色彩空间，伽马和图像增强

Question

色彩空间。好吧，每个人都知道RGB：在[0.0,1.0]范围内归一化的三个值，它们具有红绿蓝色的强度的含义;这种强度是线性的，不是吗？

伽玛。据我所知，gamma是一种将RGB颜色分量映射到另一个值的函数。谷歌搜索，我已经看到线性函数和非线性函数... 线性函数似乎可以缩放RGB分量，因此它似乎可以调整图像亮度;非线性函数似乎“解压缩”更暗/更亮的组件。

现在，我开始实现一个图像查看器，它将显示不同的图像格式作为纹理。我想修改这些图像的伽玛，所以我应该建立一个片段着色器并在纹理四边形上运行。很好，但我如何确定正确的伽玛校正？

OpenGL使用线性RGB色彩空间，使用浮点组件。实际上，我可以从这些值（具有特殊浮点精度）开始计算伽马校正值，因此它们在钳制了伽马校正值后显示。

首先，我将确定伽玛斜坡。我怎么能确定它？ （分析或使用查找表）

然后，我开始调查OpenGL扩展EXT_framebuffer_sRGB，它似乎与扩展EXT_texture_sRGB非常相关。

EXT_texture_sRGB引入了一种新的纹理格式，用于将textel值线性化为RGB线性空间。 （脚注1）通过这种方式，我知道sRGB色彩空间并将其用作线性RGB色彩空间。

相反，EXT_framebuffer_sRGB扩展允许我将线性RGB值编码到sRGB帧缓冲区，而不必担心它。

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等等，所有这些信息都是为​​了什么？如果我可以使用sRGB framebuffer并加载sRGB纹理，处理纹理而不进行sRGB转换...为什么我要更正gamma？

即使在sRGB缓冲区上，也许我可以正确校正伽玛？或者我最好不要？亮度和对比度：它们应在伽玛校正之前还是之后应用？

这是很多信息，我现在感到困惑。希望你们中的某个人能够向我解释所有这些概念！谢谢。

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还有一个问题。在设备伽玛与“标准”2.2不同的情况下，如何“累积”不同的伽马校正？我不知道是否清楚：如果图像RGB值已经针对伽马值为2.2的监视器进行了校正，但监视器的伽马值为2.8，如何校正伽马？

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（1）这是一些突出我的意思的摘录：

  

sRGB色彩空间基于典型（非线性）显示器       在光线昏暗的办公室预期的特征。它一直       由国际电工委员会（IEC）标准化       如IEC 61966-2-1。 sRGB颜色空间大致对应于2.2       伽马校正。

  

此扩展程序是否提供任何类型的sRGB帧缓冲区格式           或保证使用sRGB纹理渲染的图像“看起来不错”           当输出到支持sRGB色彩空间的设备时？

   RESOLVED:  No.

  Whether the displayed framebuffer is displayed to a monitor that
    faithfully reproduces the sRGB color space is beyond the scope
    of this extension.  This involves the gamma correction and color
    calibration of the physical display device.

    With this extension, artists can author content in an sRGB color
    space and provide that sRGB content for use as texture imagery
    that can be properly converted to linear RGB and filtered as part
    of texturing in a way that preserves the sRGB distribution of
    precision, but that does NOT mean sRGB pixels are output
    to the framebuffer.  Indeed, this extension provides texture
    formats that convert sRGB to linear RGB as part of filtering.

    With programmable shading, an application could perform a
    linear RGB to sRGB conversion just prior to emitting color
    values from the shader.  Even so, OpenGL blending (other than
    simple modulation) will perform linear math operations on values
    stored in a non-linear space which is technically incorrect for
    sRGB-encoded colors.

    One way to think about these sRGB texture formats is that they
    simply provide color components with a distribution of values
    distributed to favor precision towards 0 rather than evenly
    distributing the precision with conventional non-sRGB formats
    such as GL_RGB8.

