Comprendere la Correzione Gamma: Encoding, Display e Workflow

Il gamma è una caratteristica importante ma raramente compresa di virtualmente tutti i sistemi di imaging digitale. Definisce la relazione tra il valore numerico di un pixel e la sua luminanza reale. Senza gamma, le tonalità catturate dalle fotocamere digitali non apparirebbero come ai nostri occhi (su un monitor standard). È anche chiamato correzione gamma, encoding gamma o compressione gamma, ma tutti si riferiscono a un concetto simile. Capire come funziona il gamma può migliorare la tecnica d'esposizione, oltre ad aiutare a sfruttare al meglio l'editing d'immagine.

PERCHÉ IL GAMMA È UTILE

1. I nostri occhi non percepiscono la luce come le fotocamere. Con una fotocamera digitale, quando il doppio dei fotoni colpisce il sensore, riceve il doppio del segnale (una relazione "lineare"). Abbastanza logico, no? Non è così che funzionano i nostri occhi. Invece, percepiamo il doppio della luce come solo una frazione più luminosa — e sempre più per intensità luminose più alte (una relazione "non lineare").

Tono di Riferimento

Seleziona:

Percepito come 50% Luminoso dai Nostri Occhi

Rilevato come 50% Luminoso dalla Fotocamera

Riferitevi al tutorial sullo strumento curve Photoshop se avete difficoltà a interpretare il grafico.
Accuratezza del confronto dipende da monitor ben calibrato impostato a gamma display 2.2.
Percezione reale dipende dalle condizioni di visione, e può essere influenzata da altri toni vicini.
Per scene estremamente deboli, come sotto la luce delle stelle, i nostri occhi iniziano a vedere linearmente come le fotocamere.

Rispetto a una fotocamera, siamo molto più sensibili a cambiamenti nei toni scuri che a cambiamenti simili in toni chiari. C'è una ragione biologica per questa peculiarità: permette alla nostra visione di operare su una gamma di luminanza più ampia. Altrimenti la gamma tipica di luminosità che incontriamo all'aperto sarebbe troppo travolgente.

Ma come tutto questo si relaziona al gamma? In questo caso, il gamma è ciò che traduce tra la sensibilità luminosa del nostro occhio e quella della fotocamera. Quando un'immagine digitale è salvata, è quindi "gamma encoded" — così che il doppio del valore in un file corrisponda più da vicino a ciò che percepiremmo come due volte più luminoso.

Nota Tecnica: Il gamma è definito da V_out = V_in^γ, dove V_out è il valore di luminanza output e V_in è il valore di luminanza input/reale. Questa formula causa la curva della linea blu sopra. Quando gamma<1, la linea si incurva verso l'alto, mentre l'opposto avviene con gamma>1.

2. Le immagini gamma-encoded memorizzano i toni più efficientemente. Poiché l'encoding gamma ridistribuisce i livelli tonali più vicini a come i nostri occhi li percepiscono, meno bit sono necessari per descrivere una data gamma tonale. Altrimenti, un eccesso di bit sarebbe dedicato a descrivere i toni chiari (dove la fotocamera è relativamente più sensibile), e una carenza di bit rimarrebbe per descrivere i toni scuri (dove la fotocamera è relativamente meno sensibile):

Originale ↓ Codificato usando solo 32 livelli (5 bit)

Linearmente Codificato

Gamma Codificato

Nota: Il gradiente gamma-encoded sopra mostrato usando valore standard 1/2.2
Vedete il tutorial sulla profondità di bit per sfondo sulla relazione tra livelli e bit.

Notate come l'encoding lineare usi livelli insufficienti per descrivere i toni scuri — anche se questo porta a un eccesso di livelli per descrivere i toni chiari. D'altra parte, il gradiente gamma-encoded distribuisce i toni grossomodo uniformemente su tutta la gamma ("perceptually uniform"). Questo assicura anche che successivo editing d'immagine, colore e istogrammi siano tutti basati su toni naturali, percettivamente uniformi.

Tuttavia, immagini reali tipicamente hanno almeno 256 livelli (8 bit), che è abbastanza per far apparire i toni fluidi e continui in stampa. Se l'encoding lineare fosse usato invece, 8 volte più livelli (11 bit) sarebbero stati richiesti per evitare posterizzazione d'immagine.

