图像色彩中的gamma的理解

原贴地址：

https://www.zhihu.com/question/27467127

“广义Gamma"

前提：人眼对自然亮度的感知是非线性的；展示的媒介的灰阶预算是有限的

有趣的实验：物体反射率检测
面对这样一个完美的从黑到白过渡的油漆颜料体系，我们如果去检测一下中灰油漆的反射率，再把它和纯白油漆的反射率相比较。若我们定义白油漆的反射率是100%，黑油漆的反射率是0%，你会发现，中灰油漆的反射率不是直觉中的50%，而是一个在20%上下徘徊的数值。

这个实验说明了第一点：人眼对亮度的感知非线性

同样另外一个实验，用铅笔素描，在白纸上实现中灰的效果，那么铅笔的覆盖率是多少？80%

物理反射率 = 心理上的主观感受 ^ Gamma

假设光照适宜的场景中有一个中灰色的物体，反射率是白纸的0.2，我们采样到它的时候，应当把0.2的物理能量用0.454的Gamma放大到0.5的灰阶地位记录下来，这样一来，暗部区域就分配到128个灰阶了。我们充分地利用了存储空间，如果在拍照的时候不进行Gamma校正，那么中灰物体会被映射为0.2记录下来，那么此时，暗部仅分配到50个灰阶，暗部采样严重不足，高光采样冗余

 

Gamma=2.2怎么来的？是实践中目测调整出来并最终确定的，其实说良心话，只要是0.5中灰对应白色的20%左右，画面看起来都是靠谱的，所以当年的Gamma特别多种多样，在2.2上下浮动（1.8-2.5），1996年微软和惠普在特定的光照条件下测试人观看显示器的感受，他们认为，把8位图像中128号灰（0.5灰）这个抽象的、代表心目中中灰色的数值，对应以白像素21.8%的亮度显示出来，由黑到白的渐变过渡看起来会比较均匀。最终对应的Gamma就是2.2。那么他们定了这个标准，后世的硬件也就都往上面靠了，包括拍照的时候，编码Gamma也就取了1/2.2=0.454。这样能保证整个编码解码系统总Gamma是1，高保真，自然界中的色值能在屏幕上相对完好的再现

为什么一直强调低动态图像？这个其实涉及到“自然景象再现成画面”这样一个复杂的事情，自然界是高动态的，亮度可以非常亮，也可以有一些明亮的光源，所以我在描述中灰的物理量的时候，我不可能描述成场景中最亮的物体亮度的20%，这个最亮的概念会非常不好确定。同一个明亮的场景中，中灰纸张应该是白纸反射率的20%而不是灯泡能量的20%。我如果把高亮物体牵涉仅来，事情就乱了。但是我可以用绘画举例子，画布的动态范围是有限的，最亮不过是画布上的留白，屏幕的动态范围也是有限的，最亮不过是白像素。所以在低动态范围的语境下，我可以安全的定义，中灰蜡笔的反射率是白色蜡笔的20%左右，中灰像素的亮度是白像素亮度的20%左右，而不是现实场景中最亮物体的20%。这一点是很关键的

一切的前提必须是：灰阶预算很紧张，只有灰阶有限，我们才需要考虑中灰映射给谁的问题，如果灰阶足足的够用，硬盘不要钱了，网线足够粗，我们主流不再使用8位每通道图片记录亮度信息的话，Gamma是没必要的，我们直接把自然界的0.2记录在文件上，显示器读取到0.2，也直接显示就好了——32位每通道的hdr格式就是这样的。32位格式中，中灰就被记作0.218，所以在32位环境中拉一个0-1的渐变是这样的，很明显暗部被压缩了，高光区很多

总之一句话：灰阶有限的前提下，因为人眼对自然的非线性感知特性，我们才需要Gamma校正（灰阶有限4个字特别重要！！！）

本质：亮度的非线性存储/还原算法

 

苹果的Macintosh系统，它家的扫描仪Gamma=1/1.72，它家的QuickDraw软件存放生成的RGB值，用到帧缓存Gamma=1/1.45，然后送到它家2.5的显示器，出来总Gamma结果是1.0。这才是完全封闭的系统，每个环节都可控