Gamma-Korrektur: Verbesserung der visuellen Klarheit in der Computer Vision: Die Gammakorrekturtechnik

Von Fouad Sabry

Was ist Gammakorrektur

Gammakorrektur, oft auch als Gamma bekannt, ist ein nichtlinearer Prozess, der in Video- oder Standbildsystemen zum Kodieren und Dekodieren der Luminanz verwendet wird oder Farbwerte. Eine der einfachsten Möglichkeiten, die Gammakorrektur zu definieren, ist die Verwendung der unten dargestellten Potenzgesetzaussage:

Wie Sie profitieren

(I) Einblicke und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Gammakorrektur

Kapitel 2: RGB-Farbmodell

Kapitel 3: Graustufen

Kapitel 4: sRGB

Kapitel 5: Adobe RGB-Farbraum

Kapitel 6: Tone Mapping

Kapitel 7: Rec. 709

Kapitel 8: Empf. 2020

Kapitel 9: Standard-Dynamikbereich-Video

Kapitel 10: Hybrid log?gamma

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zur Gammakorrektur.

(III) Beispiele aus der Praxis für den Einsatz der Gammakorrektur in vielen Bereichen.

Für wen sich dieses Buch eignet

Profis , Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die über Grundkenntnisse oder Informationen für irgendeine Art von Gammakorrektur hinausgehen möchten.

 

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 28. Apr. 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Gamma-Korrektur

Gamma oder Gammakorrektur ist ein nichtlineares Verfahren, das in Video- und Standbildsystemen verwendet wird, um Luminanz- oder Tristimuluswerte zu kodieren und zu dekodieren. In ihrer einfachsten Form wird die Gammakorrektur durch den Potenzgesetz-Ausdruck definiert:

{\displaystyle V_{\text{out}}=AV_{\text{in}}^{\gamma },}

wobei der nicht-negative reale Eingangswert V_{{\text{in}}} potenziert \gamma und mit der Konstanten A multipliziert   wird, um den Ausgangswert zu erhalten V_{{\text{out}}} .

Für den häufigsten Wert von A = 1,, In der Regel liegen die Eingabe- und Ausgabewerte im Bereich von 0-1.

Ein Gamma-Wert \gamma <1 wird manchmal als Kodierungs-Gamma bezeichnet. Die Verwendung dieser komprimierenden Potenzgesetz-Nichtlinearität bei der Kodierung wird als Gamma-Kompression bezeichnet; umgekehrt wird ein Gamma-Wert \gamma >1 als Dekodierungs-Gamma bezeichnet. Darüber hinaus wird die Verwendung der nichtlinearen Potenzgesetz-Entwicklung als Gamma-Entwicklung bezeichnet.

Unter Ausnutzung der nichtlinearen Art und Weise, in der Menschen Licht und Farbe wahrnehmen, wird die Gamma-Kodierung von Bildern verwendet, um den Verbrauch von Bits bei der Kodierung eines Bildes oder die Bandbreite zu optimieren, die für die Übertragung eines Bildes verwendet wird. Aus diesem Grund braucht es viel kreative Energie, um zu entscheiden, wie das Originalbild in seiner verkleinerten Version am besten dargestellt werden kann. Die Gammakorrektur, oft auch als Kontrastauswahl bezeichnet, ist ein Werkzeug im Werkzeugkasten des Fotografen zur Feinabstimmung des Endprodukts.

Elektronische Sensoren werden in Digitalkameras verwendet, um Licht aufzuzeichnen, und sie reagieren in der Regel linear. Farbraumtransformationen und Rendering-Transformationen werden bei der Umwandlung linearer Rohdaten in Standard-RGB-Daten (z. B. zum Speichern in das JPEG-Bildformat) durchgeführt. Insbesondere werden die Intensitäten der Primärfarben in einer fotografischen Reproduktion nichtlinear (durch Gammakompression) in fast allen gängigen RGB-Farbräumen und Dateiformaten kodiert. Darüber hinaus besteht eine Nichtlinearität der Tonwiedergabe zwischen der geplanten Wiedergabe und den gemessenen Szenenintensitäten.

Die Gammatheorie kann verwendet werden, um jede Art von nichtlinearer Verbindung zu analysieren.

Für die Potenzgesetz-Beziehung {\displaystyle V_{\text{out}}=V_{\text{in}}^{\gamma }} , Auf einer logarithmischen Skala sieht die Kurve als gerade Linie mit einer konstanten gamma-gleichen Steigung aus Der Ableitungsoperator (hier stellvertretend für die Steigung):

{\displaystyle \gamma ={\frac {\mathrm {d} \log(V_{\text{out}})}{\mathrm {d} \log(V_{\text{in}})}}.}

Wenn Sie ein Eingabe-Ausgabe-Diagramm auf logarithmischen Achsen zeichnen, entspricht die Steigung des Diagramms dem Gamma. Diese Steigung ist für Potenzgesetzkurven konstant, aber das Konzept kann auf jede Kurve verallgemeinert werden, indem Gamma (genauer gesagt Punkt-Gamma) als die Steigung der Kurve an einem bestimmten Punkt definiert wird.

