显示器Gamma相关小结

1、“迈瑞加油站”自学充电mindray 迈瑞生命科技如此亲近显示器Gamma相关知识小结张开俊 2010-10-20与其他医疗设备使用的普通显示器不同，放射影像、超声诊断等设备使用的 为专业的医疗显示屏(Medical Monitor)。因为要直接根据医学图像(主要是灰 度图)做诊断，所以医疗屏对显示的图像的灰阶、色温有较高的要求。因此公司 的超声产品上，无论是使用CRT显示器，还是LCD液晶屏，无论是外协加工的 成品显示器，还是自己组装调试的显示器组件，对Gamma的调校需求和验证标 准都极为严格，而相关的显示器供应商也将Gamma调校方法作为技术机密或核 心竞争力。Gamma在显示器的质量的

2、重要性可见一斑，然而Gamma究竟为何 物？ Gamma的调校又有何神奇之处？通过相关的调研，这些谜题将一一解开。1.什么是Gamma？Gamma源于CRT的响应曲线，即反映显像管的图像亮度与输入电子枪 的信号电压的非线性关系的一个参数。对于CRT显示器而言，显像管电子枪 发出的电子束及其生成的图像亮度并不是随显像管的输入电压线性变化，电子流 与输入电压相比是按照指数曲线变化的，输入电压的指数要大于电子束的指数。 所以暗区的信号要比实际情况更暗，而亮区要比实际情况更高，即亮度响应为非 线性的。图1就是CRT的输入和输出非线性关系的表现。由于这种非线性特性，将 使被显示的图像色调发生偏移。图2即

3、反映出这种非线性导致的图像的失真效 果。gBDgBD图1 CRT显示器的亮度响应曲线图原始国诲电压信号屏幕输出失真信号图2图像失真对比为衡量这种非线性，用书写表达式来确定输入输出之间的关系，就引入了 Gamma这个概念，抽象简化的表达这样一个幕函数：输出=输入按照惯例，“输入”和“输出”都缩放到01之间。其中，0表示黑电平，1表 示颜色分量的最高电平。对于特定的部件，人们可以度量它的输入与输出之间的 函数关系，从而找出Gamma值。一般将Gamma定义在010之间的一数值。从另一个侧面可以简单理解Gamma是衡量中间灰度位置的一个值。当 Gamma的值大于1时，图像的高光部分灰度跨越大而暗调部

4、分灰度跨越小；相 反，当Gamma的值小于1时，图像的暗调部分灰度跨越变大而高光部分灰度 跨越变小，图3即形象的反映了不同Gamma值对应的中间灰度位置，以及亮 暗部分的分配比例，图中圆点即表示中间灰度（255灰阶中的128灰阶）的位置。如果图像系统的整个Gamma=1,输出与输入就成线性关系。这就意味在 重现图像中任何两个图像区域的强度之比率与原始场景的两个区域的强度之比 率相同，这似乎是图像系统所追求的目标：真实地再现原始场景。但实际情况却 不完全是这样，下表就反映出几个实际生活实例中Gamma的情况。表1不同环境下的再生图像可重现原始场景的Y值环境例子Gamma 值明亮环境理想1黑暗环境

5、电影院看电影1.5暗淡环境房间看电视1.252. Gamma的种类根据上面的定义可以知道，虽然Gamma源于描述CRT显示器对输入信号 的失真的度量，但是这个概念可以拓展演化，凡是涉及到图像信息的输入输出的 对比差异，都可以引入Gamma这个参数。因此，从概念上，可以将Gamma 分为以下三类：显示器Gamma，文件Gamma，系统Gamma。显示器Gamma，很明显，从原始定义入手即知，它是用于衡量由于显示设 备的光电转换特性的非线性导致的图像信息失真程度的。由于实际的图像系统是 由多个部件组成的，这些部件中可能会有几个非线性部件。那么整个系统的传递 函数就是一个幕函数，它的指数Gamma等

6、于所有单个部件的Gamma的乘积。 由于是硬件原理所决定，所以显示器Gamma是一个固定值，无法人为改变，例 如普通的CRT的Gamma约为2.5。而为了使得图像信息尽量还原真实场景， 即显示结果的Gamma趋近1，就需要进行后面将要讲到的Gamma校正来抵消、 或者调解这个显示器Gamma固有的色彩影响。文件Gamma，可以理解为是相关的标准规范给定的一个参数值。为了描述 图像文件的表达信息而制定的色调标准，或是为了方便数字图像传输而设定的图 像传输协议，都会给定一个相应的Gamma值，来确定图像信号的输入和输出的 关系。对一个给定的数码相片文件，按照相关标准规范，这个gamma是一个定 值

