在顯示行業(yè)，會經(jīng)常聽到Gamma這個術(shù)語，但到底什么是Gamma，為什么要用到Gamma，Gamma為什么是2.2，可能很多業(yè)內(nèi)人士也并不完全清楚。本文針對Gamma做個簡單的探討，希望對各位能有所幫助。
在將真實(shí)場景轉(zhuǎn)換為屏幕顯示的過程中，需要通過光電轉(zhuǎn)換形成圖像數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換形成顯示圖像。在光電轉(zhuǎn)換編碼過程中，并非采用線性編碼而采用編碼Gamma，同樣的在電光轉(zhuǎn)換過程中需要用到顯示Gamma，即Gamma矯正。那么為什么不線性編碼再線性輸出呢？理論上完全可以，將亮度無限平均等分即灰階數(shù)無窮大，將真實(shí)場景的亮度利用線性編碼進(jìn)行完全精準(zhǔn)的記錄，然后再真實(shí)的輸出即可。該方式會造成數(shù)據(jù)量無窮大，那么降低灰階數(shù)，假定共256灰階，仍然保持灰階與亮度的線性對應(yīng)關(guān)系，以該方式去記錄真實(shí)圖像的亮度，再電光轉(zhuǎn)換為屏幕顯示，會造成什么現(xiàn)象呢？回答這個問題前，需要先說明一下人眼的特點(diǎn)：人眼對亮度變化的感知是非線性的，對暗部亮度變化的敏感度要強(qiáng)于對亮部亮度變化的敏感度。舉例說明如下：在黑暗的房間里點(diǎn)燃1根蠟燭，人眼會明顯感覺到房間變亮了，然后點(diǎn)燃第2根，感覺到更亮了，不斷地依次點(diǎn)燃更多蠟燭，此時亮度是線性變化的但是人眼感受到的亮度變化卻不是線性的，當(dāng)很多蠟燭被點(diǎn)亮是，多點(diǎn)一根蠟燭，人眼已經(jīng)很難再感受到亮度的變化。假定共255根蠟燭，用灰階數(shù)(G)以線性一一對應(yīng)記錄他們的亮度(L)，即G1代表點(diǎn)亮了1根蠟燭，G128代表點(diǎn)亮了128根蠟燭，此時人眼更容易分辨G1和G2，難以分辨G254和G255。那么G255和G256對應(yīng)的亮度就沒必要用兩個灰階即兩個數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，另一方面，真實(shí)場景的亮度可能介于G1和G2之間，其亮度變化人眼也可感知到，但是缺少灰階去表示。
此時就可以回答前面的問題了：采用線性方式記錄的話，暗部在相鄰灰階數(shù)之間很多可感知到的亮度無法呈現(xiàn)，即灰階數(shù)的缺失；亮部很多灰階對應(yīng)的亮度變化人眼無法感知，即灰階數(shù)的浪費(fèi)。因此，應(yīng)該用更多的灰階數(shù)去描述暗部，更少的灰階數(shù)去描述亮部，舉個例子說明：G1代表1根蠟燭；G2不再代表2根蠟燭，代表1.02根蠟燭；G3代表1.1根......G128代表30根......G254代表240根，G255代表255根，可以看到，低亮度對應(yīng)的灰階數(shù)變多了，高亮度對應(yīng)的灰階數(shù)變少了，此時讓灰階從G1 G2依次變化時，人眼會感受到亮度變化更趨于線性。L為亮度，Gray為灰階，C為系統(tǒng)常數(shù)，γ為其指數(shù)根據(jù)Gamma曲線可以看出γ大于1時，低亮度下會有更多的灰階數(shù)，這樣更符合人眼對亮度變化呈現(xiàn)的需求。那么進(jìn)一步精確該數(shù)值，從大量的人眼視覺特性中總結(jié)出來一個經(jīng)驗(yàn)值為2.2。即當(dāng)γ=2.2時，灰階線性變化剛好對應(yīng)人眼感受到的亮度線性變化。（γ即Gamma）
至此我們清楚了亮度和灰階的關(guān)系，同時可知，灰階數(shù)越多（即bit數(shù)越大），亮度過渡越細(xì)膩，但同時數(shù)據(jù)量就越大。當(dāng)灰階數(shù)足夠多時超過人眼分辨亮度變化的極限時，即可以理解顯示圖像的亮度過渡同等于真實(shí)場景，如同分辨率超越人眼極限的概念。確定亮度和灰階的關(guān)系之后，只需要確定電壓與灰階的關(guān)系即可通過對應(yīng)電壓呈現(xiàn)所需亮度。灰階對應(yīng)的電壓數(shù)值即Gamma電壓。先假定所有iPhone14屏幕的光電特性無個體差異，那么只需要如下步驟即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電光轉(zhuǎn)換，即Gamma矯正：1，確定一個iPhone14屏幕的最大亮度，然后通過Gamma2.2曲線確定所有灰階的亮度2，測量所有灰階亮度對應(yīng)的電壓，即Gamma電壓，實(shí)際多為僅測量幾個綁點(diǎn)電壓，然后擬合出所有Gamma電壓而真實(shí)狀況是設(shè)備之間的個體差異無法忽略不計，即每個屏幕電壓與亮度對應(yīng)關(guān)系不同，需要一一測量和寫入，此過程被稱為OTP（one time program，一次性燒錄）。OTP過程中RGB子像素要單獨(dú)確定各自電壓和灰階亮度的對應(yīng)關(guān)系，同時需兼顧色點(diǎn)的準(zhǔn)確，而手機(jī)屏幕亮度并非固定不變而是可調(diào)節(jié)的，每個亮度下又需要一套對應(yīng)關(guān)系，可以想象這是一個很復(fù)雜的過程。
Gamma設(shè)定完成之后，如果設(shè)定有偏差，根據(jù)Gamma曲線可知：當(dāng)Gamma過大時，在亮部灰階數(shù)變少，畫面會變暗；當(dāng)Gamma過小時（如2.0），暗部灰階數(shù)變少，暗部的信息會缺失，過渡不自然。
以上介紹了Gamma的作用和Gamma矯正的方法，看起來似乎很理所應(yīng)當(dāng)，但Gamma的由來又與CRT的顯示特性相關(guān)，CRT的固有Gamma為2.5，使用~1/1.1的校正系數(shù)，可以達(dá)到2.2的顯示伽馬基準(zhǔn)。 早期顯示標(biāo)準(zhǔn)sRGB，它使用的編碼Gamma大約是0.45（也就是1/2.2），就是為了配合顯示Gamma為2.5的設(shè)備工作。而眼睛的亮度感受曲線與CRT顯示器的物理響應(yīng)曲線能夠基本吻合，這就是Gamma傳說中的那個“美妙的巧合”。
關(guān)于Gamma的文章千千萬，本人閱歷有限又才疏學(xué)淺，尚未看到一篇完美解釋Gamma的文章，也未能完全理解Gamma。因此本文也可能成為另一篇誤導(dǎo)你的“Gamma傳說”，算是拋磚引玉，如有錯誤，還望指出。
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