“工程师说” 探秘图像一致性技术语言和典型应用（八）
上期我们为大家介绍了 HDR Look，从本期开始，我们将用连续三期的篇幅，深入解析影像技术的基础之一的伽马，重点聚焦索尼体系化的伽马曲线与“伽马语言”。伽马是一套兼具传统底蕴与创新活力的技术体系，其中部分概念源于多年前的技术成果，虽至今仍在广泛应用，但不少细节已逐渐模糊，本文也将尝试对这些内容进行系统梳理。HDR伽马，Log对数伽马一直讨论的比较多，本次伽马系列篇章将重点梳理索尼伽马的基础，就是SDR 伽马和黑伽马，具体规划如下：
第一期：伽马基本信息说明，总结常见问题
第二期：索尼Standard Gamma 解析
第三期：索尼Hyper Gamma，Black Gamma解析
伽马为何 “低调”?看似冷门，实则关键的幕后英雄
伽马在日常使用中的关注度不高，核心源于其 “简单与复杂并存” 的双重特性：
操作层面 “足够简单”：伽马的设置选项相对简单(具体分类统计见下表)，且不少场景已形成固定操作范式，比如 HDR 制作直接选择 HLG 曲线即可，仅SDR 场景的设置会稍显复杂;
原理层面“足够复杂”：伽马技术横跨物理学、生物感知学、摄影学与视频技术四门学科，而实践中即便不深究复杂原理，也能完成基础拍摄任务，这也导致部分使用者没有深入探索的动力。
为何要重新梳理伽马知识?夯实基础，规避误区
重新系统梳理伽马相关信息，核心源于实际制作中的两大核心需求：
夯实创作基础：在 SDR制作等场景中，伽马是诸多关键概念的源头。它是图像曲线的基础，从最初的伽马校正演化出多种功能曲线，直接决定图像影调;同时，伽马对色彩呈现的影响等基础问题，理解非线性对应人眼视觉特性，也是影视制作重要的知识指引。
规避操作误区：实际工作中，因对伽马特性理解不足，容易出现无效操作或效果偏差 。比如 HDR 制作时，SDR 伽马对 HDR信号并无作用，但可能会有盲目调整 Standard Gamma 参数的情况;此外，诸如 “如何通过黑伽马调整优化暗部色彩”等与图像效果直接相关的实操问题，也需要清晰的指引。
伽马的掌握离不开 “理解原理 — 实践验证”的闭环。只有吃透伽马的核心逻辑，再通过实际操作反复打磨，才能灵活运用伽马设置，让技术为创作赋能，拍出更优质的影像作品。
6 伽马：从校正到曲线美
凡有图像，必有伽马。伽马历史悠久，无处不在，不断发展，从最初被动提供伽马校正功能，到逐渐主动发展出多种和图像效果相关的伽马曲线。
伽马是个大容器，可以包罗万象，包括伽马校正，伽马曲线，显示伽马，摄像机伽马，系统伽马等技术点。伽马校正是光电和电光转换的正反补偿机制。在索尼体系中，摄像机与监视器相互配合，组成伽马校正的完整系统。伽马作为一个传统且不断出新的技术体系，是时候深入梳理并应用：
伽马和伽马校正是什么? 伽马校正和人眼特性有什么关联?(本期)
伽马如何影响图像效果?为什么说影像世界是由伽马曲线来表达的?(本期)
为什么SDR 是对RGB进行伽马处理，HDR 主张对亮度进行伽马处理?(本期)
为什么在HDR制作中，当调整Standard Gamma伽马表中的选项后，HDR信号没有任何影响?(下一期)
STD Gamma中的3.5，4.5倍选项是什么意思?调整斜率和电平会有什么图像变化?(下一期)
为什么说Hyper gamma是SDR伽马，而又称为Log gamma先驱?(再下一期)
Hyper Gamma有什么图像特点?(再下一期)
HLG到底是对数曲线还是伽马曲线?对数曲线也是伽马曲线吗?(下一期)
User Gamma 用户伽马作用是什么，用什么工具制作?(下一期)
如何使用黑伽马调整图像效果?(再下一期)
伽马曲线有何精妙之处?(再下一期)
下文将开始探索之旅，有些问题还要到“故纸堆”中寻找最早的用意。
伽马核心功能：塑造图像效果
日常图像制作中，伽马在摄像机和监视器中影响图像效果，这也是最常用的功能。
(1)伽马改变图像影调举例：拍摄节目时，物体色彩有时会出现饱和度下降的情况。
如“设置前”的画面所示，红色和橙色花朵的色彩未能充分还原，导致画面失去原有质感与色彩深度。
这一现象的成因是：中间调区域(高光区域与暗部区域之间的部分)的色彩呈现未达到人眼感知的自然效果。
通过调整摄像机的伽马校正参数，能够再现更逼真的画面。具体而言，通过设置摄像机的伽马曲线选择，伽马电平和斜率参数等，让信号符合人眼感知的规律，那么图像将呈现出更加丰富的色彩。如“设置后“的图像显示。
(2)伽马曲线的变化带来图像效果变化
