ガンマ‐ほせい【γ補正／ガンマ補正】
ガンマ 補正 【gamma correction】
ガンマ補正
映像信号の入力レベルに応じて、０％の黒から１００％の白までリニアに明るさが変化するように行なう補正だ。ブラウン管や液晶では、それぞれ最適なガンマ補正を行なって、初めて自然な明暗の推移が再現できる。
（執筆：オーディオビジュアル評論家 藤原陽祐）
※この情報は「1999～2002年」に執筆されたものです。
ガンマ補正
液晶プロジェクターは黒の再現を苦手とする。これをフォローするための技術がガンマ補正機能。入力映像との関係を細かく調整することで、コントラストレンジの狭い液晶デバイスでも自然な階調表現を可能にする。
（執筆：オーディオビジュアル評論家 麻倉怜士）
※この情報は「1999～2002年」に執筆されたものです。
ガンマ補正
【英】gamma correction
ガンマ補正とは、ディスプレイに表示される画像などの彩度や明るさを修正するための処理のことである。
通常、パソコンなどでは、入力された信号に応じて、ディスプレイなどに画像が表示されるが、ディスプレイの特性によっては、表示される明るさや彩度が異なってくる。そのため、それらの誤差を補正するために、ガンマ補正が用いられる。
ガンマ補正は、ディスプレイなどに入出力される際の信号の相対関係と色のデータを調節することによって、自然に近い表示を行う。また、パソコンのディスプレイだけでなく、デジタルカメラやスキャナのように画像を取り込む機器においても、ガンマ補正が用いられる。この場合、デジタルカメラやスキャナのガンマ値と呼ばれる輝度を表す指標が異なることがあるため、取り込む画像を自然な明るさに修正する目的でガンマ補正が行われる。
ガンマ補正 gamma correction
ガンマ補正
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/02/09 18:15 UTC 版)
ほとんどのコンピューターディスプレイシステムでは、画像は約0.45のガンマで符号化され、逆数となる2.2のガンマで復号される。注目すべき例外は、Mac OS X 10.6（Snow Leopard）がリリースされるまでは0.55のガンマで符号化され、1.8のガンマで復号していたMacintoshコンピューターである。いずれの場合も、静止画ファイル（JPEGなど）のバイナリー・データは、動画ファイル（MPEGなど）と同様に明示的に符号化される（つまり、線形の強度ではなく、ガンマ符号化された値を有している）。システムは、出力装置のガンマとのよりよい一致が必要な場合には、両方の場合にさらにカラーマネージメントシステムを介してオプションで管理することができる。
ほとんどのカメラ、PCおよびプリンターで使われているsRGB色空間規格は、上記のような単純なべき乗則の非線形性を採用していないが、右図に示すように、ほとんどの範囲で2.2に近い復号用ガンマ値を有している。0.04045の圧縮値ないし0.00313の線形の光強度を下回ると、曲線は線形（光強度に比例する符号値）となるため、この部分では γ = 1 となる。赤い曲線の背後にある黒い破線は、比較のための標準的な γ = 2.2 のべき乗則曲線である。
CRTを基にしたテレビ受像機およびモニターは、送信または保存される画像ファイルの標準ビデオ信号に、CRTのガンマ伸張後に適切な画像を提供するガンマ圧縮（正確な逆特性）が施されているため、通常は追加のガンマ補正は必要としない。テレビ信号の場合、実際のガンマ値はビデオ規格（NTSC、PAL、SECAM）によって定義され、常に固定された既知の値である。
コンピューターでのガンマ補正は、たとえば、画像のガンマを変換することにより γ = 1.8 のアップルの画像を、 γ = 2.2 のPCモニターで正しく表示するために使用される。別の用法としては、モニターのばらつきを補正するために、個々の色チャンネルのガンマを均等にするのに使用される。
ガンマのメタ情報
一部の画像形式では、画像の所定のガンマ（符号化された画像のサンプルと、光出力の間の変換）をメタデータとして保存できるので、表示システムの指数がわかっていれば自動ガンマ補正が容易に行える。PNG仕様には、この目的のためのgAMAチャンクが含まれており[11]、JPEGやTIFFなどの形式ではEXiF Gammaタグが使用できる。
これらの機能は、当時の主要なWebブラウザーでの実装が不十分だったため、Webで使用すると歴史的に問題を引き起こしてきた[12][13]。この状況は、Google Chrome（および、他のすべてのChromiumベースのブラウザー）およびMozilla Firefoxがガンマに関するメタデータを正しく処理できるようになったので改善された。
ビデオ・ディスプレイのべき乗
「ガンマ特性」は、テレビシステムで符号化されたルーマ（輝度）と、実際に所望の画像の明るさとの関係を近似する、べき乗則の関係である。
この非線形の関係では、符号化された輝度の等間隔のステップは、主観的に等しい明るさのステップにほぼ対応している。エブナーとフェアチャイルドは[14]、指数として0.43を使用して線形の光強度を、ニュートラルな明るさ（ルーマ）へと変換し、その逆数（約2.33、一般的なディスプレイ・システムで使用されている値2.2に非常に近い）がグレーのほぼ最適な近く符号化を提供することがわかった。
