ガンマ補正 – 定義

導入

写真、映画撮影、およびビデオでは、ガンマは感光媒体 (写真乳剤またはフィルム、CCD または CMOS センサーなど) または電子視覚信号のコントラスト レンダリングを特徴付けます。

ブラウン管の非線形性のため、ビデオ画像の処理にはガンマ補正が必要です。

写真や映画撮影において

ガンマ(コントラスト係数) は、ハーター・ドリフィールド曲線(センシトグラム) の直線部分の傾きを特徴づけるもので、輝度H の対数に続くフィルム画像の濃度D (または不透明度の対数)を追跡します。彼から受け取った。露光とも呼ばれる照度は、写真乳剤が受ける照度の露光時間の積です。したがって、その一般式は次のようになります。

考慮すべき曲線の点の値は、乳剤（白黒、ネガ、反転）および使用する標準（Agfa、Kodak など）によって異なります。

したがって、この傾きは乳剤のコントラストを特徴づけます。傾きが高いほど乳剤のコントラストは高く、その逆も同様です。

光の下でネガ乳剤が暗くなるため、可逆乳剤のガンマが負の場合、乳剤は正の傾きを持ちます。

カーブの裾と肩ではコントラストが変化しますが、ガンマは直線部分のみで計算されます。

また、写真における紙プリントや映画撮影におけるポジプリントの場合、観察される画像の見かけのコントラストは、撮影時に使用された乳剤のガンマと描画支持体のガンマの積であることにも注意してください。したがって、これらのガンマの積が 1 に等しい場合、正しい転送が保証されます。

可逆写真（スライド）および映画撮影では、投影コントラストの損失を補うために、ポジ乳剤のガンマは通常 1 より大きくなります。また、ネガ乳剤のガンマも通常 1 未満です。

写真乳剤に直線部分があり、したがって線形ガンマがあるとしても、陰極線管ビデオシステムには当てはまりません。

用語

さまざまな量の名前はやや誤解を招きます。強度という用語は、厳密には単位時間および単位面積あたりに放出される光の量を指し、1 ルクスの単位で表されます。ただし、科学研究の多くの分野では、この量は別の量である光度とは対照的に、光放射率と呼ばれます。

ビデオ単独のコンテキストであっても、輝度はさまざまな意味を持ちます。

• 輝度は、波長に応じた人間の目の感度を考慮した物体の見かけの明るさです (cd/m² で表されます)。
• 輝度（ビデオ）は、エンコードされたビデオ信号、つまり電圧信号VSに似ています_。

同様に、明るさまたは輝きは、ガンマ乗則の適用前または適用後の「光の量」を指す場合があります。

ビデオおよび電子画像処理において

ガンマ特性は、テレビ信号の輝度の振幅(ボルト単位) とスクリーンブラウン管上の画像の実際の輝度 (cd/m2 単位)との関係を近似するべき乗則の関係です。

実際、陰極線管は、入力信号の振幅が低い場合、この信号またはその低振幅変動にはほとんど反応せず、それらを再現しないように動作します。この部分の傾斜は緩やかです。また、ゼロ以外の故障電流を決定することによって、この問題を克服します。つまり、低振幅の詳細を読み取れるようにする必要があるため、黒の振幅はゼロではなく、約 30 mV でなければなりません。これは、放送オーディオビジュアル イメージングで推奨される「黒レベル」です。ただし、暗い場所ではコントラストが弱いです。

逆に、信号の振幅が大きい場合はコントラストが重要となり、明るい部分が白く再現されてしまう危険性が高くなります。

この非線形関係により、エンコードされた輝度の連続する等しいステップは、知覚される明るさの主観的に等しいステップに対応します。これらの量間の線形関係を必要とするデジタル グラフィック システムでは、ガンマ補正が使用されます。次の図は、線形に増加する強度スケール (したがってガンマ補正あり) と線形に増加する輝度信号のスケール (補正なし) の違いを示しています。

ほとんどのディスプレイ (つまり、正規化ガンマが 2.5 のディスプレイ) では、線形強度スケールでは 0.0 と 0.1 の強度の間で知覚される明るさに大きなギャップがある一方、スケールのもう一方の端で知覚される違いはより認識しにくいことが観察できます。知覚する。線形にエンコードされたスケールは、強度が非線形に増加するため、知覚される明るさが非常に規則的に変化します。極値0.0と1.0は変更されません。