伽马曲线反映了输入信号强度与输出信号强度之间的对应关系。简单来说，伽马影响图像对比度和亮度范围，带来影调的变化，间接影响图像的颜色，特别是中间调图像效果，而色彩矩阵直接影响图像颜色。在图像调整中的定位，可参考以下“画面调整思路和流程”图。
画面调整思路和流程
①伽马效应影响的是图像的外观，而非亮度值的精确再现。这个图像外观是否符合人眼的感知特性，取决于伽马。伽马主要用伽马曲线来影响图像外观，因此伽马曲线的形态是伽马调整的主要目标。
伽马曲线会影响到整个图像的对比度：伽马曲线反映了输入信号强度与输出信号强度之间的对应关系，这个对应关系表现为图像对比度，对比度越高，整个图像的通透性越好，人眼视觉感受越鲜明。同时对比度越高，整个图像的色彩饱和度也越高。根据亨特效应，人眼主观感受到亮度降低，色度/饱和度也会降低，亮度提升，色度/饱和度增强。
调整伽马值会影响RGB信号的表现：伽马处理会对输入的线性R、G、B分量分别施加非线性转换函数处理，随后计算这些非线性分量的加权和，形成一个与亮度相关的信号(需注意，该信号并非CIE亮度)。经过伽马校正的709亮度信号方程式为=0.2126 + 0.7152 + 0.0722。经过校正的RGB信号会在后续伽马相关电路中完成颜色处理。
伽马曲线区域影响：曲线下方区域影响暗部色彩，上方区域决定接近白色的高光色彩，中间区域则对应中间调色彩。伽马功能的核心校正对象是曲线的中间调色彩。
伽马校正实现感知均匀性：人眼对暗部亮度变化的敏感度远高于高光，因此伽马曲线通过 “压缩高光、拉伸暗部”的非线性分布，让画面亮度符合人眼感知习惯，例如，暗部细微亮度差异可被清晰区分，高光不会因过亮而丢失细节。
适配显示终端显示设备：伽马校正主要是对图像进行亮度空间非线性的转化，通过2.2/2.4等伽马值来适配相应的图像显示设备，实现好的呈现效果。
② 伽马和色域的协同
之前篇章介绍过S-Log3/S-Gamut3,S-Log3是伽马曲线之一，S-Gamut3是色域。伽马主管摄像机/监视器对亮度的处理方式，不同的伽马设置会形成镜头进光量与所记录信号水平之间不同的关系。色域控制着摄像机/监视器如何处理色彩，根据色域坐标形成电子系统内部的颜色。
③ 在后期调色系统中，Gamma起到了重要作用。在主流软件中，一般会有3组控件，分别是Lift, Gamma,Gain或类似的参数，主要用于反差(对比度)调整，参见下图。
Lift工具可以提高或降低图像中最暗的部分。
Gamma工具可以更改中间调的分布，调节画面中间部分的明暗。
Gain工具可以提高或降低图像最亮的区域。
这三个工具可以分别调整，但会互相影响。
Lift, Gamma, Gain 典型界面
伽马校正是伽马的首要责任，是必须要完成的基础功能：对显示器光电转换进行非线性校正。围绕这一关键功能，我们需要了解以下关键问题
伽马的本质是什么?
为什么要校正，校正什么?
伽马是幂函数还是对数函数?
0.45，2.4为何很重要?
为什么在摄像机进行伽马校正，为什么新的液晶显示器和OLED显示器还会模拟CRT显示器的伽马曲线?
从SDR到HDR，伽马校正的参数如何变化?
(1) 伽马校正最初是要解决阴极射线管(CRT)的非线性显示问题。
① 伽马是什么? 关键词：幂函数
伽马(γ)表示显示设备(CRT或平板屏幕)亮度和它的输入电压之间的相应性能数值, 由希腊字母γ表示。
CRT由于采用射线机构，其荧光材料特性会使其CRT的亮度和输入电压之间保持着一个指数关系(幂函数)，而不是比例关系(图A)。这种非线性呈现出曲线形态，这一曲线便是CRT显示器伽马曲线。
在没有伽马校正的CRT屏幕上，显示信号的暗部比实际的景物要暗，而亮部也比实际效果更加明亮，图像会出现反差很大的灰度失真。
这个伽马可用等式表示： L = Vγ，L代表CRT的亮度，V代表输入电压。这个关系中的指数就是CRT的伽马，一般大约为2.2，这个称为显示伽马(Display Gamma,EOTF)。也就是说，典型的 CRT 显示器产生的亮度约为输入电压的 2.2 次幂。
② 伽马校正是什么? 关键词：0.45，2.4
摄像机与CRT显示器的特性具有互补性，通过伽马校正可将信号编码至符合人眼感知的均匀色彩空间，从而实现对拍摄对象的逼真还原与精准显示。
从采光的摄像机到光的输出显示设备，视频系统都有它自己的线性关系。理想情况下，为了使最终显示出来的图像亮度与捕捉到的真实场景的亮度呈线性比例关系，正如下方图B中的直线所示。
然而，传统 CRT 显示器由于荧光材料的物理特性，实际输出的亮度与输入电压之间并非线性关系，而是呈现一种非线性曲线，这就是CRT伽马曲线(通常γ=2.2～2.5)。这条曲线和观众的观看环境有关，并不是一个固定的数字。
