Gamma correctie


Fotografie » TechTalk » Digitale doka » Gamma

De gamma correctie werd ontworpen als correctiemaatregel op de slechte lineariteit van de beeldbuizen. Maar dan heeft men opgemerkt dat die correctie verdomd wel interessant was.

En zo gebruikt men nog steeds de gamma correctie, terwijl de beeldbuistelevisies al lang verdwenen zijn.

Beeldschermen

Het begrip gamma is ontstaan samen met de televisie. Een beeldbuistelevisie geeft een zwart beeld (0% helderheid) bij een electrisch signaal van 0V op de stuurelectrode en een wit beeld (100% helderheid) bij een spanning van 1V (deze spanningen zijn als voorbeeld gebruikt). Legt men een spanning van 0.5V aan, dan heeft men geen grijs beeld (50% helderheid), maar een beeld dat zeer donker is (20% helderheid).

De reden is dat de beeldbuis geen lineaire weergave heeft, zijn gammawaarde bedraagt ongeveer 2.5. Maar in de plaats van de correctie in de televisie te laten gebeuren (dit zou een complexe schakeling vergen in alle televisies) heeft men besloten de correctie aan zenderkant te doen. Het uitgestuurde signaal wordt dus in de zender gecorrigeerd om een fout in de beeldbuisweergave tegen te werken.

De eerste afbeelding toont ons de correctie die aan zenderzijde toegepast wordt: de schaduwen worden "uitgerokken" terwijl de hooglichten gecomprimeerd worden. De beeldbuis doet het omgekeerde wegens zijn niet lineair gedrag.

En dan is men tot de constatatie gekomen dat zo'n gamma-correctie aan de bron best wel nuttig was. Het gecorrigeerd televisiesignaal is minder gevoelig voor storingen en kan gemakkelijker gemengd worden (ondertitels, beeldovergangen en dergelijke meer). De beeldovergangen en speciale effekten zien er beter uit als men met gecorrigeerde signalen werkt. Als men het videosignaal met 0.1V verhoogt, dan heeft men eenzelfde visueel effekt op een donker of helder beeld.

En zo is het gecorrigeerd signaal de norm geworden. Het omzetten van een lineair beeld (RAW formaat) naar een JPEG beeld maakt gebruik van een gamma correctie zoals het televisiesignaal in de zender. Al gebruikt men al lang geen beeldbuizen, de niet-lineaire codering is blijven bestaan. De niet-lineaire codering moet je een beetje zien als een Dolby ruisonderdrukking (compressie bij de bron en expansie bij de weergave).

Waarom?

Onze ogen hebben geen lineaire gevoeligheid, maar een logaritmische gevoeligheid. Zet een led-lamp van één watt aan in een donkere kamer, en de kamer is volledig verlicht. Zet dezelfde 1 watt led lamp aan in een zonovergoten ruimte, en je merkt zelfs niet dat de lamp brandt. Op andere sites wordt over een kaars gesproken, maar we zijn niet meer in 1850 en kaarsen zijn heel gevaarlijk.

De logaritmische gevoeligheid van onze ogen zorgt ervoor dat we een beeld met een hogere dynamiek correct kunnen waarnemen. We kunnen details in zowel donkere en heldere beeldelementen duidelijk onderscheiden. Ook filmemulsie heeft een logaritmisch verloop en dit zorgt voor de grote belichtingslatitude van film.

De sensoren die in digitale fototoestellen gebruikt worden hebben een lineaire respons. Als er meer licht op de sensor valt, dan stijgt het signaal lineair met de belichting. Als men details in de schaduwen moet kunnen onderscheiden, dan moet de versterking zo hoog zijn, dat het systeem misschien overstuurd wordt als er veel licht is. Een sensor met een 12 bits omzetter is nodig om alle details van een beeld te kunnen opnemen.

Om dit signaal van 12 bits te kunnen omzetten in een JPEG bestand met 8 bits per kanaal, zal men een compressie moeten toepassen, een beetje zoals een filmemulsie dat automatisch doet. Dit werkt heel goed, want de meest donkere beeldelementen bevatten voornamelijk ruis (die minder zichtbaar worden door de compressie) en ook de hooglichten worden gecomprimeerd.

Gamma

De gamma-waarde is de correctiefactor tussen ingangssignaal en uitgangssignaal
Uu = Uig
Uu: uitgangssignaal
Ui: ingangssignaal
g: gamma

De gamma-waarde die men gebruikte aan het begin van de televisieuitzendingen was 0.4 en is overgegaan naar 0.45 rond de tijd dat men kleur ging gebruiken. Het signaal dat uitgezonden wordt wordt aangeduid Y'UV (Y' geeft de gecorrigeerde helderheid aan, luma genaamd, en UV de kleurcomponenten van een PAL beeldsignaal).

De gamma-waarde van een negatief is eveneens kleiner dan 1 en daardoor kan er een grotere dynamiek opgenomen worden. Een onderbelichte of overbelichte negatief kan nog gered worden. De gamma-waarde is ongeveer 0.5 maar hangt af van de filmemulsie, de ontwikkelprodukten en de manier van ontwikkelen. Het papier dat gebruikt wordt voor het maken van afdrukken heeft een gamma > 1 om het beeld te normaliseren.