Answer 1

不幸的是，OpenGL本身并没有定义颜色空间。它只是定义了传递给OpenGL的RGB值形成一个线性向量空间。然后，渲染帧缓冲器的值按原样发送到显示设备。 OpenGL只传递值。

Gamma服务有两个目的：

• 感官知觉是非线性的
• 过去，显示设备有非线性响应

伽马校正用于补偿两者。

转换只是“线性值V到某个功率Gamma”，即y（v）= v ^ gamma

色彩空间转换涉及从输入值到发送到显示器的完整链，因此这包括伽马校正。这也意味着你不应该自己操纵伽马斜坡。

很长一段时间，典型的Gamma值曾经是2.2。然而，这导致了一些不期望的低值量化，因此Adobe引入了一个新的色彩空间，称为sRGB，其具有用于低值的线性部分和用于较高值的指数为~2.3的幂函数。目前大多数显示设备都使用sRGB。此外，目前大多数图像文件都在sRGB中。

因此，如果您有一个sRGB图像，并且在sRGB显示设备上按原样显示，并且设备上配置了线性伽马斜坡（即视频驱动程序gamma = 1），那么只需使用sRGB纹理和帧缓冲即可而没有做任何其他事情。

由于评论而编辑

总结一下：

• 使用ARB_framebuffer_sRGB帧缓冲，以便线性OpenGL处理​​的结果由驱动程序http://www.opengl.org/registry/specs/ARB/framebuffer_sRGB.txt正确地进行颜色转换

• 将所有颜色输入线性化为OpenGL

• sRGB色彩空间中的纹理应通过EXT_texture_sRGB传递http://www.opengl.org/registry/specs/EXT/texture_sRGB.txt

• 不要对输出值进行伽玛校正（sRGB格式的帧缓冲会处理这个问题）

如果您的系统不支持sRGB帧缓冲区：

• 在显示设备上设置线性颜色渐变。

  • Windows http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms536529(v=vs.85).aspx
  • X11可以通过xgamma http://www.xfree86.org/current/xgamma.1.html
  完成

• 创建（线性）帧缓冲对象，在framebuffer对象中进行线性渲染。对于适当的混合，FBO的使用只适用于线性色彩空间。

• 使用片段着色器将FBO的最终渲染结果绘制到窗口中，片段着色器应用所需的颜色（伽玛和其他）校正。

Answer 2

  

等等，所有这些信息都是为​​了什么？如果我可以使用sRGB framebuffer并加载sRGB纹理，处理纹理而不进行sRGB转换...为什么我要更正gamma？

一般情况下，你没有。 sRGB纹理和帧缓冲区的目的是让不手动进行伽马校正。从sRGB纹理读取转换为线性颜色空间，写入sRGB帧缓冲区采用线性RGB值并将其转换为sRGB值。这一切都是自动的，更重要的是 free ，性能方面。

您需要进行伽马校正的唯一时间是显示器的伽马值与2.2伽玛的sRGB伽马近似值不匹配。罕见的是这样做的监视器。

您的纹理 不在sRGB色彩空间中。但是，大多数图像创建应用程序将以sRGB保存图像并使用sRGB中的颜色，因此无论您是否希望它们在sRGB中，大多数纹理已经。 sRGB纹理功能只是让您实际获得正确的颜色值，而不是您到目前为止所获得的颜色值。

  

亮度和对比度：它们应在伽玛校正之前还是之后应用？

我不知道你的亮度和对比是什么意思。这应该由显示器设置，而不是您的应用程序。但是，您想要对图像数据进行的几乎所有数学运算应该在线性颜色空间中完成。因此，如果在sRGB色彩空间中给出图像，则需要对其进行线性化，然后才能对其进行任何数学运算。 sRGB纹理特征使其免费，而不必进行复杂的着色器数学运算。

Answer 3

RGB

  

RGB：在[0.0,1.0]范围内归一化的三个值，其含义是颜色分量的强度Red Green Blue； 这个强度是线性的，不是吗？

不。 RGB值是无意义的数字，除非定义了它们与特定空间/编码的相关性。它们可以是线性的，伽马编码的或对数编码的，或使用诸如Rec709和sRGB规格的复合传输曲线。