2011年ITU-R BT.1886标准正式发布，该标准基于ITU709HDTV制作规范，建议将CRT显示器的SDR伽马值定为2.4。因此2.4是广电监视器常用参数，但不是说所有的显示伽马都是2.4，典型值还有2.2，2.6等。2.2多是民用电视机常规伽马设置，2.6是比较黑暗的影院环境的伽马规范。
为抵消这种非线性失真，摄像机在记录图像时会预先应用一条“相反”的伽马曲线(即进行“伽马校正”)。这样，当信号经过 CRT显示器再现时，两者的非线性特性相互抵消，最终就能忠实地还原原始场景的亮度和对比度。
进入摄像机的光线会与CRT显像管的亮度成比例(图B)。从技术上讲，摄像机的伽马校正应约为 1/γ。 1/γ这个指数就是我们常说的摄像机伽马(OETF)，约为1/2.2或0.45。电路将感知到的亮度，以典型的数值 1/γ = 0.45 做逆伽马重新映射。
一个重要的巧合是，人类视觉对亮度的感知呈非线性响应，且这种响应与CRT显示器的非线性特性恰好呈反比关系。0.45的指数既适配CRT显示器的特性，又符合人眼的感知规律。
摄像机伽马和显示伽马的乘积就是整个图像系统的端到端系统伽马(OOTF))。通过校正后，如果这个乘积为1，那么显示出来的图像亮度与捕捉到的真实场景的亮度就是一条直线，是成线性比例的。
③ 设备分工和参数延续
伽马校正的执行端选择：在广播系统中，显示器的数量远多于摄像机，因此在摄像机端进行伽马校正更经济,这可以简化信号接收器的设计。
液晶显示器仍旧使用CRT伽马参数：液晶显示器的固有特性与CRT显示器存在差异，但由于摄像机最初是为CRT显示器设计的，大量设备均按0.45标准制造，经济价值决定了不会因部分设备的特性差异而重新制定新标准，而且0.45已经符合人类感知的图像编码关系，为了兼容性，所以液晶显示器和有机发光二极管显示器均会模拟CRT显示器的伽马曲线。
(2)从SDR环境到HDR环境，伽马校正的参数变化。
① SDR 伽马参数：
系统伽马=摄像机伽马×显示器伽马，其中CRT显示器的SDR伽马值是2.4，且由于0.45的摄像机伽马标准早已确立并广泛应用，因此继续沿用这2个参数。由此计算，系统伽马=摄像机伽马×显示器伽马=0.45×2.4≈1.1(精确值为1.08)，略高于理想线性值1，这使得显示图像的对比度会比实际场景稍高。若将摄像机伽马近似为0.5，则系统伽马约为1.2。
举一个典型应用场景：从人眼感知角度出发，当图像在昏暗环境中观看时，需要“扩展”图像的对比度，此时系统伽马值可调整至1.5。昏暗环境是电视观看的常见场景，在视频系统中，这种“扩展”效果通过摄像机对CRT实际幂函数进行轻微欠补偿实现，最终使整个系统的端到端幂函数指数达到1.1或1.2。相较于数学意义上的精确线性系统，这种设计能带来更优的主观视觉体验，从实际反馈来看，观众普遍接受并更偏好这种高反差的图像效果。
具体的参数包括SDR Gamma Table选择，Gamma 电平(Level)，非线性段的斜率选择(Coarse)等。
② HDR伽马参数:
HDR主要包含HLG和PQ两种伽马类型，国内日常拍摄与显示场景中，HLG的应用更为广泛。在HLG规范BT.2100中，HLG的拍摄伽马(OETF)保持不变，而显示伽马(EOTF)具备可变性。当EOTF发生变化时，系统伽马(OOTF)会相应调整，用于适配显示设备和观看环境：当显示设备的峰值亮度为1000尼特时，系统伽马(OOTF)为1.2;峰值亮度为800尼特时，系统伽马为1.16。索尼监视器提供了丰富的伽马参数选项，以适配不同的HDR应用需求
(3)为什么HDR主要是对亮度进行伽马校正?
通常情况下，SDR采用对RGB分量分别进行伽马校正的方式，但在HDR场景中，显示器以及背景和周围环境的亮度会发生大幅变化，因此系统伽马值需随之调整。彩色图像由红、绿、蓝三个分量构成，这一特性会影响OOTF的适用方式。若像SDR电视那样对每个分量单独应用伽马曲线，会导致色彩失真，尤其是饱和度扭曲，同时也会在一定程度上影响色调准确性。而仅对亮度分量进行伽马处理，即可有效避免显示设备中出现此类色彩异常。
另外，上篇HDR Look文章提到，在HDR信号处理中索尼采用个性算法，既支持对亮度进行伽马校正，又能对RGB进行伽马处理，从而在标准HLG之外，提供了HLG-Live、HLG-Mild等更多个性化图像效果选择。
以上是伽马介绍的第一部分，下一部分将介绍索尼的伽马体系。