WORKFLOW GAMMA: ENCODING E CORREZIONE

Nonostante tutti questi benefici, l'encoding gamma aggiunge un livello di complessità a tutto il processo di registrazione e visualizzazione immagini. Il prossimo passo è dove la maggior parte della gente si confonde, quindi prendete questa parte lentamente. Un'immagine gamma-encoded deve avere "correzione gamma" applicata quando è visualizzata — che la converte effettivamente di nuovo in luce dalla scena originale. In altre parole, lo scopo dell'encoding gamma è per registrare l'immagine — non per visualizzarla. Fortunatamente questo secondo passo (il "display gamma") è eseguito automaticamente dal vostro monitor e scheda video. Il diagramma seguente illustra come tutto questo si incastra:

Immagine RAW Fotocamera
è Salvata come File JPEG

1. Gamma File Immagine

JPEG è Visualizzato
su Monitor Computer

2. Gamma Display

= Effetto Netto
 

3. Gamma Sistema

1. Raffigura un'immagine nello spazio colore sRGB (che codifica usando un gamma di circa 1/2.2).
2. Raffigura un display gamma uguale allo standard di 2.2

1. Gamma Immagine. Questo è applicato o dalla vostra fotocamera o software sviluppo RAW ogni volta che un'immagine catturata è convertita in un file JPEG o TIFF standard. Ridistribuisce i livelli tonali nativi della fotocamera in quelli più percettivamente uniformi, facendo l'uso più efficiente di una data profondità di bit.

2. Gamma Display. Questo si riferisce all'influenza netta della vostra scheda video e dispositivo di visualizzazione, quindi può in fatto essere composto da diversi gamma. Lo scopo principale del display gamma è compensare il gamma di un file — assicurando che l'immagine non sia irrealisticamente schiarita quando visualizzata sul vostro schermo. Un display gamma più alto risulta in un'immagine più scura con maggiore contrasto.

3. Gamma Sistema. Questo rappresenta l'effetto netto di tutti i valori gamma che sono stati applicati a un'immagine, ed è anche chiamato "gamma di visualizzazione". Per una riproduzione fedele di una scena, questo dovrebbe idealmente essere vicino a una linea retta (gamma = 1.0). Una linea retta assicura che l'input (la scena originale) sia lo stesso dell'output (la luce visualizzata sul vostro schermo o in una stampa). Tuttavia, il gamma sistema è talvolta impostato leggermente maggiore di 1.0 per migliorare il contrasto. Questo può aiutare a compensare limitazioni dovute alla gamma dinamica di un dispositivo di visualizzazione, o a condizioni di visione non ideali e flare d'immagine.

GAMMA DEL FILE IMMAGINE

Il gamma immagine preciso è solitamente specificato da un profilo colore incorporato nel file. La maggior parte dei file immagine usa un encoding gamma di 1/2.2 (come quelli che usano spazi colore sRGB e Adobe RGB 1998), ma la grande eccezione è con i file RAW, che usano un gamma lineare. Tuttavia, i visualizzatori RAW tipicamente mostrano questi presumendo un encoding gamma standard di 1/2.2, poiché altrimenti apparirebbero troppo scuri:

Immagine RAW Lineare
(gamma immagine = 1.0)

Immagine Gamma Encoded
(gamma immagine = 1/2.2)

Se nessun profilo colore è incorporato, allora un gamma standard di 1/2.2 è solitamente assunto. File senza profilo colore incorporato tipicamente includono molti file PNG e GIF, oltre ad alcune immagini JPEG create usando un'impostazione "salva per il web".

Nota Tecnica su Gamma Fotocamera. La maggior parte delle fotocamere digitali registra luce linearmente, quindi il loro gamma è assunto essere 1.0, ma vicino alle ombre estreme e alte luci questo potrebbe non valere. In quel caso, il gamma file può rappresentare una combinazione dell'encoding gamma e del gamma della fotocamera. Tuttavia, il gamma della fotocamera è solitamente trascurabile in confronto. I produttori di fotocamere potrebbero anche applicare curve tonali sottili, che possono anche impattare il gamma di un file.

GAMMA DISPLAY

Questo è il gamma che controllate quando eseguite la calibrazione del monitor e regolate l'impostazione contrasto. Fortunatamente, l'industria ha converto su un display gamma standard di 2.2, quindi non dovete preoccuparvi dei pro/contro di valori diversi. Vecchi computer Macintosh usavano un display gamma di 1.8, che faceva apparire immagini non-Mac più luminose relative a un PC tipico, ma questo non è più il caso.

Ricordate che il display gamma compensa per il gamma del file immagine, e che il risultato netto di questa compensazione è il gamma sistema/overall. Per un file immagine standard gamma-encoded (—), cambiare il display gamma (—) avrà quindi il seguente impatto complessivo (—) su un'immagine:

Display Gamma 1.0

Display Gamma 1.8

Display Gamma 2.2

Display Gamma 4.0

I diagrammi assumono che il vostro display sia stato calibrato a un gamma standard di 2.2.
Ricordate che il gamma file immagine (—) più il display gamma (—) uguale il gamma sistema complessivo (—). Notate anche come valori gamma più alti causano la curva rossa a piegarsi verso il basso.

Se avete difficoltà a seguire i grafici sopra, non disperate! È una buona idea avere prima una comprensione di come le curve tonali impattano luminosità e contrasto d'immagine. Altrimenti potete guardare solo le immagini ritratto per una comprensione qualitativa.

