Примерно так (слева — естественное изображение, справа — зрительный аппарат человека):
Задача любого тракта передачи изображений — сохранить такое положение вещей, т.е. передать изображение без искажений яркости. Для естественного (например, ТВ) изображения это должно выглядеть так:
Тракт «от света до света» состоит из трех звеньев: приемника изображения (в данном случае камеры), корректора (в данном случае памяти с табличной функцией перекодирования — lookup table — LUT) и дисплея (экрана). Корректор является опциональным звеном тракта. Камера преобразует свет в код, корректор — код в код и дисплей — код в свет.
Передающие функции каждого из трех звеньев тракта описываются выражением Y=kXγ . Для передачи без искажений тракт в целом должен быть линейным, т.е. γview=γcam*γlut*γdisp =1. Для лучшего восприятия изображения в условиях низкой освещенности часто принимают γview =1,125 (стандарт ITU-R BT.709). Как это влияет на восприятие, мы рассмотрим позже.
Ремонт за 100 рублей ЖК-телевизора Samsung. Искажение цвета.
В случае искусственного (синтезированного) изображения тракт будет выглядеть так:
Казалось бы, как и в предыдущем случае, γview=γfile*γlut*γdisp =1. Но это не так. В этом случае γview ≈3. Для того, чтобы понять, почему, рассмотрим звенья тракта.
Зрение: рекомендации CIE 1976
Человеческое зрение воспринимает яркость нелинейно. Природа сделала это для расширения динамического диапазона восприятия яркости. Поясним этот вопрос с помощью пары формул и рисунка.
Если предъявлять синтезированные линейные уровни яркости (кривая 1 на рисунке), то человеческое зрение будет воспринимать эти уровни нелинейно. В соответствии с рекомендациями CIE 1976 восприятие линейных уровней яркости для диапазона яркостей 100:1, описывается гамма-функцией (1) (кривая 2 на рисунке):
L = 116(I/100)^3-16 I>0,8856
г де L – субъективная яркость, воспринимаемая человеческим зрением, I – объективная яркость.
Для того, чтобы получить субъективно линейные уровни яркости, необходимо ввести гамма-коррекцию. В идеальном случае такая гамма-коррекция описывается выражением (2), обратным гамма-функции (кривая 3 на рисунке).
I = 100((I`+16)/116)^3 I`>7,99
где I — откорректированная объективная яркость, I’ — исходная объективная яркость.
Показатель степени в (2) принято называть гаммой, т.е. в данном случае γ =3. При предъявлении гамма-откорректированных уровней яркости (кривая 3), мы будем наблюдать субъективно линейные уровни яркости (кривая 4 на рисунке, совпадающая с кривой 1).
В этом и заключается суть гамма-коррекции – откорректировать входные уровни яркости таким образом, чтобы человеческое зрение воспринимало эти уровни линейно. То есть синтезированное изображение нужно подвергнуть гамма-коррекции с гаммой: γview ≈3, точнее, в соответствии с выражением (2).
В каком из звеньев это нужно реализовать? Рассмотрим следующее звено тракта — дисплей (экран). В зависимости от типа дисплея, его световая характеристика может быть линейной ( γ =1) или нелинейной ( γ >1). Представителями дисплеев с нелинейной характеристикой являются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), а с линейной — светодиодные экраны, или, в более общем смысле, плоскопанельные дисплеи.
КАК ЗАСТАВИТЬ ЛЮБОЙ ТЕЛЕВИЗОР ПОКАЗЫВАТЬ ХОРОШО — ШЕСТЬ НАСТРОЕК
ЭЛТ дисплеи
ЭЛТ дисплеи по своей сути являются аналоговыми устройствами. Линейный на входе ЭЛТ сигнал преобразуется в яркость следующим образом:
То есть γэлт =2,5. По удивительному совпадению световая характеристика ЭЛТ (3) достаточно близка к кривой гамма-коррекции (2), что можно видеть на рисунке (показаны только 50 младших уровней).
Следовательно, если мы показываем на ЭЛТ дисплее естественное изображение, то γview=γcam*γlut*γэлт =2,5. Тогда, для сохранения линейности тракта ( γview =1) необходимо, чтобы γcam*γlut =1/2,5=0,4. Если нужно, чтобы γview =1,125, то γcam*γlut =1,125/2,5=0,45.
Если же мы показываем на ЭЛТ дисплее искусственное (синтезированное) изображение, для которого γview ≈3, то никаких специальных мер принимать не нужно. Требуемое значение гаммы с достаточной точностью реализуется световой характеристикой ЭЛТ с γэлт =2,5 (см. рисунок выше). Поэтому при коррекции тракта формулу (2) часто заменяют формулой (3), что сделаем и мы. Тогда γview =2,5 или 1,125*2,5=2,8. Соответственно, γcam*γlut =1 или 1,125.
