数学公式可以深刻和精确的把握一个概念，却不能表达概念的物理意义和本质含义，本贴试图摆脱数学公式的陈述和推导，用言语来解释gamma的本质含义，献给无忌。

1什么是gamma？

对于CRT显示器，输入电压信号将在屏幕上产生亮度输出，但是显示器的亮度与输入的电压信号不成正比，存在一种失真，如果输入的是黑白图像信号，这种失真将使被显示的图像的中间调偏暗，从而使图像的整体比原始场景偏暗，如果输入的是彩色图像信号，这种失真除了使显示的图像偏暗以外，还会使显示的图像的色调发生偏移。gamma就是这种失真的度量参数。对于CRT显示器，无论什么品牌的，由于其物理原理的一致性，其gamma值几乎是一个常量，为2.5。（注意，gamma＝1.0时不存在失真），由于存在gamma失真，输入电压信号所代表的图像，在屏幕上显示时比原始图像暗。如下图所示。

原始图像电压信号       
屏幕输出图像（失真）

2 gamma概念的演化

gamma本来是显示器的输出图像对输入信号失真的度量参数。

2.1 gamma概念的第一演化（系统gamma和显示器gamma）

由于存在显示失真，这样的图像不能应用，所以需要校正这种失真。上文讲到，对于显示器来说，gamma值是常量，不可改变，所以校正过程就只能针对输入的图像电压信号了。这种校正就是将正常的图像电压信号向显示器失真的相反方向去调整，既然失真使图像的中间调变暗，那么在图像电压信号输入到显示器之前，先将该电压信号的中间调调亮，然后再输入到显示器，这样就可以抵消显示器的失真了，如图所示。

原始图像电压信号   
校正后的图像电压信号
屏幕输出图像（不失真） 由于显示器的gamma值是常量，所以这种校正的幅度也是相对固定的，这种校正幅度的度量参数也叫gamma，这是gamma概念的第一次演化，为了区别这两种不同的概念，此处的gamma又叫做系统gamma（因为对图像电压信号的校正过程发生在电脑系统中），显示器的固有的gamma又叫做显示器gamma。

2.2 gamma概念的第二次演化

显示器gamma表示一种失真，系统gamma表示一种校正，这两者共同之处是都表示对原始信号的一种变换，所以gamma概念发展到这里，其一般性含义已经又两层含义，a表示对原始信号的一种变换， b表示这种变换的度量参数。

2.3 gamma概念的第三次演化（文件gamma）

既然gamma的一般性含义是对原始信号的一种变换，可想而知，文件gamma也一定表示一种变换，这是一种什么样的变换呢？

从宏观上讲，被照相机拍摄的物体的亮度是连续变化的，如果将亮度连续变化的被摄物体的图像转换成数字文件（计算机文件）时，无论用数码相机还是扫描仪，都要面临用离散的数值去近似表示连续的物理量的问题。具体来说，一个8位的二进制数字文件，如何编码才能比较精确的表示反差很大的一幅图像？

这要从人的视觉原理说起。人的眼睛感觉到亮度增加一级的时候，光强（光的能量）将增加一倍，同样，当人的眼睛感觉到亮度减小一级的时候，光强将减少一半。就是说，人的眼睛感觉到的亮度的成比例的线性变化，是由光强的倍数变化引起的。如果将一段连续变化的亮度从暗到亮等差分成a b c d e f g 七段，那么这七段亮度对应的光强不是1 2 3 4 5 6 7，而是1 2 4 8 16 32 64。打个数学比方，人眼感觉到的亮度是等差数列，而光强的物理实在是等比数列！为何如此，因为这样可以确保人眼即适应高亮度的阳光下的景物，又能在夜晚看清星光下的猎物，这是大自然的造化。

数码相机或扫描仪的感光元件，将会把光强变成电信号，然后由模－数转换器件转换成数字信号，继而再存储为数字文件。为了便于讨论，以黑白图像为例，一个黑白图片数字文件中每个象素用一个8位二进制编码表示，8位二进制编码只有256个量级，从0到255。就是说，一幅图片，最亮的地方用255表示，最暗的地方用0表示。这里有一个问题需要我们思考一下：比最亮处（编码255）暗一级的象素的编码值是多少？