此外，它们相对于色彩空间中定义的原色和白点，因此，例如，sRGB中的＃00FF00与DCI-P3中的＃00FF00是不同的颜色。

要定义应如何显示RGB像素值，不仅需要RGB三元组，还需要知道其预期的色彩空间，其中需要包括主坐标，白点和传输曲线。

sRGB是Web和通用计算的默认“标准” RGB色彩空间。它与HDTV的标准色彩空间Rec709有关。

GAMMA又名转移曲线

  

伽玛。据我了解，gamma是将RGB颜色分量映射到另一个值的函数。

图像伽玛利用人类感知的非线性来充分利用每通道图像8位的有限数据大小。人眼对深色的变化更敏感，因此更多的位用于定义伽玛编码图像中的深色。

在数字化之前，伽玛还用于NTSC广播系统中，该系统可抑制信号中的视在噪声，其方式类似于图像伽玛如何防止每通道8位图像具有“带状”伪像。

  

首先，我将确定伽玛斜率。我如何确定呢？ （从语法上或使用查找表）

伽玛曲线。易于访问sRGB伽玛曲线。这是从sRGB变为线性的Wikipedia link。您还可以使用“简化”方法，该方法仅使用2.2指数曲线：

linearVideo = sRGBvideo^2.2和简化后的倒数，回到sRGB：

sRGBvideo = linearVideo^0.4545

使用简化版会带来一些较小的伽玛误差，建议对关键操作使用“正确”曲线，否则图像将多次“往返”。

  

还有另一个问题。如果设备的伽玛值不同于“标准” 2.2，我如何“累积”不同的伽玛校正值？我不知道是否很清楚：如果伽玛值为2.2的显示器的图像RGB值已经被校正，但是显示器的伽玛值为2.8，我该如何校正伽玛？

2.8 ???那是什么显示器？朋友？这是不寻常的-尽管PAL规范指出2.8并非“实用”。显示器的设置通常在2.3到2.5之间。当您调整黑电平和对比度（白电平）时，本质上是在调整可感知的伽玛值以匹配观看环境（房间照明）。

仅供参考，虽然sRGB“信号”的编码伽玛值为1 / 2.2，但监视器通常会添加约1.1的指数

对于Rec709，编码信号的有效伽玛值约为1 / 1.9 ish，但参考观看环境中的监视器约为2.4

在这两种情况下，都有故意的系统伽马增益。

如果您想使用伽玛编码的图像以显示2.8，而又不想获得系统伽玛增益，则指数为1 / 2.8

数字电影（以及Rec2020）中普遍使用的“最高”伽玛值为2.6。对于那些认为PAL和2.8的人，我建议您阅读有关该主题的Poynton：

强烈推荐阅读

Charles Poynton's Gamma FAQ易于阅读，并完整描述了这些问题以及它们在图像管道中为何很重要的原因。还要在同一链接上阅读他的颜色常见问题解答。

线性与sRGB上的几个字

在线性工作空间中处理图像通常是理想的选择，因为它不仅简化了数学运算，而且可以模拟现实世界中的光线。世界上的光以线性方式（累加）工作。

人类的感知是非线性的。图像伽玛编码利用非线性优势来充分利用8位图像容器。当您转换为线性时，您需要更多位。每个通道12位被认为是最小值，但是对于线性工作空间，最低16位浮点数是“推荐的最佳实践”。

如果在线性渲染环境中使用纹理，则需要将那些纹理转换为线性空间（通常是更深的位深度）。虽然增加的位增加了数据带宽，但简化的数学运算通常可以加快计算速度。

sRGB是“显示参考”空间，用于显示目的，并用于以紧凑的“显示就绪”状态存储图像。黑色为0，白色为255，传输曲线接近1 / 2.2

sRGB基于Rec709（HDTV），并使用相同的基色和白点。但是传输曲线和数据编码不同。 Rec709旨在在较暗的客厅中的更高伽玛监视器上显示，并以16位黑色和235位白色编码。