以下の図は、線形に増加する符号化された輝度信号を使用するスケール（線形ガンマ圧縮輝度入力）と、線形に増加する光強度を使用するスケール（線形輝度出力）の違いを示している。
| Linear encoding | VS = | 0.0 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 |
| Linear intensity | I = | 0.0 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 |
ほとんどのディスプレイ（ガンマが約2.2のもの）では、線形強度スケールでは強度値0.0と0.1の間で知覚される明るさが大きくジャンプするが、スケールの上限側ではほとんど知覚できない。非線形に強度が増加するガンマ符号化スケールでは、知覚される明るさのステップがはるかに均一になる。
例えば、ブラウン管（CRT）では、印加されたビデオ電圧に対する電子銃の強度（明るさ）が非線形な関数となっているため、ビデオ信号を非線形に光に変換する。 光強度 I と、供給された電圧 Vsの関係は
ガンマ補正テスト画像。ブラウザーのズーム=100%でのみ有効
この手順は、プロファイルが使用されていなシステム（例えば、バージョン3.0以前のFirefoxブラウザーなど）や、タグがない元画像がsRGB色空間にあると想定するシステムで、モニターに画像をほぼ正しく表示させるのに有効である。
テストパターンにおいて、それぞれの単色のバーの強度は、周囲の縞模様のディザの平均強度となるように意図されており、理想的には指定されたガンマに正しく調整されたシステムでは、単色部分と縞模様部分が同じ明るさで表示されるはずである。
通常、ビデオカードはコントラストおよびブライトネス制御を備えており、半透過液晶ディスプレイはコントラスト、ブライトネスに加えてバックライト制御を備えている。ビデオカードとモニターのブライトネスおよびコントラストは有効なガンマに影響を与えるため、ガンマ補正が完了した後で変更してはいけない。
テスト画像の上部の2本のバーはコントラストとブライトネスを正しく設定するのに用いられる。それぞれに8つの3桁の数字が表示されている。適切にキャリブレーションされたよいモニターでは、両方のバーの右から6つの数字が表示されるが、安価なモニターでは4つの数字しか表示されない。
RGBの色領域では数字が書かれた単色部分と周囲の市松模様の部分の明るさが等しく見えれば、その数字のガンマ値でほぼ正しくガンマ補正がなされている。[17][18][19]多くの場合、各色のガンマ補正値はわずかに異なっている
ガンマ補正を行う前にモニターの制御機能を使って所望のガンマと色温度を設定する必要がある。ガンマ、コントラストおよびブライトネスの制御機能を使って、液晶ディスプレイのガンマ補正は特定の垂直方向の視野角、すなわちモニターの特定方向の水平方向のライン、特定のブライトネスとコントラストのレベルでのみ行うことができる。ICCプロファイルを使えば、モニターを複数の輝度レベルで調整すすことができる。モニターの品質（および価格）によって、この操作点からどれだけずれても満足のいくガンマ補正ができるかが決定される。原色あたり6ビットの色深度を有するツイステッド・ネマティック（TN）ディスプレイがもっとも低品質である。一般的に8ビットの色深度を備えたIPS方式ディスプレイの方が優れている。優れたモニターは10ビットの色深度を持ち、ハードウェアによるカラーマネージメントを備え、三刺激値測色計によるハードウェアキャリブレーションが可能である。多くの場合、6ビット＋FRCパネルは8ビットとして、8ビット＋FRCパネルは10ビットとして販売されている。FRCは追加のビットの真の代替とはならない。24ビットおよび32ビットの色深度フォーマットは、各色8ビットである。
Microsoft Windows 7以降では、ディスプレイカラーキャリブレーションツール dccw.exe やその他のプログラムを使ってガンマ補正を設定することができる[20][21][22]。これらのプログラムはICCプロファイルファイルを作成し、それをデフォルトで読み込む。これによってカラーマネージメントが容易になる[23]。dccwプログラムのガンマ・スライダーを、最後の色の領域（多くの場合は緑）が、市松模様の部分と、単色の部分で同じ明るさになるまで増加させる。他の二色を調整するには、ガンマ補正プログラムのカラーバランスないしここの色のガンマ補正スライダーを使用する。古いビデオカードのドライバーの中には、スタンバイやハイバネーション・モードから復帰した際に、カラールックアップテーブルを正しく読み込めず、誤ったガンマで表示するものがある。このような場合にはビデオカードのドライバーをアップデータをする必要がある。
X Window Systemが動作する一部のOSでは、ガンマ補正係数を0.9に設定するコマンド xgamma -gamma 0.9や、ガンマ補正係数の現在の値（デフォルトは1.0）を確認するコマンド xgamma を実行することでガンマ補正係数を設定することができる（既存のガンマ値に適用される）。macOSシステムでは、ガンマ補正や、その他の画面調整はシステム環境設定で行われる。
スケーリングとブレンディング
