ガンマ補正について

ガンマは、事実上すべてのデジタル イメージング システムの重要な特性ですが、ほとんど理解されていません。ピクセルの数値と実際の輝度との関係を定義します。ガンマがないと、デジタル カメラでキャプチャされた色合いは、(標準的なモニターで) 私たちの目に見えるようには見えません。ガンマ補正、ガンマ エンコーディング、またはガンマ圧縮とも呼ばれますが、これらはすべて同様の概念を指します。ガンマがどのように機能するかを理解することは、画像編集を最大限に活用するのに役立つだけでなく、露出技術を向上させることができます。

ガンマが役立つ理由

<強い>1.私たちの目は、カメラのように光を認識しません .デジタル カメラでは、2 倍の数の光子がセンサーに当たると、2 倍の信号を受信します (「線形」関係)。かなり論理的ですよね？それは私たちの目の働き方ではありません。代わりに、私たちは 2 倍の光をわずかな明るさとして認識します — そして、光の強度が高いほどますます明るくなります (「非線形」関係)。

リファレンス トーン 選択:

として認識明るさ 50% 私たちの目による

50% の明るさで カメラが検出

グラフの解釈に問題がある場合は、Photoshop 曲線ツールのチュートリアルを参照してください。
比較の精度は、2.2 の表示ガンマに設定された適切に調整されたモニターに依存します。
実際の知覚は依存します。
星明かりの下など、非常に暗いシーンでは、私たちの目はカメラのように直線的に見え始めます.

カメラと比較すると、明るい色調の変化よりも暗い色調の変化に敏感です。この特異性には生物学的な理由があります。これにより、私たちの視覚がより広い範囲の輝度で機能するようになります。そうでなければ、私たちが屋外で遭遇する典型的な明るさの範囲は圧倒されてしまいます.

しかし、これらすべてがガンマとどのように関係しているのでしょうか?この場合、ガンマは私たちの目の光感度とカメラの光感度の間を変換するものです。したがって、デジタル画像が保存されると、「ガンマ エンコード」されます。つまり、ファイル内の 2 倍の値は、2 倍の明るさとして認識されるものにより厳密に対応します。

テクニカル ノート:ガンマは V =V で定義されます ここで、V は出力輝度値、V は入力/実際の輝度値です。この式により、上の青い線が曲がります。ガンマ <1 の場合、ラインは上向きにアーチしますが、ガンマ>1 の場合は逆になります。

<強い>2.ガンマ エンコードされた画像はトーンをより効率的に保存します .ガンマ エンコーディングは、私たちの目が認識する方法に近い色調レベルを再分配するため、特定の色調範囲を記述するために必要なビット数が少なくなります。そうしないと、明るいトーン (カメラの感度が比較的高い) を記述するために余分なビットが割り当てられ、暗いトーン (カメラの感度が比較的低い) を記述するために不足するビットが残されます:

オリジナル↓ 32レベル(5bit)のみでエンコード リニアエンコード ガンマエンコード

注:1/2.2 の標準値を使用して表示されているガンマ エンコードされたグラデーションの上
レベルとビットの関係の背景については、ビット深度のチュートリアルを参照してください。

リニア エンコーディングでは、暗いトーンを表すのに不十分なレベルを使用することに注意してください。これにより、明るいトーンを表すにはレベルが過剰になります。一方、ガンマでエンコードされたグラデーションでは、トーンが範囲全体にほぼ均等に分散されます (「知覚的に均一」)。これにより、後続の画像編集、色、およびヒストグラムがすべて自然で知覚的に均一な色調に基づいていることも保証されます。

ただし、実際の画像には通常、少なくとも 256 レベル (8 ビット) があり、印刷でトーンを滑らかで連続的に表示するには十分です。代わりにリニア エンコーディングを使用した場合、画像のポスタリゼーションを回避するには、8 倍のレベル (11 ビット) が必要でした。

ガンマ ワークフロー:エンコードと補正

これらすべての利点にもかかわらず、ガンマ エンコーディングは、画像の記録と表示のプロセス全体に複雑なレイヤーを追加します。次のステップは、ほとんどの人が混乱する部分なので、ゆっくりと進めてください。 ガンマでエンコードされた画像は、表示時に「ガンマ補正」を適用する必要があります。これにより、効果的に元のシーンの光に変換されます .つまり、ガンマ エンコーディングの目的は画像を記録することであり、画像を表示することではありません。幸いなことに、この 2 番目のステップ (「ディスプレイ ガンマ」) は、モニターとビデオ カードによって自動的に実行されます。次の図は、これらすべてがどのように組み合わされるかを示しています:

RAW カメラ画像
は JPEG ファイルとして保存されます 1.イメージ ファイル ガンマ + JPEG をコンピュータ モニタで
表示 2.表示ガンマ=正味効果
3.システムガンマ

