2倍了”(如果电灯是活的,它非吐血不可)。正因为人眼这种特性,人眼可以同时看清亮度差别很大的物体,比如我们逆着阳光,可以看清天上的云朵和树干上的纹理;在黑暗的房间里,我们可以同时看清蜡烛的火焰和角落里的拖鞋;这些物体(云朵和树干、蜡烛和拖鞋)的亮度差非常巨大,而我们人眼并不会觉得它们亮度差很远,只会觉得“就暗了一点嘛”或者“就亮了一点嘛”,而实际却暗了很多或亮了很多,这就是“非线性系统”的本事。
  
  看下面这个图,横坐标是入射光线,纵坐标是人眼反应。入射光线从全黑到有一点亮度的时候,我们人眼就觉得“嗯,够亮了”(我们人能在月光下活动就靠这个本事)。然后,光线继续加强,到了很强的时候,我们人眼的反应却变得非常迟钝,亮度再提高,也不会觉得亮了很多。人眼对光线变化的这条“反应曲线”就是人眼的“伽马曲线”。
  
  所谓伽马,其实就是一个“成像物件”对入射光线做出的“反应”。然后根据不同亮度下的不同反应值获得的曲线,就是伽马曲线。人眼作为一个“成像物件”,其伽马曲线不是一条直线,说明人眼对光线的反应是非线性的。而胶片和CCD、CMOS也是成像物件,它们对光线的反应又如何呢?
  
  胶片在发明和发展的过程中,用化学成像的方式充分模拟了人眼的“非线性感受光的能力”。胶片在其宽容度范围内,对光线强弱变化的反应比较接近人眼,因此胶片经曝光经冲洗获得的相片,我们就认为是“正确和真实”的,因为胶片所拍摄到的画面跟我们看到的差不多。CCD、CMOS成像方式是通过像点中的“硅”感受光线的强弱而获得画面。而硅感光是物理成像,它真实地反应光线强度的变化,来多少就输出多少,因此它对光线的反应是线性的。于是,它的伽马跟人眼的伽马就冲突了。看下面这个图:
  
  这是同一个景物,左边是我们人眼看到的画面,右边是CCD成像的画面。CCD可能更接近真实的世界,因为当时的亮度也许就不高,但对于人眼而言,已经足够把这坨花看得真真切切了。但我们一看CCD出来的东西,哇靠,什么玩意儿啊,整个一废品嘛。但实际上,CCD获得的光线跟人眼获得的光线是一样的,只是反应不同罢了;换句话说,人眼所获得的画面数据,CCD也同样都获取了。那么,要想输出一张“像人眼看到的那样”的画面,只需要调整一下“对光线的反应”就可以了,而“对光线的反应”就是伽马曲线。看下图:
  
  摄像机将CCD获得的线性信息,经过调整,变成了类似人眼的非线性信息,于是输出的画面就像人眼看到的那样了。这个调整伽马曲线的过程,是摄像机必须要经过的一个步骤。试想一下,如果摄像机不调整伽马曲线,出来的画面跟人眼看到的就完全不一样了(左边那个原本画面),这种摄像机也许唐老鸭适合用。从前后画面看,之前的画面反差很低,经过调整伽马曲线,画面的反差提高了,这依然是伽马的基本特性:“伽马影响反差”。
  
  既然CCD是线性成像物件,那么要输出人眼能看的画面,改变伽马曲线是必须经过的一道“加工工序”,即便是最简单的电子成像系统,这道工序都省不了。但在所有的中低端摄像机中,伽马调整是自动完成的,也就是说你无法调整摄像机的伽马曲线。而在一些高端摄像机里,则允许用户调整摄像机的伽马曲线。这种调整是对伽马曲线的“微调”,通过微调,可以在一定程度上改善输出画面的细节表现。为什么是“微调”?因为摄像机只允许你微调,想想,如果你一使劲调把伽马调成了直线,大家不都得变成唐老鸭了?
  
  这个图就是摄像机处理CCD信息的“伽马调整”的过程。CCD送出RGB信息,这时的信息是直线的伽马形态,然后每个通道会经过一个“伽马调整模块”,分别把R/G/B三个通道的伽马曲线调成非线性,然后输出。摄像机中所有的伽马调整,无论什么马,都是对这个模块中的调整量再进行“更细致的微调”。
  
  先看总伽马(Master Gamma)。总伽马也称RGB伽马,RGB不是有三个通道吗,一起联动着调,就是一调三个通道的曲线一起变化,就是总伽马调整了,很简单吧。如果我们分别调整每个通道的伽马呢?那当然就是通道伽马调整,你调G Gamma,那么绿色通道的伽马曲线就单独变化,调R就红变化,调B就蓝变化;如果三个调整的幅度一样呢?那就是相当于总伽马调整了。
  
  再来看黑伽马(BLK Gamma)。黑伽马不是指有条曲线叫黑马曲线,而是指伽马曲线中光线输入量比较少的那部分的伽马曲线,光输入量少就对应画面中比较暗的部分,所以给它起个名字叫黑马。看下图,曲线中的暗部就是黑伽马的区域,调整黑伽马,就是改变曲线的这一部分的形态。
  
  既然黑伽马是伽马曲线中的一部分,那么是否也有R/G/B通道的黑伽马和总黑伽马呢?那当然,一马四蹄,马腿岂能不是四条?红绿蓝各通道的黑伽马分别就是R/G/B黑伽马,一起联动调整就是总黑伽马了。
  
  怎么样,伽马的原理很简单吧。其实不管是什么伽马,都是对伽马曲线的“微调”,如果将来摄像机能对亮部伽马能进行调整,再出一个“白伽马”也不是不可能的。
  
  下面我们来看看调整伽马曲线对画面的变化。下图是调整总伽马后,画面的变化,原来的画面整体感觉比较灰,反差比较低,经过总伽马调整,反差有所提高。
  
  通常在实际操作中,会调整总伽马或总黑伽马,但很少调通道伽马,因为调整通道会产生偏色。通道伽马的作用往往是对摄像机进行“维护性的调整”,比如摄像机使用时间长了,某个通道有少许偏色,那么可以对该通道进行调整,这种调整必须根据示波器等设备来看才能调准确,光用眼睛看来调通道伽马是不靠谱的。
  
  一些摄像机中,伽马并不能进行随意调整,而是有若干模式进行选择(下图)。这些模式就是根据不同的效果,设定好的伽马调整值。选择哪个,伽马曲线就调整成设定状态,效果跟手动调是一样的。

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