計算機色彩知識調(diào)研(二):位深、Gamma值革砸、標準色溫和Display P3

1 位深度

計算機在記錄數(shù)字圖像的顏色時除秀,每種顏色需要用一定的位(bit)數(shù)來表示∷憷“位”數(shù)越多册踩,圖像的色彩顯示就會越豐富。現(xiàn)在使用的圖片絕大部分都是8bit深的真彩圖效拭,由于有RGB三個顏色通道暂吉,256 ^ 3 = 16777216,每個像素可以表示出約1677萬種顏色缎患。

同樣地慕的,顯示器在輸出顏色時,也有個參數(shù)叫做面板的位(bit)深挤渔,通常為8bit肮街,專業(yè)級的顯示器可能會達到10bit,也有些很低端的顯示器是6bit判导。使用與上面相同的方法計算6bit/10bit像素的顯色數(shù)嫉父,結果分別是26萬/10億。

圖1 左側:色彩過渡均勻流暢骡楼;右側:色彩過渡有明顯斷層.png

由于大自然中的顏色是連續(xù)的熔号,而在計算機中的顏色點是離散的。所以鸟整,設備所顯示的圖片顏色引镊,其實是在一定的波長段內(nèi),尋找有限個點,來進行一種近似地顏色表示弟头。那么吩抓,可以想見,bit數(shù)越大赴恨,層次越多疹娶,切割越細,色彩過渡就會越均勻流暢伦连。反之雨饺,就會在圖像中存在比較明顯的色塊、色彩跳躍現(xiàn)象惑淳。

圖2 不同位深的顯示器顯示同一張圖片的效果對比.png

上圖左側畫面中额港,太陽由內(nèi)到外的橘黃色過渡并不自然,有明顯的色彩跳躍感歧焦,是因為6-bit下色彩級數(shù)不夠移斩,無法體現(xiàn)細膩的顏色變化。

2 Gamma值

2.1 廣義的Gamma值

Gamma值廣義的定義就是輸入值和輸出值的Gamma冪指數(shù)關系绢馍。如下圖所示:

圖3 廣義Gamma值的輸入-輸出關系圖.png

2.2 為什么需要Gamma值向瓷?

[1] 人類的視覺對亮度感知能力并不是呈現(xiàn)線性關系的。

人類的眼睛在在感知純白(亮度100%)與純黑(亮度0%)后舰涌,對于中等亮度(亮度50%)的實際感知并不是中灰(俗稱的128度灰)所帶來的亮度猖任,而當人眼接受到20%左右亮度的光源后,就會覺得這是中等亮度瓷耙。

【舉個例子:在一間黑屋子里超升,開一盞燈,你立刻就能感覺到亮度的巨大變化哺徊,如果在這種狀態(tài)下想獲得成倍的亮度變化的感覺,理論上你再開一盞燈就可以了乾闰;但實際效果卻不是落追,可能要再開好幾盞燈你才能感受到這個屋子里的亮度變亮了一倍,也就是說涯肩,你想獲得成倍亮度變化的體驗轿钠,和所開的燈的數(shù)量并不是呈線性關系的,而是一個指數(shù)函數(shù)的關系病苗×贫猓】

圖4 自然界線性增長的亮度和人心理感覺的均勻灰階關系圖.png

上圖顯示了自然界的線性增長的亮度和人心理感覺的灰階關系,我們定義純黑是0硫朦,純白是1贷腕。根據(jù)輸入和輸出關系,可以得出合理的Gamma值范圍在1.8~2.5左右,而現(xiàn)在大多數(shù)的標準使用的都是2.2這一Gamma值泽裳÷髡叮【(0.5)^ 2.2 ≈ 0.218】

[2] 能夠記錄展示的灰階是有限的,而自然的亮度無限涮总。

因為大自然有無窮無盡的亮度胸囱,而計算機能夠展示的灰階亮度是有限的,8bit位深的話瀑梗,灰階只有可憐的256個烹笔。那么,在攝像機等設備記錄畫面的時候抛丽,如果進行不矯正谤职,按照線性的去記錄,理論上沒啥問題铺纽,實際上牽扯到我們剛剛講了人眼的特性柬帕,這就很有問題了。因此狡门,我們就需要用到Gamma值來進行一個合理的值與值映射陷寝,這樣來糾正亮度感知變化與實際亮度值變化不統(tǒng)一的問題。

