摄像机gamma校正

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仔。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。
 

下图是对黑伽马的调整，之前的画面中暗部的输出值比较高，我们能看见暗部里的细节。经过把总黑伽马调低，暗部的输出值降低，暗部就潜得比较黑，画面的反差看起来就是另外一种感觉。
 

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。