We hebben dus een gamma < 1 bij de opname (op film of met de sensor die een JPEG beeld aflevert) en een omgekeerde correctie bij de output (papier of scherm).

Een JPEG bestand gebruikt een gamma van 0.45 zodat het aantal bits dat voorzien wordt per helderheid overeenkomt met onze waarneming. Als men het signaal met 10 verhoogt (donkergrijs van 45 naar 55) dan is het visueel effekt identiek als bij een signaalverhoging van 205 naar 215 (helder grijs), zie afbeelding rechts. Dit natuurlijk als je scherm deze niveau's correct kan weergeven.

Bij het opslaan (JPEG formaat) worden de grijze tonen helderder opgenomen
(gamma-waarde 0.45)

Bij de weergave worden de grijze tonen donkerder gemaakt (gamma-waarde van 2.2)

Zo wordt de correctie bij de opname ongedaan gemaakt bij de weergave.

Grijskaart

Een grijskaart die er "gemiddeld grijs" uitziet wordt daarom "grijskaart 18%" genoemd. Je moet je zo'n kaart voorstellen als een oppervlakte met 18% zuiver witte pigmenten en 82% zuiver zwarte pigmenten. Zo'n kaart kaatst exact 18% van het licht terug. Toch ziet zo'n kaart er niet donkergrijs uit: onze ogen zien zo'n kaart als gemiddeld grijs.

Bepaalde sites vertellen dat zo'n kaart "lichtgrijs" zou zijn (want 0% is puur wit en 100% is zuiver zwart, dus 18% moet noodgedwongen "lichtgrijs" zijn). Deze sites hebben het volkomen mis op twee vlakken: 0% is geen enkele weerkaatsing (dus absoluut zwart) en 100% is absoluut wit. En ze vergeten ook dat onze ogen logaritmisch werken. En het is niet één site die in de fout gaat: alle sites nemen (bijna letterlijk) de tekst over van andere sites. Met als gevolg: iedereen heeft het mis. Wat is Vlaanderen (en bij extensie ook Nederland) toch een apenland.

"Een grijskaart is een kaart van karton of plastic met een geijkte kleur grijs. De kaart is bedekt met 18% grijs. 0% is puur wit en 100% is puur zwart, 18% is dus lichtgrijs." (sic)
— http://zoom.nl/artikel/cursussen/22373-fotodokter-witbalans-en-grijskaart.html

Beeldschermen

LCD schermen hebben normaal gezien een gamma nodig van 2.2 en OLED schermen een gamma van 1.8. Ik gebruik hier de woorden "normaal gezien", want de fabrikanten geven de gamma-waarde van hun schermen niet vrij, dit is geen verkoopsargument. Vaak gebruiken fabrikanten een licht afwijkende gamma-waarde zodat hun schermen een helderder beeld geven in vergelijking met de concurrentie. Klanten zijn dan geneigd het scherm te kopen dat het beeld geeft dat het meest helder is, zonder op te merken dat de hooglichten geen definitie meer hebben.

Op je computer kan je de gamma-waarde meestal instellen. Je hebt minstens twee mogelijkheden: een standaard-scherm (windows) met een gamma van 2.2 en een apple scherm met een gamma van 1.8.

Wat is het resultaat als je een lagere gamma-waarde zou gebruiken? Het beeldscherm ondergaat hierdoor geen veranderingen: het scherm blijft hetzelfde. Hetzelfde geldt voor het JPEG bestand, die wordt niet gewijzigd en heeft nog altijd een gamma van 0.45.

Maar door een lagere correctiewaarde te gebruiken worden de schaduwen minder samengedrukt. Het beeld lijkt helderder, maar je verliest details in de hooglichten. Een helder beeldelement kan niet meer onderscheiden worden van een wit beeeldelement. De informatie is nog aanwezig in het bestand, maar kan niet meer weergegeven worden.

Om na te gaan of je beeldscherm alle tonen correct kan weergeven is er een calibratiepagina beschikbaar. Het is de bedoeling dat er zoveel mogelijke donkere én heldere stapjes zichtbaar zijn.

Waarom hebben we de gamma-correctie nog nodig?
Indien men de gamma-correctie blijft gebruiken, is het omdat die een aantal voordelen heeft. Een gecorrigeerd beeld komt beter overeen met onze waarneming, die niet lineair is. Alle scheikundige processen verlopen niet-lineair (filmemulsie, maar ook de werking van onze ogen).

Met de gamma-correctie wordt dezelfde stapgrootte toegewezen aan de schaduwen en aan de hooglichten volgens onze waarneming. Men verspilt dus geen bits aan beeldelementen die we toch niet kunnen onderscheiden.


Indien je scherm correct ingesteld is, moet het contrastverschil identiek zijn: de middenzone moet zich even sterk aftekenen (op het donker vlak en het helder vlak)


Correctiecurve gamma 2.2 die de grijze tinten donkerder gaat maken, en dus de schaduwen comprimeren. Deze compressie maakt de expansie bij de opname ongedaan.

Paginas die volgens Google je zouden kunnen interesseren