1. sRGB 色空間 (約 1/2.2 のガンマを使用してエンコード) で画像を描写します。
2. 2.2 の標準に等しい表示ガンマを表します

<強い>1.画像ガンマ .これは、キャプチャした画像が標準の JPEG または TIFF ファイルに変換されるたびに、カメラまたは RAW 現像ソフトウェアによって適用されます。ネイティブ カメラの色調レベルをより知覚的に均一なレベルに再分配することで、特定のビット深度を最も効率的に使用します。

<強い>2.表示ガンマ .これは、ビデオ カードとディスプレイ デバイスの正味の影響を指すため、実際には複数のガンマで構成されている可能性があります。表示ガンマの主な目的は、ファイルのガンマを補正することです。これにより、画面に表示されたときに画像が不自然に明るくならないようにします。ディスプレイ ガンマを高くすると、画像が暗くなり、コントラストが大きくなります。

<強い>3.システム ガンマ .これは、イメージに適用されたすべてのガンマ値の正味の効果を表し、「表示ガンマ」とも呼ばれます。シーンを忠実に再現するには、理想的にはこれを直線 (ガンマ =1.0) に近づける必要があります。直線は、入力 (元のシーン) が出力 (画面または印刷物に表示される光) と同じであることを保証します。ただし、システム ガンマは、コントラストを改善するために 1.0 よりわずかに大きく設定されることがあります。これは、ディスプレイ デバイスのダイナミック レンジによる制限、または非理想的な表示条件と画像フレアによる制限を補うのに役立ちます。

画像ファイル ガンマ

正確なイメージ ガンマは通常、ファイル内に埋め込まれたカラー プロファイルによって指定されます。ほとんどの画像ファイルは 1/2.2 のエンコーディング ガンマ (sRGB および Adob​​e RGB 1998 カラーを使用するものなど) を使用しますが、大きな例外は、線形ガンマを使用する RAW ファイルです。ただし、通常、RAW 画像ビューアーは、標準のエンコード ガンマを 1/2.2 と仮定してこれらを表示します。そうしないと暗すぎるように見えるからです。

リニア RAW 画像
(画像ガンマ =1.0) ガンマエンコード画像
(画像ガンマ =1/2.2)

カラー プロファイルが埋め込まれていない場合、通常は 1/2.2 の標準ガンマが想定されます。通常、カラー プロファイルが埋め込まれていないファイルには、「Web 用に保存」設定を使用して作成された一部の JPEG 画像に加えて、多数の PNG および GIF ファイルが含まれます。

カメラ ガンマに関するテクニカル ノート .ほとんどのデジタル カメラは光を線形に記録するため、ガンマは 1.0 であると想定されますが、極端なシャドウとハイライトの近くでは、これが当てはまらない場合があります。その場合、ファイル ガンマはエンコーディング ガンマ と の組み合わせを表す場合があります。 カメラのガンマ。ただし、カメラのガンマは通常、比較すると無視できます。カメラ メーカーは微妙なトーン カーブを適用することもあり、これはファイルのガンマにも影響を与える可能性があります。

表示ガンマ

これは、モニターのキャリブレーションを実行してコントラスト設定を調整するときに制御するガンマです。幸いなことに、業界は 2.2 の標準ディスプレイ ガンマに収束しているため、さまざまな値の長所/短所について心配する必要はありません。古い macintosh コンピュータは 1.8 のディスプレイ ガンマを使用していたため、Mac 以外の画像は一般的な PC に比べて明るく表示されていましたが、これはもはや当てはまりません.

ディスプレイ ガンマはイメージ ファイルのガンマを補正すること、およびこの補正の最終的な結果がシステム/全体のガンマであることを思い出してください。標準のガンマ エンコードされた画像ファイルの場合 (— )、表示ガンマの変更 (— ) したがって、次のような全体的な影響があります (—) ) 画像:

表示ガンマ 1.0 表示ガンマ 1.8 表示ガンマ 2.2 表示ガンマ 4.0

図は、ディスプレイが 2.2 の標準ガンマに調整されていることを前提としています。
画像ファイル ガンマ (— ) プラス ディスプレイ ガンマ (—) ) はシステム全体のガンマ (—) に等しい ）。また、ガンマ値が高くなると赤い曲線が下向きに曲がることにも注意してください。

上記のチャートをたどるのに問題がある場合でも、絶望しないでください!最初に、色調曲線が画像の明るさとコントラストにどのように影響するかを理解しておくことをお勧めします。それ以外の場合は、定性的な理解のためにポートレート画像を見ることができます。