アナログ入力を備えたモニターでは、信号帯域幅が制限されているため、白と黒の交互の垂直バンドが、単純に水平に回転した同じバンドとは異なる明るさで表示されることがあります。したがって、左側の画像の 2 つの正方形は異なる強度で表示されます。

Web ブラウザが画像のガンマ補正を実行しない場合は、白と黒が交互に現れるバンドの強度を示すレベルを見つけることで、モニターとグラフィックス カードのガンマ値を組み合わせた値を正しいスケールで簡単に確認できます。右側に表示されるグレースケールの明るさに最も近い値です。

たとえば、陰極線管(またはCRT ) は、内蔵されている電子銃が非線形応答デバイスであるため、ビデオ信号を非線形に光に変換します。光強度I は、_{次の近似式に従って電源電圧 VS}に関連付けられます。

$$ {I \approx k . V_{\rm S}{}^{\gamma}} $$

ここで、 γはギリシャ文字のガンマ、 k は電子銃の加熱能力と使用する蛍光体に依存する定数で、ゲインは加速電圧によって制御されます。 CRT 管の場合、 γ は約 2.5 です。偶然にも、これにより、このページの上部の図に見られる均一なスケールが得られます。

簡単にするために、モノクロチューブの例を考えてみましょう。この場合、0.5 のビデオ信号 (中間グレーを表す) がディスプレイに入力されると、知覚される強度または明るさはわずか約 0.21 (暗いグレーになります) になります。ガンマ指数の影響を受けないトーンは、純粋な黒 (0.0) と純粋な白 (1.0) だけです。

この影響を補償するために、エンドツーエンドの応答が線形になるように、逆伝達関数(ガンマ補正) がビデオ信号に適用されることがあります。言い換えれば、送信信号は、たとえばカメラでの画像生成の直後から意図的に歪みが加えられ、表示デバイスが信号を再び歪めた後、視聴者は期待どおりの明るさを見ることができます。上記の関数の逆関数は、単なる別のガンマ関数です。

$$ {V_{\rm C} \approx k’ . \frac{V_{\rm S}{}^{(1/\gamma)}}{k}} $$

ここで、 _VCは補正された電圧、 VS_は電源電圧 (たとえばカメラまたはビデオ レコーダーから得られる)、 k’/k はゲイン定数です。陰極線管の例では、1/ γは 1/2.5 または 0.4 です。

カラー陰極線管は 3 つのビデオ信号 (赤、緑、青) を受信し、一般に各色にはγ _R 、 γ _Vまたはγ _Bで示される独自のガンマ値があります。ただし、最も単純な表示では、 γの単一の値が使用され、3 つの構成色のそれぞれに対して調整可能です。

他のディスプレイ デバイスは異なるガンマ値を持っています。たとえば、Game Boy Advanceのディスプレイは、周囲の光の状態に応じて 3 ～ 4 の高いガンマ値を持ちます。ラップトップ ディスプレイ パネルなどの液晶ディスプレイ (LCD) では、電圧信号V _Sと電流Iの関係は高度に非線形であり、単純なガンマ値では説明できないため、プラズマスクリーンでは線形転送が可能です。ただし、これらの表示はすべて、 γ = 2.5 の場合の伝達関数陰極線モニターの動作を最もよく近似するために、入力電圧に特定の補正曲線を適用します。 NTSC テレビ録画では、 γは 2.2 です。実際、生成された画像は、ブラウン管での放送用に事前に補正されています。

ガンマ関数、またはその逆関数は、ゼロで無限の傾きを持ちます。これにより、ガンマ色空間への、またはガンマ色空間からの変換中に問題が発生します。このため、sRGB などの最も正式に定​​義および校正された色空間では、ゼロに近い線分を定義し、入力電圧xをx+K ( Kは定数) に乗して変化させ、得られる曲線とその包絡線が次のようになります。接線は連続したままになります。この直線は、CRT が実際に生成するものを表しているわけではありませんが、曲線の残りの部分は CRT に対する周囲光の影響とほぼ一致しています。このような式では、この最後の曲線の指数はガンマではありません。たとえば、sRGB 関数は 2.4 のべき乗を使用しますが、2.2 ガンマ伝達関数によりよく似ています。