このテスト画像はスケーリングが行われておらず（画面に対して拡大縮小なし）、色調整も行われていない "raw" の状態で画面に表示した場合にのみ有効である。しかし、この画像はソフトウェアに多く見られる物理的に正しい線型空間ではなく、ガンマを持つ色空間でスケーリングを行うという別の問題を指摘するのにも役立つ。ガンマが約2.2のsRGB色空間では、線形に拡大縮小した場合に50%のサイズで2.2の結果になるはずである。ヨナス・ベルリン（Jonas Berlin）はこの原理に基づいて「あなたのスケーリングソフトウェアは最悪／ルール違反」画像を作っている[24]。
さらに、この問題はスケーリングだけではなく、JPEGのガンマ対応Y'CbCrにおけるクロマ・サブサンプリングのような、他の形式のダウンサンプリング（縮小）にも当てはまる[25]。WebPはこの問題を解決するために線型空間で彩度の平均を計算した後にガンマ有効空間に変換しており、大きな画像の場合には反復的な解法が用いられている。同じ「sharp YUV」（以前の「smart YUV」）のコードがsjpegで使用されている。Kornelskiはルーマを元にした加重平均による、より単純な近似を提示している[26]。アルファブレンド、カラーグラデーションおよび3Dレンダリングもこの問題の影響を受ける[27][28]。
逆説的だが、画像をアップサンプリング（拡大）した場合、「間違った」ガンマ対応空間で処理された結果の方が美的に優れている傾向がある。これは、拡大用フィルターは線型空間でのリンギングアーティファクトを最小化するように調整されているが、人間の知覚は非線形であり、ガンマによってより適切に近似されるためである。アーティファクトをトリミングする別の方法としては、シグモイド光伝達関数を使用する方法があり、これはGIMPのLoHaloフィルターが先駆けとなり、後にmadVRが採用した手法である。
用語
強度という用語は、単位としてルクスを用い、単位時間および単位表面積から放射される光束の量を示している。 この量は科学の多くの分野では、異なる量である光度と対照的に、照度と呼ばれることに注意が必要である。 ただし、これらの区別はガンマ圧縮にはほとんど関係がなく、ガンマ圧縮はあらゆる種類の正規化された線形強度のようなスケールに適用可能である。
「輝度」はビデオや画像の中でいくつかの意味を持っている。
- 「輝度」は、ヒトの目の波長依存の感度（明所視曲線）を考慮した、物体の測光的な明るさ（単位はcd/m2）である。
- 「相対輝度」は、色空間符号化で使用される、白レベルに対する相対的な輝度である。
- 「ルーマ」は符号化されたビデオの輝度信号であり、信号電圧 VS と同等である。
色彩の概念としての相対輝度（ガンマ圧縮されていない）と、映像の概念としてのルーマ（ガンマ圧縮されている）を対比して、相対輝度を Y と表し、ガンマ圧縮をプライム記号（’）で表現してルーマを Y' と表す[29]。ルーマは輝度から直接は求められず、ガンマ圧縮されたRGBコンポーネントの（やや任意の）加重和であることに注意が必要である[1]。
同様に、「明るさ」は、主観的な視覚特性によってより適切に適用されるが、光のレベルを含むさまざまな測定に用いられることがある。
ガンマ補正は、指数がギリシア文字のガンマ（γ）で表されるべき乗則関数の一種である。数学のガンマ関数と混同しないように注意が必要である。小文字の γ は前者のパラメータを意味し、大文字の Γ は後者の名前（および使用される記号）である（Γ(x)のように）。「関数」と言う語をガンマ補正と組み合わせて使う場合は、「一般化されたべき乗則関数」とすることで混乱を回避できる。
文脈抜きだとガンマと言うラベルが付いた数値は符号化値および復号値のどちらの可能性もある。 与えられたガンマ値ないしその逆数を適用して正しく補正するために注意が必要である。一般的な用語としては、多くの場合に復号値（2.2）は、ガンマ符号化するために適用する必要がある実数であるその逆数（この場合は1/2.2）ではなく、符号化値であるかのように使用される。
「ガンマ」という用語の非推奨化
ガンマは放送工学およびプロの映画・テレビ業界で一般的に受け入れらている用語である [30]。しかしながら、以下のような混乱がある：
- 定数 G を有する関数 xG を意味する用語（特にsRGBおよび類似の色空間について議論する場合）。
- G が1.0でないことを意味する用語[31]。
- 「ガンマ関数」に、DPXファイルのように値の対数として格納されているデータからの返還を含めるかどうか。
- あるいは、EXRファイルのようなIEEE浮動小数点2進表現からの変換や、YUVからRGBへの復号も含めるのかどうかも問われている。
CIEでは、1つ以上の色チャンネルに適用される数学的な関数に、「色成分伝達関数」という用語を用いている[32]。
IEC 61966-2-1[33]ではガンマや実効ガンマという用語を使用せずに、「ディスプレイ入出力特性」や「符号化特性」という用語を定義している。IECは "infomative"（参考情報）とラベルを付けた非規範的なセクションである付属書Aで、このこのとの正当性を説明している。付属書Aは、ガンマという用語の簡単な歴史から始まり、この用語が何らかの形で曖昧であるという、参照されていない、裏付けのないいくつかの主張、そして最後に、この用語は有害であり、IECはこの用語を使用しないことを選択したという最後通告をしている。この用語が一般的に理解され、業界やその他の標準文書で使用されているにも関わらずである。その結果、IECは文書61966-2-1ではガンマと言う用語の代わりに「ディスプレイ出力特性」、「単純なべき関数」、「指数関数で表される正規化出力輝度」などの用語を使用している。
