GAMMA在影像處理上的用途

(本文試圖傳達的是數位暗房概念，不是一成不變的秘方。)

前言

正式討論之前，先做兩點說明。

1.      關於如何取得或製作各種不同 gamma 值的色彩空間，請參考本文最後的附錄。

2.      關於 gamma 值的意義，幾乎完全沒有提到理論部分，因為多數人只關心實務運用（如果我錯了，請讓我知道）。

Gamma 的意義

本文的主要宗旨，是探討如何利用 gamma 提整影像的亮度。所以，先談兩個相關而不同的概念：

1.          曝光補償（ Exposure Compensation ）：這是調整影像的白點。對於 raw 檔來說，曝光補償 raw 檔轉換軟體內透過滑桿調整。至於一般影像，同常則採用就曲線來設定。

2.          亮度（ Brightness ） : 是指調整影像的亮度（通常是指白點與黑點不變動的情況）。至於究竟如何調整亮度，並沒有明確定義。譬如說，在 PS 裡面，我們可以調整 Level 輸出值的中間滑桿（中間調）、調整 Image > Adjustment 的 Brightness / Contrast ，也可以透過曲線做任意調整（不影響白點與黑點為前提）。

前述兩種調整，在 PS 裡面，基本上都透過曲線進行調整，會影響畫素本身。至於 gamma ，其意義不同於前述兩種調整， gamma代表影像處理軟體對於畫素亮度的解釋 ； gamma 值一旦變動，則電腦軟體對於既定畫素之亮度的解釋標準也隨之改變，但畫素本身並沒有變動。原則上， gamma值愈小，電腦軟體對於既定畫素的解釋愈亮；反之，gamma值愈大，電腦軟體對於既定畫素的解釋愈暗。 換言之，對於某固定畫素，其 RGB 讀數完全不變，但設定不同的 gamma 值，就會改變該畫素呈現的亮度。可是， Lab 空間的 L 讀數是反映實際顯示的亮度，換言之，只要肉眼看到的亮度不同， L 讀數就不同。

重複一次，調整曝光補償或亮度（包括： curve 、 level …等），畫素本身會變動（ RGB 讀數會變動），但電腦解釋亮度的標準不變。調整 gamma ，畫素本身不變（ RGB 讀數不變），但軟體解釋亮度的標準發生變動。

Gamma 的調整

根據我瞭解，在 PS 內，有三種方法可以調整 gamma 值，分別討論如下。

第一，也是最標準的方式，稱為指派錯誤描述檔（ assign false profiles ）。這是透過 Edit > Assign Profile ，把影像指派到各種 gamma 值的色彩空間。對於常用的 RGB 色彩空間，我們可以製作不同 gamma 值的空間（請參考『附錄』）。這些色彩空間的 gamma 值可以設定為 0.75 ～ 3.0 。

舉例來說，我們把 AdobeRGB_2.2 的影像指派到 AdobeRGB_1.4 的空間。在 PS 裡面， Edit > Assign Profile ，則會出現圖 001 的對話窗。請參考藍色箭頭標示，該處顯示我們的工作空間是 AdobeRGB_2.2 ，滑鼠點選紅色箭頭標示處，然後點選綠色箭頭位置，由下拉表格挑選我們想要的 AdobeRGB_1.4 。然後， OK 。

圖 001

請注意，指派錯誤描述檔，影像會變亮或變暗（所以， L 讀數會變動），但 RGB 讀數不變（ RGB 個別通道的灰階影像也不會變動）。

第二，透過 Image > Adjustments > Exposure… ，如此會出現圖 002 的對話窗，調整 Gamma Correction 滑桿（其中的 Exposure & Offset 分別用來設定白點與黑點，但一般人不會在這裡設定）。對於 gamma=2.2 的影像，如果 Gamma Correction 設定為 1.57 ，相當於指派到 gamma 1.4 的空間；如果 Gamma Correction 設定為 2.22 ，相當於指派到 gamma 1.0 的線性空間。

圖 002

請注意，如果我們在 gamma 2.2 空間的影像，透過這種方法把 Gamma Correction 設定為 1.57 ，這等於是把影像指派到 gamma 1.4 的色彩空間（ RGB 讀數不變）， 然後再轉換回gamma 2.2的色彩空間（RGB讀數會變） 。這種情況下，影像會變亮，而且 RGB 讀數會變大（ RGB 個別通道的灰階影像會變亮）。

第三，透過 Image > Mode > 32 Bit/Channel ， OK ，然後再 Image > Mode > 16 （或 8 ） Bit/Channel ， OK ，則會出現圖 003 對話窗，然後調整 Gamma 。對於 gamma=2.2 的影像，如果 Gamma 設定為 0.64 ，相當於指派到 gamma 1.4 的空間；如果 Gamma 設定為 0.46 ，相當於指派到 gamma 1.0 的線性空間。

圖 003

我們知道，影像如果太暗的話，通常色彩也不夠鮮豔。所以，透過 gamma 值調亮影像，色彩看起來會不夠飽和、顯得褪色。但目前這種方法非常「善體人意」，當影像調亮時，會自動增加色彩飽和程度。對於初學者，這或許很不錯；但對於一般玩家來說，這種自動彌補顏色的做法會造成很大的困擾。（請注意， ACR 的 Fill Light 也有非常類似的效果。）

Gamma 調整的功能

當我們調降 gamma 值而讓影像變亮，最明顯的作用是發生在暗部，亮部受到的影響很小。這是 gamma 值調整在影像處理上具備的最大特點。請參考圖 004 ，我們分別透過曲線與 gamma 值調整，把中間調 L=54 調升到 L ＝ 76 。請比較這兩種調整方法（ Brightness vs. Gamma ）對於暗部的影響。至於亮部的影響，就目前這個例子而言，兩種方法差不多。