Что будет, когда мы перейдем к светодиодным экранам?
Светодиодные экраны
Светодиодные экраны являются цифровыми устройствами. В отличие от ЭЛТ, световая характеристика экрана во-первых принципиально линейна, а во-вторых, дискретна. То есть γled =1.
Следовательно, при показе на светодиодном экране естественного изображения мы имеем γview=γcam*γlut*γled =1 и коррекции тракта не требуется. Для γview =1,125 необходимо выполнить условие: γcam*γlut =1,125 .
Когда мы переходим к работе с синтезированным изображением, для γview =2,5 нужно установить γfile*γlut =2,5, а для γview=2,8 — γfile*γlut =2,8.
Рассмотрим следующее звено тракта — источник изображения. Для естественных изображений это камера (сканер и т.д.), для искусственных это в общем случае файл.
Источники изображения
Камера может иметь как нелинейную (видикон), так и линейную (плюмбикон, ПЗС) световую характеристику. Независимо от этого, для большинства камер делают γcam =1/2,2=0,45. Это сложилось исторически и причиной тому — 100-летнее господство ЭЛТ. Позже характеристика камеры была уточнена следующим образом: (NTSC стандарт SMPTE-170M):
I` = 281(I«/256)^0,45-25,344 I«>4,608
где I« — входной параметр (исходная яркость), I` — выходной параметр (электрический сигнал).
Любопытно, что для видеостандартов PAL и SECAM рекомендована гамма γcam =1/2,8=0,36. Для простоты мы будем оперировать значением γcam =0,45, т.е. I`=I`^0,45.
Значение гаммы для синтезированных изображений определяется типом файла. В большинстве случаев γfile =1. Для некоторых типов изображений (.tga, .png и др.) гамма отличается от единицы.
На первый взгляд, исторически сложившаяся гамма-коррекция в камере исчезнет вместе с уходом со сцены ЭЛТ дисплеев. Но γcam играет еще одну важную роль: она более-менее выравнивает значения гаммы для естественных и искусственных искажений. Это достаточно важно в связи с тем, что границы между классами изображений достаточно условны и расплывчаты.
Связь гаммы с внешней освещенностью
Для того, чтобы увидеть младшую градацию яркости в условиях внешней освещенности, яркость этой градации должна превышать яркость фона в два раза. Это отношение называется пороговым контрастом. В соответствии с законом Вебера-Фехнера, в ограниченном диапазоне яркостей (от 1 . 10 нит до 200 . 500 нит, причем значение верхней границы точно не определено) величина порогового контраста постоянна и близка к единице.
(L-L0)/L0=const≈1 (5)
где L — яркость дисплея, L0 — яркость фона.
Теперь становится понятным, почему для низкой внешней освещенности (яркости фона) используется γview >1. Чем меньше внешняя освещенность, тем меньше должна быть первая градация яркости. Значение γview =1,5 используется в проекционных системах при наблюдении в темноте (освещенность 0 . 5 люкс). Для наблюдения дисплеев в затемненных помещениях (10 . 30 люкс) используется γview =1,25.
Стандарт ITU-R BT.709 со значением γview =1,125 предполагает внешнюю освещенность 64 люкса. Типичная освещенность офиса и дома составляет 100 . 200 люкс.
Чем больше величина гаммы, тем меньше значение первой градации яркости. Если первая градация при γview =1 равна единице, то при γview =1,5 первая градация будет равна 0,0625, при γview =1,25 — 0,25, а при γview =1,125 — 0,5 единицы.
Отсюда можно сделать вывод, что для дисплеев, работающих в условиях переменной внешней освещенности (например, уличных светодиодных экранов), величина гаммы должна быть переменной. Так как регулировка гаммы для экранов производится через LUT, то при показе естественных изображений на уличном светодиодном экране ночью следует использовать γlut =3,3, в сумерки γlut =2,8, в пасмурный день — γlut =2,5 и в солнечный день — γlut =2,2.
Конечно, все эти цифры достаточно условны. Для более точной гамма-коррекции необходимо знать точную световую характеристику камеры (или другого источника изображения) и историю последующей обработки сигнала. Если речь идет о синтезированных изображениях, нужно знать, какими инструментами они создавались и подвергались ли нелинейным преобразованиям. Как правило, такая информация неизвестна.