チャートの解釈方法 .最初の画像 (左端) は、画像のガンマ (— ) はディスプレイ ガンマ (—) によって補正されません )、結果としてシステム全体のガンマ (—) ) 上にカーブします。 2 番目の図では、ディスプレイのガンマが画像ファイルのガンマに対して完全に補正されていないため、システム全体のガンマが少し上向きにカーブしています (そのため、画像がわずかに明るくなります)。 3 番目の図では、ディスプレイ ガンマがイメージ ガンマを正確に補正しており、全体的な線形システム ガンマが得られています。最後に、4 番目の画像では、ディスプレイのガンマが画像のガンマを過剰に補正しているため、システム全体のガンマが下方に湾曲しています (それによって画像が暗くなります)。

全体的なディスプレイ ガンマは、実際には、(i) ネイティブ モニター/LCD ガンマと、(ii) ディスプレイ自体またはビデオ カードによって適用されるガンマ補正で構成されます。ただし、それぞれの効果はディスプレイ デバイスの種類に大きく依存します。

CRT モニター LCD (フラットパネル) モニター

CRT モニター。 エンジニアリングのちょっとした運のおかげで、CRT のネイティブ ガンマは 2.5 です。これは、私たちの目のほぼ逆です。したがって、ガンマでエンコードされたファイルからの値は、画面に直接送信され、自動的に修正され、ほぼ問題なく表示されます。ただし、全体の表示ガンマを 2.2 にするには、1/1.1 程度の小さなガンマ補正を適用する必要があります。これは通常、メーカーのデフォルト設定ですでに設定されていますが、モニターのキャリブレーション中に設定することもできます。

液晶モニター . LCD モニターはそれほど幸運ではありませんでした。全体的なディスプレイ ガンマを 2.2 にするには、大幅な修正が必要になることが多く、CRT よりも一貫性がはるかに低くなります。そのため、LCD にはルックアップ テーブル (LUT) と呼ばれるものが必要であり、(特に) 意図したディスプレイ ガンマを使用して入力値が表示されるようにします。このトピックの詳細については、モニターのキャリブレーションに関するチュートリアル:ルックアップ テーブルを参照してください。

テクニカル ノート:ディスプレイ ガンマは、補正するため、この用語はガンマ補正と同じ意味で使用されることが多いため、少し混乱する可能性があります。 ファイル ガンマの場合。ただし、それぞれに指定された値が常に等しいとは限りません。ガンマ補正は、適用される実際のガンマではなく、補正を目的とするエンコード ガンマの観点から指定されることがあります。たとえば、「1.5 のガンマ補正」で適用される実際のガンマは、多くの場合、1/1.5 に等しくなります。これは、1/1.5 のガンマが 1.5 のガンマをキャンセルするためです (1.5 * 1/1.5 =1.0)。したがって、ガンマ補正値を高くすると、イメージが明るくなる可能性があります (ディスプレイ ガンマを高くするのとは逆です)。

その他の注意事項と参考資料

その他の重要なポイントと説明を以下に示します。

• ダイナミック レンジ .ガンマ エンコーディングは、画像データの効率的な使用を保証するだけでなく、特定のビット深度で記録可能なダイナミック レンジを実際に拡大します。ガンマは、画像のコントラストを改善することで、ディスプレイ/プリンターが (元のシーンと比較して) 限られたダイナミック レンジを管理するのにも役立つ場合があります。
• ガンマ補正 . 「ガンマ補正」という用語は、実際には、ガンマを適用して他の以前のガンマをオフセットする場合の一般的な言い回しです。したがって、代わりに特定のガンマ タイプを参照できる場合は、おそらくこの用語の使用を避ける必要があります。
• ガンマ圧縮と拡張 .これらの用語は、適用されるガンマがそれぞれ 1 未満または 1 より大きい状況を指します。したがって、ファイル ガンマはガンマ圧縮と見なすことができますが、ディスプレイ ガンマはガンマ拡張と見なすことができます。
• 適用性 .厳密に言えば、ガンマは単純なべき乗則 (V =V) に従うトーン カーブを指しますが、他のトーン カーブを表すためによく使用されます。たとえば、sRGB カラー スペースは実際には非常に低い明度では線形ですが、明度の値が高くなると曲線に従います。曲線も線形領域も標準のガンマ乗法に従いませんが、全体のガンマは 2.2 として近似されます。
• ガンマは必要ですか? いいえ、線形ガンマ (RAW) 画像は、私たちの目で見たとおりに表示されますが、これらの画像が線形ガンマ ディスプレイに表示された場合に限ります。ただし、これはトーン レベルを効率的に記録するガンマの機能を無効にします。

このトピックの詳細については、次のチュートリアルもご覧ください:

• デジタル露出テクニック:露出、クリッピング、ノイズ
  ガンマおよびリニア RAW ファイルが写真の最適な露出に影響する理由を学びます。
• 写真撮影用にモニターのキャリブレーションを調整する方法
  コンピューターのディスプレイ ガンマを正確に設定する方法を学びます。