圖 004

根據 gamma 的這項特性，曝光不足的影像透過 gamma 調整亮度，雜訊威脅相對較輕。反差大的影像，調降 gamma 值可以顯著提升暗部亮度，但亮部不至於爆掉。事實上，調降 gamma 值甚至可以被納入一般工作流程內。讓我們舉幾個實際的例子來說明。

實例

此處準備考慮 3 個例子。第一個屬於高度反差的影像（圖 005 ），可以凸顯 gamma 調整的特質。第 2 個例子則屬於一般影像（圖 006 ），藉以觀察 gamma 調整對於一般影像的效果。第 3 個例子則介於前述兩個例子之間（圖 007 ）。我想藉由這 3 個例子，顯示 gamma 調整的一般性功能。

圖 005    此處介紹的處理方法是由 Dan Margulis 提出，所以第一個例子也採用他的影像。  

圖 005b    把影像轉換到 Lab 空間。複製圖層（ Ctrl+J ），圖層混合模式設定為 Multiply 。將這個圖層在複製一次。將兩個 Multiply 的圖層合併，圖層混合模式仍然是 Multiply 。結果：蠻可怕的？

圖 005c    把 Multiply 圖層裝上空白遮罩。針對這個空白遮罩，透過 Image > Apply Image ，把合併影像的 Lightness 複製到空白遮罩。針對遮罩上的灰階影像， Filter > Blur > Gaussian Blur ， radius 大約設定為 50 （一般為 40 ～ 80 ）。針對遮罩， Ctrl+M 叫出曲線，調整遮罩至適當程度。這大概就是 Dan Margulis 對於 gamma 調整建議採用的方法。當然，如果有興趣的話，可以繼續提升色彩，譬如：圖 005d 。

圖 005d

圖 006    這個影像並沒有調整 gamma 的必要，但我們想看看 gamma 調整對於正常影像的效果。

圖 006a    影像指派到 gamma=1.4 的空間。如同先前的情況一樣，影像變亮、褪色。

圖 006b    同樣地，接著把影像轉換到 Lab 空間，做類似圖 005b&005c 的調整。

圖 006c    提升色彩，調整曲線。如果覺得圖 006c 太硬，可以把圖 006c 疊到圖 006b ，然後調整透明度，譬如圖006d。。

圖007    關於gamma調整，這個影像介於前兩者之間。讓我們看看效果如何。

圖007a   影像指派到gamma=1.4的空間。

圖007b   同樣地，接著把影像轉換到Lab空間，做類似圖005b&005c的調整。

圖007c   提升色彩，調整曲線。如果覺得圖007c太濃膩，可以把圖007c疊到圖007b，然後調整透明度，譬如圖007d。

圖007d

補充：Gamma空間轉換

透過Edit > Convert to的指令，把影像由gamma 2.2空間轉換到gamma較小的空間，影像亮度不變。因為軟體把任何既定畫素解釋得更亮，為了維持影像亮度不變，RGB讀數必須變得更小（通道面版上的RGB個別灰階影像變得更暗）。同理，影像由gamma 2.2空間轉換到gamma較大的空間，影像亮度不變。因為軟體把任何既定畫素解釋得更暗，為了維持影像亮度不變，RGB讀數必須變得更大（通道面版上的RGB個別灰階影像變得更亮）。

結論：大gamma轉換到小gamma，R-G-B個別通道灰階影像變暗；反之，小gamma轉換到大gamma，R-G-B個別通道灰階影像變亮。透過通道混合（channels blending），這種性質可以運用來調整色偏。

譬如說，圖008顯得太綠、太黃。太綠意味著G通道太亮，太黃意味著B通道太暗。所以，我們要透過gamma轉換，找到G通道比較暗的小gamma空間，以及B通道比較亮的大gamma空間。所以，我們把圖008複製兩份，一份轉換到gamma 1.4空間（稱為DG），一份轉換到gamma 3.0空間（稱為LB）。

回頭考慮圖008，滑鼠點太綠的G通道，Image > Apply Image，把DG的G通道（比較暗）apply到圖008的G通道，opacity = 30。同樣地，滑鼠點圖008太黃的B通道，Image > Apply Image，把LB的B通道（比較亮）apply到圖008的B通道，opacity = 15。結果顯示為圖008a。

圖008

圖008a

附錄

下列網址可以下載不同gamma值的常用色彩空間。解壓縮之後，將檔案存在C:\WINDOWS\system32\spool\drivers\color。

http://www.pochtar.com/PowerOfGamma.zip

可是，下載檔案只包含幾個常用色彩空間，如果採用特殊色彩空間，就需要自行製造各種gamma值的色彩空間。舉例來說，如果我們的PS編輯空間為Bruce RGB，我要製造gamma = 1.4的Bruce RGB。首先，在PS裡面，Edit > Color Setting。參考圖A，在Working Space的RGB裡面選擇Bruce RGB（紅色箭頭），然後滑鼠點綠色箭頭處，在下拉表中選Custom RGB（藍色箭頭），滑鼠點OK。

圖A

   畫面跳出圖B。Gamma原本顯示2.2（因為Bruce RGB為gamma＝2.2的空間），但可以改成0.75～3.0。此處，我們填入gamma = 1.40，並且把名稱取為Bruce RGB_140。OK。

圖B

這個時候，會跳出圖C。RGB位置顯示Bruce RGB_140，滑鼠點綠色箭頭位置，選擇Save RGB（藍色箭頭）。然後存檔，如此就有了Gamma 1.40的Bruce RGB。其他依此類推。

圖C