IECのガンマと言う用語に対する見解は、ICC、SMPTE、ITU、NABなどのた他の標準化団体では採用されておらず、現在でも上述のようにガンマは業界で一般的に使用されている[34]。このため、本項では単純で一般的な理解のためにガンマと言う用語を使用している。
関連項目
- 明るさ
- キャリエ効果
- ホワイトバランス
- 色かぶり
- カラーマネージメントシステム
- カラーコレクション
- 色温度
- コントラスト
- :en:Image editing § Gamma correction
- 輝度 (光学)
- ルーマ
- 相対輝度
- 光学伝達関数 (OTF)
- ポストプロダクション
- テレシネ
- トーンマッピング
- ビデオキャリブレーションソフトウェア
- 白色点
脚注
- ^ a b c d e f Charles A. Poynton (2003). Digital Video and HDTV: Algorithms and Interfaces. Morgan Kaufmann. pp. 260, 630. ISBN 1-55860-792-7
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- ^ a b Charles Poynton (2010). Frequently Questioned Answers about Gamma.
- ^ Erik Reinhard; Wolfgang Heidrich; Paul Debevec; Sumanta Pattanaik; Greg Ward; Karol Myszkowski (2010). High Dynamic Range Imaging: Acquisition, Display, and Image-Based Lighting. Morgan Kaufmann. p. 82. ISBN 9780080957111
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- ^ Engineering Guideline EG 28, "Annotated Glossary of Essential Terms for Electronic Production," SMPTE, 1993.
- ^ https://poynton.ca/PDFs/Rehabilitation_of_gamma.pdf
- ^ “Digital Photography - Marcel Patek: Monitor gamma”. www.marcelpatek.com. 2020年12月6日閲覧。
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- ^ “IEC 61966-2-1:1999”. IEC Webstore. International Electrotechnical Commission. 2017年3月3日閲覧。
- ^ “Gamma FAQ - Frequently Asked Questions about Gamma”. poynton.ca. 2020年12月13日閲覧。
外部リンク
一般情報
- PNG Specification; Version 1.0; 13. Appendix: Gamma Tutorial
- Rehabilitation of Gamma by Charles Poynton
- Frequently Asked Questions about Gamma
- CGSD – Gamma Correction Home Page by Computer Graphics Systems Development Corporation
- Stanford University CS 178 interactive Flash demo about gamma correction.
- A Standard Default Color Space for the Internet – sRGB, defines and explains viewing gamma, camera gamma, CRT gamma, LUT gamma and display gamma
- Alvy Ray Smith (1 September 1995). Gamma Correction (PDF) (Technical Memo 9). Microsoft.
- Gamma error in picture scaling by Eric Brasseur
- WHAT EVERY CODER SHOULD KNOW ABOUT GAMMA by JOHN NOVAK
モニター・ガンマ・ツール
- The Lagom LCD monitor test pages
- The Gamma adjustment page
- Monitor test pattern for correct gamma correction (by Norman Koren)
- QuickGamma