答案是128，因为人眼感觉暗一级，光强将减小一半，这样感光元件的输出电压值将减小一半，从而模－数转换器件得到的数字值也是255的一半，即128。

依此类推，比最亮的象素（编码255）暗两级的象素的编码值是64，暗三级是32，暗四级是16，暗五级是8，暗六级是4，暗七级是2，暗八级是1。于是矛盾就出现了，第一问题是，亚当斯将曝光区分为11个等级，这种8位二进制编码方法无法表示11个分区，只表示了9个分区，分别对应的二进制编码值是0－1，1－2，2－4，4－8，8－16，16－32，32－64，64－128，128－255。更严重的是第二个问题，最亮的分区（128－255）占有8位二进制编码256个量级的一半量级资源，即占有128个量级，分别是128，129，130，……，253,254,255。而最暗的分区只占有8位二进制编码256个量级中的两个量级，分别是0和1，比最亮分区暗四级的分区只占有8位二进制编码256个量级中的8个量级，分别是8，9，……，15，16。这表明这种编码方法在最亮的分区中，表达的亮度细节非常的丰富，超过人眼的识别能力（人眼在亮处可以识别1％的亮度变化），可是在较暗的分区中，表达的亮度细节就少的可怜了，会出现马赛克！

所以需要对感光元件的输出的电压值在模－数转换时做一种变换，使得较暗的分区占有的二进制编码量级多一些，较亮的分区占有的二进制编码量级少一些，从而不至于使图像暗处出现马赛克，也使亮部占有的量级刚好满足人眼的最大识别能力。这样编码的数字文件可以较好的表示反差很大的一幅图像。文件gamma是表示这种变换的度量参数。Windows系统，WWW和sRGB规定文件gamma值为2.2。

2.4 gamma概念的第四次演化

a表示对原始信号的一种变换，泛指显示器gamma，系统gamma，文件gamma。
b表示这种变换的度量参数。
c 在不同的上下文环境中，会特指显示器gamma，系统gamma，文件gamma三个概念中的某个具体概念，注意领会。

2.5 概念总结（四种gamma）

2.5.1 gamma

gamma在不同的上下文环境中，有不同的含义，一个意思是表示对原始信号的一种变换，另一个意思是表示这种变换的度量参数，还可能表示显示器gamma，系统gamma，文件gamma三个概念中的某个具体概念。

2.5.2 显示器gamma

是显示器的物理属性，固定的，不变的，不可校正的。显示器gamma在不同的上下文环境中，有不同的含义，一个意思是指显示器的输出图像对输入信号的失真，另一个意思是指这种失真的具体数值。

2.5.3 文件gamma

对一个给定的数码相片文件，按照相关标准规范, 这个gamma是一个定值，所以无需对其校正。如果出于某种特殊需要，一定要改变某数码相片文件的gamma值，这种改变也不能称作“校正”，而是称作“变换”。

2.5.4 系统gamma

系统gamma所表示的变换，是计算机系统在读取了照片数字文件之后，在输出到显示器之前的一种变换，对于windows系统它存在于显卡中，是可调节的，可校正的。

3在使用计算机处理数码相片时总要提到gamma校正，这里的gamma校正过程校正什么？

由于显示器gamma和文件gamma是固定不变的，gamma校正过程是校正计算机的系统gamma！，使得显示器gamma、系统gamma、文件gamma三个变换的叠加为1.0,从而使最终显示器的图像和原始场景一样，不存在失真。

这就好比密码通信，文件gamma是加密过程，系统gamma和显示器gamma是文件gamma的一种反作用，是解密过程，最后看到的结果和原始信息一样。

学习中

做个记号

做个记号

其实就是映射表，文件gamma是RGB<->RGB空间的，系统gamma是RGB->Monitor电压线性化的映射，至于打印机，相机CCD的，交ICC Profile,定义了标准的CIE空间和设备空间之间的映射。