Поэтому остается использовать экспертную оценку качества гаммы-коррекции. Такая оценка должна производиться группой экспертов на тестовых изображениях в различных условиях внешней освещенности и с варьированием величины гаммы. Как правило, критерием качества являются отсутствие «провалов» на темных и светлых участках изображения и отсутствие ложных контуров. Самым точным инструментом оценки качества гамма-коррекции для синтезированных изображений является серая шкала. Как обсуждалось выше, гамма для естественных изображений должна быть несколько меньше (в 1,05 . 1,15 раз) гаммы для синтезированных изображений.
Источник: dzen.ru
- Lock 26 июня 2020, 11:33 Домашние проекторы Epson 2020 — коротко о каждом 3
PaulPhoenix 9 января 2020, 08:39 Выездное тестирование проектора Epson EH-TW7100 2
feste 2 декабря 2019, 20:37 Обзор домашнего 4K-проектора Optoma UHL55 2
PaulPhoenix 18 ноября 2019, 21:34 BenQ TH671ST — Резюме (ProjectorCentral.com) 1
PaulPhoenix 27 сентября 2019, 15:34 «Круг Света» в Коломенском — фотоотчет 1
PaulPhoenix 16 декабря 2018, 23:29 Александр Фролов (ViewSonic) рассказывает о тенденциях рынка проекторов на 2019 год 1
Последние темы форума
- perfect 24 августа 2019, 09:50 Who is the optimum underpaid veteran upon the Los Angeles Ra
Что такое Гамма-коррекция, EOTF, BT.1886
Пожалуй, для человека, который интересуется тонкостями цветопередачи, понимание гамма-коррекции дисплея является одной из самых непростых задач. Гамма-коррекция дисплея также именуется EOTF (Electro Optical Transfer Function). Правда, часто словом EOTF называют новый стандарт гамма-коррекции BT.1886, но в самом тексте стандарта становится понятно, что под EOTF подразумевается просто гамма-коррекция дисплея.
Действительно, «гамма» — не очень удобное и не очень понятное слово, а вот «функция электро-светового преобразования» (EOTF) точно определяет, с чем мы имеем дело: очевидно, есть электричество с одной стороны и свет с другой, а функция нужна для того, чтобы определить, как именно свет зависит от электричества. Безусловно, слово «optical» можно при желании перевести и иначе, но тогда это будет сбивать с толку.
Вообще, зачем все это и чего мы хотим добиться? Возьмем 8-битный цвет. От черного до белого всего 256 градаций. Мы хотим, чтобы эти градации были не только различимы, но и чтобы различия между каждыми двумя оттенками воспринималась нами, как одинаковая. Воспринимаемая яркость называется светлотой.
Мы хотим, чтобы разница, к примеру, между цветом 25 и 26 (почти черный) была для нашего глаза такой же, как, скажем, между 201 и 202 (почти белый). В общем, по мере увеличения цифры, характеризующей цвет, мы хотим, чтобы светлота росла линейно.
История вопроса — нелинейность восприятия
А в чем, собственно, проблема?
Если у меня в руке какой-нибудь прибор наподобие люксметра, а вы меня попросите сделать картинку проектора в два раза ярче, то я вас спрошу: в два раза ярче для люксметра, или для зрения? То есть, рост измеримого параметра яркости в два раза не будет соответствовать увеличению светлоты, воспринимаемой яркости, в два раза.
Spacediver с avsforum.com приводит график различных представлений о том, какая именно функция отражает степень увеличения светлоты по мере роста измеримой яркости:
По оси y — светлота, по оси x — яркость. Видно, что на каждом графике отмечены 10 точек, которые соответствуют десяти градациям воспринимаемой яркости (светлоты). Согласно некоторым из формул, 50% различимых нами оттенков заключены в 20% диапазона яркости от черного до серого. Господи, мы различаем эти точки, как имеющие одинаковую разницу по яркости… Это ужасно!
Примерно график этой функции можно определить, как y=x 1/2,4 . Но только примерно!
История вопроса — ЭЛТ кинескопы
И вот, жили мы себе и не задумывались, после чего человечество изобрело кинескопы. И вот, казалось бы, пора обратить внимание на гамма-функцию… но оказалось незачем. Спасло положение счастливое совпадение: оказалось, что у кинескопов подаваемое напряжение (то есть сигнал) влияет на яркость свечения тоже нелинейно. Да еще как нелинейно! Примерно по формуле яркость = напряжение 2,4
Другими словами, сначала отклик на увеличения напряжения идет минимальный, а под конец минимальное увеличение напряжения дает огромный рост излучаемой яркости.