7、，所以无需对其校正。如果出于某种特殊需要，一定要改变某数码相片文件的 gamma值，这种改变也不能像下文提到的那样称作“校正”，而是称作“变换”。 这中变换常常由摄影棚、工作室的摄影师进行，他们有意的去调节Gamma，来 对照片进行艺术化处理，而在Photoshop这一类图像处理软件中，普通人也可 以通过操作进行Gamma的调整，直接体验文件Gamma对图像的作用。系统Gamma，实际上是对如计算机等硬件系统在读图片等数字信息后，在 输出到显示器前做中变换的衡量参数，是可以通过软件人为地去调节的。而这种 显示前的变换操作，目的也就正是为了抵消上文提到的显示器Gamma，其实是 对显示器Gamm

8、a的一种反作用。因为可以人为调解，尽量使得不可调的显示器 Gamma，文件Gamma与该系统Gamma三者叠加为1，从而使得显示器显示 的图像和原始场景一般，降低或者消除失真。这就好比密码通信，文件Gamma 是加密过程，系统Gamma和显示器Gamma作为互相协调的“一对儿”，是对 文件Gamma的一种反作用，是解密过程，最后看到的结果就和原始信息一样。3. Gamma校正的思想Gamma校正是指通过参数调节，消除由于显示器Gamma导致的图像失真。 经过上文的介绍可以知道，图像信息在经过显示器显示时会因为物理因素导致必 可避免的失真，那么Gamma调校即是通过人为地在图像显示环节的前面，提

9、前 将需要显示的信号进行反向补偿修正的过程，也就是在显示阶段前端，对系统 Gamma，或者文件Gamma进行调整。跟上文类似，还是从中间灰度的位置的角度，简单理解Gamma调校的思想， 当采用的Gamma校正值大于1时，图像的高光部分跨度被压缩而暗调部分灰 度跨度被扩展；相反，当采用的Gamma校正值小于1时，图像的暗调部分灰 度跨越被压缩而高光部分灰度跨越被扩展。以CRT德Gamma校正为例，CRT 的显示器Gamma为2.5,那么在显示前端需要对将要显示的图像数据做Gamma 小于1的校正，校正过程的响应曲线如图4所示，校正的图像显示效果如图5。图4校正过程中的响应曲线原始图像昭压信号棱正

10、寿图能勇压信号屏幕福出囹保电压信号图5校正过程的显示效果那么，在什么地方做Gamma校正？这是人们所关心的问题。从获取图像、 存储成图像文件、读出图像文件，直到在某种类型的显示屏幕上显示图像，这些 环节中至少有以下5个地方可利用非线性转换函数来引入Gamma值camera_gamma:摄像机中图像传感器的Gamma(通常为0.4或者0.5)encoding_gamma:编码器编码图像文件时引入Gammadecoding_gamma :译码器读图像文件时引入GammaLUT_gamma:图像帧缓存查找表中引入GammaCRT_gamma： CRT 的 Gamma (通常为 2.5)这其中最后一处

11、CRT Gamma是我们尝试着消除的，所以一般所谓的Gamma校正，都是通过对前四处Gamma进行反向补偿调节，使用小于1的 Gamma来做转换，使得补偿校正后的信号经过显示后逼真还原原始图像信息。4. Gamma校正的方法根据上文提出的5点引入Gamma的内容，我们可以指导Gamma校正可 以从摄像机图像获取、图像存储的编码、图像读出的译码、缓存帧的查找等四个 方面进行，这里以图像获取、图像的编码译码为例进行简单说明。在所有广播电视系统中，Gamma校正是在摄像机获取图像时完成的。摄像 机根据显显示器的亮度非线性特征，对其获取产生的图像信号引入一个相反的非 线性失真，即与显示器Gamma对应

12、的摄像机Gamma(camera_gamma)，它的 值应为1/显示器Gamma。电视系统的伽玛值约为2.2，所以电视系统的摄像机 非线性补偿伽玛值为1/2.2=0.45。彩色显像管的伽玛值为2.8,它的图像信号校 正指数应为1/2.8 = 0.35。同对图像的编码和译码进行校正，是通过修正系统的配色方案来实现的。由 于在显示器上显示的图像的色彩信息，都是通过对应的色彩控制电压来表达的， 如控制CRT的RGB电子枪放射电子多少的阴极电压、LCD的液晶面板控制 RGB像素晶格里面液晶分子偏转的微电极电压。通过相应的Gamma校正，把 某个颜色RGB分量的灰阶对应的输出电压调整高或调整低，即计算生成一张 255色阶的颜色控制电压对照表，图像输出显示时，通过映射新的色阶-电压映 射表，用新的颜色替换原来的颜色，从而达到校正显示系统色泽的目的。例如需要显示的图像不是摄像机得到的图像，而是超声换能器得到的数字图 像信息，在图像获取