Ein Diagramm mit logarithmischer Belichtung auf der horizontalen Achse und Dichte (oder dem negativen Logarithmus der Durchlässigkeit) auf der vertikalen Achse stellt die Ergebnisse der Belichtung von fotografischem Film dar. Diese Kurve ist das definierende oder charakteristische Merkmal einer bestimmten Filmkomposition und Verarbeitungstechnik. Eine Kurve, die durch die Hurter-Driffield-Transformation definiert wird.

Fernsehempfänger und -bildschirme, die Kathodenstrahlröhren (CRTs) verwenden, benötigen bei der Ausgabe in der Regel keine zusätzliche Gammakorrektur. Die Gamma-Kompression von übertragenen oder gespeicherten Videosignalen ist so konzipiert, dass sie mit der Gamma-Ausdehnung der CRT zusammenfällt (obwohl sie nicht genau umgekehrt ist). Die Gammawerte, die in TV-Signalen verwendet werden, werden durch analoge Videospezifikationen definiert. CCIR Die NTSC-Farbsysteme (M und N) verwenden ein Gamma von 2,2, während die PAL- und SECAM-Farbsysteme (B/G/H/I/D/K/K1 und L) ein Gamma von 2,8 verwenden.

Bilder werden oft mit einem Gamma von etwa 0,45 kodiert und in Computer-Anzeigesystemen mit dem reziproken Gamma von 2,2 dekodiert. Macintosh-Computer waren eine Ausnahme; Vor der Veröffentlichung von Mac OS X 10.6 (Snow Leopard) im September 2009 wurden sie mit Gamma 0.55 kodiert und mit Gamma 1.8 dekodiert. Unabhängig davon sind sowohl die Binärdaten in Standbilddateien (z. B. JPEG) als auch in Videodateien (z. B. MOV) ausdrücklich codiert (d. h. sie enthalten gammacodierte Werte, keine linearen Intensitäten) (z. B. MPEG). Wenn eine bessere Anpassung an das Gamma des Ausgabegeräts gewünscht wird, kann das System beide Situationen durch Farbmanagement weiter steuern.

Der Standard-sRGB-Farbraum, der von der überwiegenden Mehrheit der Kameras, PCs, Drucker und Kopierer verwendet wird, folgt nicht der oben beschriebenen Nichtlinearität des Potenzgesetzes, andererseits ist sein Dekodierungs-Gamma-Wert laut der Grafik rechts ziemlich konstant um 2,2.

Wenn die lineare Intensität kleiner als 0,00313 oder der komprimierte Wert kleiner als 0,04045 ist, ist diese Linie gerade (codierter Wert proportional zur Intensität), also γ = 1.

Die gestrichelte schwarze Kurve hinter der roten Kurve ist eine Standard-Potenzgesetzkurve γ = 2,2  zum Vergleich.

So kann z.B. ein Gamma = 1,8 Apple-Bild mit Hilfe einer Gamma-Korrektur-Software auf einem Gamma = 2,2 PC-Monitor passend dargestellt werden. Das Anpassen des Gammas der einzelnen Farbkanäle zur Berücksichtigung von Monitorunterschieden ist eine weitere Anwendung.

Wenn der Exponent des Anzeigesystems bekannt ist, ist eine automatische Gammakorrektur dank der Metadaten möglich, die das beabsichtigte Gamma des Bildes (der Änderungen zwischen kodierten Bildproben und Lichtleistung) angeben. Zu diesem Zweck ist der gAMA-Chunk in der PNG-Spezifikation enthalten, während in anderen Formaten wie JPEG und TIFF das Exif-Gamma-Tag verwendet wird.

Diese Eigenschaften haben in der Vergangenheit Probleme verursacht, insbesondere im Internet. PNG würde nicht mit JPG-, GIF-, HTML- oder CSS-Farben übereinstimmen, da es keine Gamma-Einstellung gibt, die 8-Bit-Ganzzahlen intakt anzeigen entspricht.

Bei Fernsehsystemen ist die Gamma-Charakteristik eine Potenzgesetz-Annäherung an die Verbindung zwischen dem kodierten Luma und der tatsächlich gewünschten Bildhelligkeit.

Bei dieser nichtlinearen Korrelation werden diskrete Zu- oder Abnahmen der kodierten Leuchtdichte im Allgemeinen einer wahrnehmungsäquivalenten Zunahme oder Abnahme der Helligkeit zugeordnet. Es wurde festgestellt, dass der Kehrwert des Exponenten, der von Ebner und Fairchild verwendet wurde, um die lineare Intensität in Helligkeit (Luma) für neutrale Farben umzuwandeln, eine annähernd optimale Wahrnehmungskodierung von Grautönen lieferte, und diese Zahl lag bei etwa 2,33 (ziemlich nahe an der Zahl von 2,2, die für ein typisches Anzeigesubsystem angegeben wird).

Das folgende Beispiel demonstriert den Unterschied zwischen einer linear wachsenden Intensitätsskala und einem linear ansteigenden kodierten Luminanzsignal (linearer gammakomprimierter Luma-Eingang) (linearer Luminanzausgang).

Die lineare Intensitätsskala weist auf den meisten Bildschirmen (mit einem Gamma von etwa 2,2) einen deutlichen Helligkeitssprung zwischen den Intensitätswerten 0,0 und 0,1 auf, während die Schritte