Две функции встретились: светлота = яркость 1/2,4 и яркость = напряжение 2,4
От их слияния получилось простое светлота = напряжение. Более-менее линейная зависимость воспринимаемой яркости и интенсивности сигнала! Вот это удача! Более-менее, потому что EOTF кинескопов мог быть с показателем от 2,2 до 2,5.
Вот и даже в стандарт Rec.709 гамма-функция дисплея не вошла.
Имитация ЭЛТ
Но вот появились всяческие не-ЭЛТ дисплеи и для единообразия возникла задача имитировать поведение ЭЛТ дисплеев. Вроде как сошлись на том, что степенная функция ч показателем 2,4, то есть y=x 2.4 , где y-яркость, а x-уровень сигнала… так вот, было решено, что именно эта функция лучше всего описывает поведение ЭЛТ… при (такая маленькая оговорочка) идеально черном черном цвете. Ну и начали настраивать дорогие домашние кинотеатры с первоклассными уровнями черного под эту гамму.
А потом выяснилось, что для дома и для компьютера это перебор — оттенки серого в районе черного цвета плохо различимы, и поэтому в sRGB стандарте используется показатель гамма-функции 2,2. Благодаря гамме 2,2 оттенки почти-черного становятся лучше различимыми, но вот «середина» становится немного неконтрастной. Так и ходим мы с тех пор между гаммой 2,2 и 2,4.
Графики y=x 2.2 , y=x 2.4 , y=x 1
Измерение гамма-функции
Вы выводите на экран изображения с яркостью 0, 10%, 20%… 90%, 100% и измеряете яркость, вносите полученные значения в таблицу, строите график и смотрите, на что это похоже.
Как правило, если гамма ниже 2,2, то это можно использовать при свете, поскольку тени будут более различимы. Выше 2,4 для обычного HD видео не требуется. Как гамма 2,2, так и 2,4, могут считаться правильными вариантами.
Что-то пошло не так?
Да, оказалось, что большинство домашних дисплеев не обладают черным цветом, близким к идеальному. Взгляните еще раз на рисунок:
У нас не идеальный черный, а мы все еще полагаем, что минимальный прирост яркости будет встречен глазом, как хорошо различимый. У нас не идеальный черный, а проектор ведет себя, будто он идеальный, в результате чего никакой равномерности изменения воспринимаемой яркости не происходит — черные оттенки слишком слаборазличимы!
Возьмем пример spacedivera с avsforum.com. Если у нас максимальная яркость 100 кд/м2 (чтобы получить фут-ламберты, надо разделить на число Пи), а яркость черного — 10 кд/м2, то мы можем попытаться сдвинуть график гамма-коррекции вверх:
Или же, что более правильно, сдвинуть вверх только черный, а график перемасштабировать:
Казалось бы, «какие же мы хитрые», но нет! Ну не ведет себя глаз подобным образом на яркости 10 кд/м2. Около 0 — ведет, а тут — нет.
На помощь приходит стандарт ITU-BT.1886. Он опирается на гамму с показателем 2,4. Однако, в формуле зашиты также и максимальная яркость и минимальная яркость дисплея. Максимальная и минимальная яркости, реально демонстрируемые диспллем являются в формуле гаммы BT.1886 переменными, приходящими на замену настройкам «яркость» и «контрастность», к которым так привыкли пользователи. Напомню, традиционно яркость регулирует яркость черного, а контрастность — яркость белого. Гамма-функция для примера выше должна выглядеть вот так:
Ну а при идеальном черном гамма BT.1886 будет равна… гамма-функции с показателем 2,4.
BT.1886
Стандарт ITU-BT.1886 — первая попытка прийти к общему знаменателю по гамма-функции, или «EOTF». В нем заявляется, что за основу, действительно, берется степенная функция с показателем 2,4. Затем в формулу вводится переменная часть, зависящая от уровня черного цвета и уровня белого (максимальной яркости). Данная формула гаммы решает вопрос, связанный с тем обстоятельством, что при использовании дисплея с высоким уровнем черного, использование классической степенной гаммы приводит к ухудшению различимости оттенков темно-темно-серого, к воспринимаемой неравномерности изменения яркости цветов от черного к белому. Несмотря на кажущееся усложнение, BT.1886 призвана добиться более одинакового результата у различных дисплеев различных ценовых категорий.
Тем не менее, требования по настройке гаммы на базе измерений яркости противоречат принципам бюджетных устройств с их стремлением к простоте, как для удешевления, так и для простоты эксплуатации. Тем не менее, зашить в режим «Кино» проектора информацию о его яркости черного и белого не должно быть такой уж большой проблемой.