Come interpretare i grafici. La prima immagine (più a sinistra) si schiarisce sostanzialmente perché il gamma immagine (—) non è corretto dal display gamma (—), risultando in un gamma sistema complessivo (—) che curva verso l'alto. Nella seconda immagine, il display gamma non corregge completamente il gamma file immagine, risultando in un gamma sistema complessivo che curva ancora un po' verso l'alto (e quindi schiarisce ancora leggermente l'immagine). Nella terza immagine, il display gamma corregge esattamente il gamma immagine, risultando in un gamma sistema lineare. Infine, nella quarta immagine il display gamma sovra-compensa per il gamma immagine, risultando in un gamma sistema complessivo che curva verso il basso (oscurando l'immagine).

Il display gamma complessivo è in realtà composto da (i) il gamma nativo del monitor/LCD e (ii) qualsiasi correzione gamma applicata dentro il display stesso o dalla scheda video. Tuttavia, l'effetto di ciascuno è altamente dipendente dal tipo di dispositivo di visualizzazione.

Monitor CRT

Monitor LCD (Pannello Piatto)

Monitor CRT. Per una strana fortuna ingegneristica, il gamma nativo di un CRT è 2.5 — quasi l'inverso dei nostri occhi. Valori da un file gamma-encoded potrebbero quindi essere mandati dritti allo schermo e sarebbero automaticamente corretti e apparirebbero quasi OK. Tuttavia, una piccola correzione gamma di ~1/1.1 deve essere applicata per raggiungere un display gamma complessivo di 2.2. Questo è solitamente già impostato dalle impostazioni di default del produttore, ma può anche essere impostato durante la calibrazione del monitor.

Monitor LCD. I monitor LCD non sono stati così fortunati; assicurare un display gamma complessivo di 2.2 spesso richiede correzioni sostanziali, e sono anche molto meno consistenti dei CRT. Gli LCD richiedono quindi qualcosa chiamata look-up table (LUT) per assicurare che i valori input siano rappresentati usando il display gamma inteso (tra le altre cose). Vedete il tutorial su calibrazione monitor: look-up tables per più su questo argomento.

Nota Tecnica: Il display gamma può essere un po' confuso perché questo termine è spesso usato intercambiabilmente con correzione gamma, poiché corregge per il file gamma. Tuttavia, i valori dati per ciascuno non sono sempre equivalenti. La correzione gamma è talvolta specificata in termini dell'encoding gamma che mira a compensare — non il gamma effettivo applicato. Per esempio, il gamma effettivo applicato con una "correzione gamma di 1.5" è spesso uguale a 1/1.5, poiché un gamma di 1/1.5 cancella un gamma di 1.5 (1.5 * 1/1.5 = 1.0). Un valore di correzione gamma più alto potrebbe quindi schiarire l'immagine (l'opposto di un display gamma più alto).

ALTRE NOTE E ULTERIORI LETTURE

Altri punti importanti e chiarimenti sono elencati sotto.

• Gamma Dinamica. Oltre a garantire l'uso efficiente dei dati d'immagine, l'encoding gamma aumenta effettivamente la gamma dinamica registrabile per una data profondità di bit. Il gamma può a volte anche aiutare un display/stampante a gestire la sua gamma dinamica limitata (rispetto alla scena originale) migliorando il contrasto d'immagine.
• Correzione Gamma. Il termine "correzione gamma" è davvero solo una frase generica per quando il gamma è applicato per compensare qualche gamma precedente. Si dovrebbe quindi probabilmente evitare di usare questo termine se il tipo specifico di gamma può essere referenziato invece.
• Compressione ed Espansione Gamma. Questi termini si riferiscono a situazioni dove il gamma applicato è minore o maggiore di uno, rispettivamente. Un gamma file potrebbe quindi essere considerato compressione gamma, mentre un display gamma potrebbe essere considerato espansione gamma.
• Applicabilità. Rigorosamente parlando, il gamma si riferisce a una curva tonale che segue una semplice legge di potenza (dove V_out = V_in^γ), ma è spesso usato per descrivere altre curve tonali. Per esempio, lo spazio colore sRGB è in realtà lineare a luminosità molto bassa, ma poi segue una curva a valori di luminosità più alti. Né la curva né la regione lineare seguono una legge di potenza gamma standard, ma il gamma complessivo è approssimato come 2.2.
• Il Gamma è Richiesto? No, immagini RAW a gamma lineare apparirebbero comunque come i nostri occhi le hanno viste — ma solo se queste immagini fossero mostrate su un display a gamma lineare. Tuttavia, questo negherebbe la capacità del gamma di registrare efficientemente i livelli tonali.

Per più su questo argomento, visitate anche i seguenti tutorial:

• Tecniche Esposizione Digitale: Esporre a Destra, Clipping e Rumore
  Scoprite perché gamma e file RAW lineari influenzano l'esposizione ottimale di una foto.
• Come Calibrare la Calibrazione del Monitor per Fotografia
  Imparate come impostare accuratamente il gamma display del vostro computer.