2.3 Gamma值變化的影響

圖5 Gamma校正的輸入(感知)亮度和輸出(自然)亮度關系圖.png

顯示器的Gamma值校正反應了輸入信號的亮度值和實際發(fā)光亮度之間的關系其馏,對同一張圖片使用不同的Gamma值桂敛,其效果如下圖所示:1.0(線性響應),2.2(圖像亮度顯示符合人眼觀測需求)烦却,3.0(過暗的圖像):

圖6 同一張圖片在不同Gamma值下的表現(xiàn)(1.0家厌、2.2、3.0).png

2.4 Gamma值校正的本質

如果不經(jīng)過Gamma校正, 則中灰以下的部分只占到了20%的灰階褐奥,也就是說咖耘,人眼感受的50%的灰度范圍只能用0.2 * 256 = 51個灰階來表示,暗部采樣嚴重不足撬码,高光采樣冗余儿倒。

所以,設置合理的Gamma值進行校正的意義就在于將人眼感受到的亮度值變化與自然界真正的亮度值變化進行一個適當?shù)霓D換呜笑;設置的Gamma值越高夫否,暗部細節(jié)就會表現(xiàn)得更加豐富,反之叫胁,Gamma值設置較低凰慈,較亮的細節(jié)會得到更加充分的表現(xiàn)。

3 標準色溫

在sRGB的標準描述中驼鹅,是這樣描述標準白色的“白色是位于[0.3127,0.3290]的D65”微谓,這里的D65森篷,指的是約6500K的色溫標準;而DCI P3的白色標準色溫是D63堰酿,約6300K(一說是D50疾宏,5500K)。

可能大家對一星期去一次的電影院大熒幕的色溫表現(xiàn)不是那么的敏感触创,或者完全沒有相關方面理解坎藐,那么,從現(xiàn)在開始哼绑,可以稍微留意一下高端iMAX影院的大熒幕色調(diào)在看好萊塢大片時色調(diào)是不是有些偏黃呢岩馍?

至于為什么sRGB和AdobeRGB的標準色溫要設置成D65,而DCI P3的色溫是D63抖韩,一個比較合理的解釋是:以前的CRT顯示器顯像管老化后顏色會逐漸變黃蛀恩,所以熒光粉得多加一些,因此普遍色溫偏高茂浮。

4 Display P3的標準設定

沒有規(guī)矩不成方圓双谆,色彩標準同樣需要大一統(tǒng)。20世紀末推出的sRGB色彩標準長期作為計算機世界通用的色彩語言席揽,但是顽馋,sRGB現(xiàn)在已經(jīng)不夠看了!此前受限于落后的顯示技術幌羞, sRGB 制定色域空間時比較保守寸谜,導致很多色彩無法被顯示出來;然而属桦,隨著技術的發(fā)展熊痴,在可以預見的未來,以DCI P3聂宾、AdobeRGB為代表的果善、具有更廣色域的標準定將成為主流。

在蘋果的產(chǎn)品規(guī)劃中系谐,自家設備一定會用 DCI P3 逐步取代 sRGB 標準岭埠。在iMac之后,iPad Pro拉開iOS系統(tǒng)支持DCI P3的序幕蔚鸥。

但是,由于目前互聯(lián)網(wǎng)上的媒體內(nèi)容仍以sRGB為絕對主流许赃,為了兼顧sRGB圖片的顯示效果止喷,許多P3的顯示設備也不得不做出了一些妥協(xié)。蘋果自iPhone7/7 Plus系列的手機產(chǎn)品開始混聊,所配備的Display P3標準的廣色域屏幕就是這樣一個妥協(xié)后的標準弹谁。

Display P3使用了DCI P3更廣的色域;但是其標準色溫是D65,標準Gamma值被設定為2.2(DCI P3的Gamma值為2.6)预愤,這兩項都是與sRGB相同的沟于,其目的就是為了適應sRGB圖像的顯示。DCI-P3規(guī)定的標準白色會比Display P3更偏黃一些植康,且Display P3由于更低Gamma值整體畫面風格會更亮一些旷太。

圖7 Apple P3與AdobeRGB、sRGB的色域(CIE 1931色度圖).png
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