一个完善的解码程序应该这样，首先判断文件内的gamma，如果是1就跳过，否者正常解码后，要做个gamma矫正，这时候出来的是RGB，或Yuv只类的，然后交给系统，系统提交到显卡上，显卡根据系统预定的系统gamma，做gamma矫正，实际上就是CRT的电压响应曲线的逆变换，效果就是使CRT线性化了，有些程序在全屏幕时，会跳过自己做gamma矫正，而直接修改系统gamma，这样效率高些。

其他设备，都是定义了自己的一个color space，然后定义一个mapping到CIE空间，这样有了这些Icc profile，就可以做到各个设备之间正确的色彩转换了。

老师，很谢谢你的文章。
我有几个问题：

一：我了解到亮度细节太少会导致马赛克的产生，那么马赛克产生的原理是什么？有哪些公式或参照量可以说明何种情况会产生马赛克。

二：比如我要对一个视频文件进行处理，调整其亮度，那么此时出现的gamma值属于哪种gamma值？数值为多少？

对于这个问题我也感到很多困惑，想弄明白，在想是不是这个情况，我非专业人士，所以就定性分析下，不讲实际公式什么的，可能也会有很多错误，但大家能明白意思就好

首先肯定的是，人的视觉是非线性的，对暗部更加敏感，在亮度提升一倍的时候，人是不会感觉出有一倍的变化。胶卷的化学特性就有点类似人的视觉特性，而数码就比较线性，光的能力（光子数量）占决定性。
而各种器材无论输出输入，都是有自己的特性，gamma的引入，是为人服务的，就是说，为了保持人的视觉一致性，让无论是模拟影像还是数字影像在输入输出流程和放到不同设备上观看都得到一致性。比如最初时候要解决从摄像到录像带录像机到电视屏幕的一致性。

那么在前面就有个矛盾，gamma最后校正到显示器是线性的，理想情况就是gamma为1，那不是反而人去看，会失真，会看到在色阶里亮部只有很小的部分？但从实际来看，这矛盾不存在，人看到的是正确的。那么反推回去，我们应该可以得出更本质的概念，gamma为1是为了校正到让人看到真实的还原，而不仅仅是校正到线性，对于显示器来说是校正到线性，那么对于投影仪呢？摄像机呢？这些设备就不一定是线性的。

这样也就知道，被记录的图像里，0到255，如果是正确的，那么可以认为他是1的gamma，这已经是标准化了的数据，这0到255在色彩空间里的映射，已经符合了人的视觉特性，就是说这里已经完成了为了适应人的视觉做的非线性处理，一般128作为中灰。这个标准怎么理解，就是说在色彩空间里映射的颜色，是还原到人看到的真实情况。

在输入到输出中间是数据，所以存储下来的图像文件，是做到gamma为1，这样好处就是，放到不同设备输出时候，为不同设备做gamma变换就可以了。比如输出到显示器，如果显示器gamma是2.2，那么操作系统和显卡，最终会做一个转换，比如，128中灰就转出为186，输出给显示器了。那么这过程是对我们透明的，就是说，我们编辑图片时候都是跟128打交道，换到186输出给显卡这些东西系统自动做了，我们不用管而且也看不到，而如果这186输出到显示器实际不是出128的中灰，就说明显示器需要校正，调整操作系统这边gamma。

那么我们存储的图像，是天然就标准化的吗？这就是涉及到输入设备的gamma了。前面说了，数码相机是线性的，所以在出图的时候，数码相机已经内置做了gamma转换。如果相机直接把能量值转换成数据，显示出来会什么结果呢？结果人看到就是色阶里暗部只有很小部分（这点刚好跟显示器相反）。所以gamma值，会是比1小的。

到这里我们可以认识到，gamma所有的努力和设置，都是保证在不同设备上做到一致性。这点跟色彩管理道理是一样的。我们可以抽象出一个模型：输入->gamma转换标准化->存储->gamma转换适应输出设备->输出。这样我们拿着存储的数据，就可以以不变应万变（前面讲到，这时存储的数据应该已经是按人类视觉设计的，非线性化的）。色彩管理也是一样，在进行转换时候颜色会通过与设备无关lab空间中转。1的gamma就有点像中转站了。