- параметры изображения
- яркость проектора
Источник: projectorworld.ru
Гамма в телевизоре что это
На заре появления телевидения входной линейный видео-сигнал без какой-либо коррекции выглядел очень темным на экране телевизора. Кроме того, света обладали избыточной информацией о тоновых переходах, тогда как в тенях наблюдался их недостаток. Т.е. телевизоры обладали нелинейностью. Для компенсации этой нелинейности необходимо было ввести некоторую коррекцию.
Поскольку аппаратно реализовать коррекцию линейного сигнала в телевизорах было крайне дорогим удовольствием, было решено изменять непосредственно исходный видеосигнал. Так возник стандарт коррекции с гаммой 2.5. Позже в мониторах Apple была использована гамма 1.8. А все современные мониторы, включая мониторы Apple, уже используют гамму 2.2. Что представляет собой гамма?
Гамма-коррекция — это изменение яркости изображения, которое может быть представлено простой степенной функцией вида O = I γ , где γ — степень (называемая гаммой), в которую возводится входный сигнал I, чтобы получить выходной O. Также могут использоваться и более сложные функции, описывающие тональное распределение. То есть гамма определяет результирующую яркость и контраст изображения.
Рассмотрим всю цепочку коррекции сигнала:
1. Сцена линейно фиксируется сенсором камеры. Происходит некоторая нормализация и очистка сигнала в фотокамере.
2. В RAW-файл записывается линейный сигнал. Надо сказать, что эта линейность достаточно условная и идеально-линейных сенсоров не существует. Но в целом можно утверждать, что в RAW-файлах информация линейна.
3. Происходит преобразование линейного RGB в целевое пространство, например, sRGB. Выполняется гамма-коррекция вида O = I 1/γ , где γ — гамма, либо более сложная коррекция как в случае sRGB или L* (см.ниже). В результате у изображения повышается яркость. Далее могут происходить различные коррекции (контраст, насыщенность и т.д.)
4. Для вывода на экран происходит гамма-коррекция опять к линейному виду через O = I γ .
5. Происходит преобразование линейного RGB в пространство монитора (обычно через системный профиль). Снова выполняется гамма-коррекция вида O = I 1/γ и полученное изображение отравляется на экран.
6. Все изображение экрана вместе с выводимым изображением в видеокарте преобразуется к линейному виду через O = I γ .
7. Полученное линейное представление выводится на матрице монитора.
Если приглядеться к этой цепочке, то становится очевидным, что гамма-преобразования происходят многократно. Это на самом деле весьма избыточно и, что самое неприятное, в результате этих трансформаций накапливаются ошибки, искажающие цвет. К сожалению, эти исторически возникшие операции сейчас уже практически невозможно исключить или оптимизировать. Очень много устройств выводят изображения на экран как есть, полагая, что исходные изображения в формате sRGB или AdobeRGB.
В следующей таблице представлены стандартные гаммы цветовых пространств:
Гамма-преобразования выполняются по следующими формулами:
Как видно, некоторые стандарты, включая sRGB, используют в отличии от простой экспоненциальной функции небольшой прямолинейный участок (slope). Стандарт sRGB приблизительно равен гамме 2.2, поэтому в вышеприведенной таблице указано это значение. Кривая L* (используемая в Lab) максимально имитирует гамму-коррекцию человеческого глаза и примерно равняется 2.45. Cтандарт BT.709 (Rec.709, он же стандарт HDTV, cейчас этот стандарт устарел и заменен новым BT.1886), из которого были заимствованы цвета для sRGB, имеет гамму 1.93.
Поскольку, обработка фотографий практически всегда часто включает искажения яркостей тех или иных областей, зритель в итоге видит изображение, которое не соответствует снятой сцене. Поэтому на этапе преобразования из RAW в RGB следует применять такую гамму, которая максимально будет близка к желаемому результату. То есть нет никакого смысла на этом этапе строго применять гамму sRGB, 2.2 или каку-либо другую.
Нужно отметить, что зрение человека нелинейно. Для нормального восприятия окружающего мира, мозг человека производит коррекцию сигнала, получаемого с сетчатки глаза. Считается, что эта коррекция близка к экспоненциальной функции. То есть изначально линейный сигнал подвергается повышению, причем в тенях сильнее, чем в светах. Связано это с необходимостью видеть детали в тенях.
Умение распознать опасность, скрытую в тени, было жизненно необходимым для человека.
Пожалуй, это все, что нужно вкратце знать о гамме. Удачи!
Дополнительно:
Источник: kapankov.ru