基于这样的假设，就可以回答ipm兄的问题
1，输出jpg过程都是一样的，而且gamma的转换应该就发生在生成到0到255的jpg时候。但是raw文件，并没有做这个转换！raw就是记录感光器信息，所以可以推出他是符合硬件特性的就是线性的。在用raw调整时候，可以认为我们直接对感光器得到的信息进行加工，而且还是在12位精度上，所以效果会好，等调好后，最后还是得经过转换得到图像，jpg也好tiff也好，gamma转换就包含在这步了。那为什么用相机直接出jpg调效果没这么好，我想这个问题就不是本帖所讲了，简单说来，raw转图像，是不可逆过程，总会有信息丢失掉，而调图时候也会有信息丢失掉，当然这个损失可以通过在16位编辑尽量减少。

2，上文的一些结论已经回答了，对于理想情况，存储的像素值跟电压是线性的。

3，亮度这里你是指什么呢？我觉得如果是说人看到的感觉，那么也认为是线性的了。冲印机自有他的gamma设置，我们不用管，只要那gamma为1的标准图像文件给他们。
显然物理意义上实际亮度跟人眼感觉是很大不同的嘛，gamma引入就是为了让我们从这区别里解放，让专家和设备处理好gamma，我们就只谈人的感觉和标准分布的灰阶就行了。做到现实画面到输入设备捕捉画面再到输出画面，让人看起来觉得一致！

[2007-05-01 04:21 补充如下]

前2天发现photoshop cs3可以用到32位通道编辑（cs2里打开一个图片不能直接切换到32位，菜单那里是灰色按不了）
就用色阶工具测试了下，拉低再拉高，从直方图上看8位模式严重断层，16位只有少数断层，但极暗部还是还原不回去了，像8位一样比起原图要暗。但之后用32位试了下，虽然明显处理速度慢很多，但是发现最后还原得跟原图一样。。。强

麻烦也帮我看下,谢了
https://forum.xitek.com/showthread.php?threadid=400099

另外问一下是否能这样理解,找一张公认调色准确照片,获知其gamma值与自己显示器的gamma值,反推出使3个gamma和为1的系统值,然后就能把这个值作为调试系统的依据了?

请教bit老师:
老师的这篇文章通俗易懂,初步了解了有关gamma的一些知识.但是却没能从整体上把这些知识串接起来.想请教:
1,由于没有系统地学习过计算机知识,想知道老师说的文件gamma"所以需要对感光元件的输出的电压值在模－数转换时做一种变换"是如何变换的?变换后的情况是什么样子?这种变换是直接改变的文件数据还是写入配置文件的?
2,从照相机拍摄物体到在PHOTOSHOP中打开让其在屏幕上显示原图像,究竟要经历几次GAMMA变换?在这整个流程中,"感光元件的输出的电压值在模－数转换时做一种变换"是怎么样还原成屏幕上的图像的?
3,通常说的gamma校正,说是通过对显示器的输入电信号做一个GAMMA等于是1/2.2的反向补偿使输入与输出的关系成线性关系,那么这种补偿与"照象机感光元件的输出的电压值在模－数转换时做一种变换"怎么衔接?同时,如果显示器通过对输入信号反向补偿成线性后,而"人的眼睛感觉到亮度增加一级的时候，光强（光的能量）将增加一倍，同样，当人的眼睛感觉到亮度减小一级的时候，光强将减少一半。"这是在屏幕上看到图像时,那么显示器经补偿已成线性的亮度又要经过眼睛的变换,岂不是图像与实际景物发生了扭曲?该怎么来理解显示器的GAMMA校正?

好文,但看完还是不知道怎么使用

up

.

自己的这段话以及茶蛋的以下判断严格来说是错误的。

对不起，回晚了。你的看法我认为是对的。

咱们一起探讨吧。我是这么理解的：
如数字摄影机里，涉及到伽玛的地方有好几处，如CCD 伽玛，显象管伽玛，摄影机本身的伽玛，这些伽玛共同作用产生了一个总的伽玛特性，就是系统伽玛。