高清攝像機伽瑪曲線調整的應用研究

文丨徐 暢

隨著數字感光技術的快速發展與進步，幾年間數字高清攝像機在我國的普及量就日益增大。目前很多電視臺都新建設了眾多高端的高清演播室、轉播車，全國中央、省市電視臺也陸續推出了高清頻道，許多家庭都能輕松收看到高清電視，中國的廣播電視已經正式進入了全數字、高清化時代。

高清電視的普及，使我國廣播電視技術人員不斷深入挖掘高清設備的潛能。在技術上，對高清攝像機的白平衡、黑電平、伽瑪曲線（GAMMA）、拐點、白切割等參數進行精確調整，直接影響的是高清節目源本身對人的視覺感受，對此類參數的調整需要更加謹慎、精確。

如何利用高清攝像機的特點，在節目的錄制中，拍攝出色彩真實、風格鮮明的電視畫面已經成了現今重要的研究課題。本文從高清攝像機的伽瑪曲線技術調整入手，來研究伽瑪曲線對最終畫面的作用及其影響，以便于相關技術人員更合理的用好伽瑪曲線技術。

1 伽瑪曲線介紹

最早引入伽瑪（GAMMA）的概念，是因為顯像管或者人眼對亮度的響應曲線是非線性的。也就是說當顯像管或者人眼要對攝像機的感知的曝光量提高一檔，可能需要增加一倍的入射光，即其亮度與輸入電壓是非線性的，攝像機的伽瑪糾正電路就是對該類非線性進行預糾正。比如顯像管的電-光轉換特性的伽瑪值約為2.8，要使電視系統保持線性，即使顯像管顯示的圖像亮度和拍攝景物的亮度呈線性關系，攝像機中的伽瑪糾正電路的伽瑪值就應為1/2.8=0.35，但由于顯像管內外雜散光的影響，重現圖像的對比度和飽和度均有所降低，所以現在的彩色攝像機的伽瑪值仍多采用0.45（圖1）。盡管如今顯像管的顯示器已逐漸被LCD/LED電視所替代，但伽瑪電路仍然被LCD/LED電視所重視并使用，它可以將清晰度、對比度提高到較高的水平。

圖1 基礎GAMMA校正與伽瑪響應曲線

如今，攝像機的伽瑪值已經不再單純是為了對電-光轉換特性的非線性進行預糾正。在現今高清電視制作中，伽瑪值調整的另一個目的可以是結合不同的拍攝場景，利用高清攝像機精密先進的數字處理電路，技術人員選擇相應的伽瑪曲線并進行精確分段調整，以實現在不同環境下不同的細節曝光意圖，以達到控制高清畫面的影調層次和清晰度的目的要求。

2 伽瑪曲線調整

以湯姆遜LDK8000高清攝像機為例，對其內部預設的四類伽瑪曲線進行研究。選取燈光均勻（3200K）的演播室作為測試地點，借助灰度卡，并使用泰克WFM7120高清示波器，分析這四類伽瑪曲線在拍攝不同場景下對最終畫面細節層次的影響。

圖2是ARD、BBC04、BBC05、BBC06這四類伽瑪曲線的波形。可以看出ARD和BBC05在低照度情況下（100mv-200mv）的處理略有不同，其他區域的處理方式幾乎一樣，而BBC04、BBC06在整個亮度范圍內的處理方式都不同。下面我將依次進行對比研究。

由于圖2無法直觀的得知各類伽瑪曲線的具體處理方法，我們借助灰度卡來對這四類曲線進行進一步的研究。圖3是ARD、BBC05拍攝灰度卡的亮度波形圖，可以看到這兩類曲線對整個亮度區域的都處理非常平衡，中灰部都恰好落在了350mv區域，上下兩部分的處理也很均衡。結合圖2，這兩類伽瑪曲線的區別只是在100mv-200mv區域的處理方式，BBC05提高了該區域的亮度從而增加細節。在高清節目制作中，這兩類曲線適合拍攝亮度相對均勻的物體，拍攝的畫面可以很好的還原出物體本身的細節。

圖2 LDK8000內部預設的四類伽瑪曲線波形

圖3 ARD、BBC05在拍攝灰度卡的亮度波形圖對比

BBC04、BBC06這兩類曲線的亮度波形圖如圖4所示。BBC04擴展了亮度區域，中灰部被壓到300mv左右，所以在高照度的場景下拍攝，使用BBC04可以更好的還原亮部細節，適合拍攝天空、高照明的場景。而與之相比較的就是BBC06，它將中灰部提到400mv左右，壓縮了亮部區域，適合在低照度環境下拍攝或者有大范圍暗部的場景，有利于暗部區域更好的展現細節和還原色彩。

圖4 BBC04、BBC06在拍攝灰度卡的亮度波形圖對比

通過上述的實驗可知，LDK8000預設的幾類伽瑪曲線會影響到圖像亮度的細節。除了預設的伽瑪曲線功能，LDK8000還允許用戶進入二級菜單調整伽瑪曲線的各類參數，如總伽瑪（MASTER GAMMA）、RGB伽瑪（RGB GAMMA）和黑伽瑪（BLACK GAMMA）。

從LDK8000的伽瑪調整菜單中可以看到，不論選擇何種伽瑪曲線，總伽瑪、RGB伽瑪的值都為相對值76。圖5是B與R伽瑪值為0時的亮度波形圖，RGB伽瑪值可以讓用戶分別調整紅綠藍三個通道的伽瑪值，調整R和B會影響畫面中不同亮度區域的顏色平衡，而調整G通道的伽瑪既會影響畫面的顏色平衡，也對整體的明暗表現有顯著影響，因為綠色在RGB三個顏色中對亮度的貢獻最大。

在調整總伽瑪（MASTERGAMMA）時，RGB伽瑪也會隨之一起改變。其實，Master是大師的意思，也就是說，如果我們對伽瑪曲線的認識和理解達到了大師的水平，那么可以調整這個值來設置伽瑪，而不是僅僅在幾類預設的伽瑪曲線之間選擇。而黑伽瑪值會影響伽瑪曲線暗部曲線的斜度，微調畫面的暗部細節，在特殊的拍攝要求下，可以進行適當的調整。

圖5 調整B與R伽瑪值的波形圖

3 總結

由于人眼對彩色細節的分辨力低于對黑白細節的分辨力，彩色電視系統在傳送彩色圖像時，為了減少帶寬，一般細節部分只傳送黑白信息（即亮度信息），這就是大面積著色原理。高清攝像機因其本身的優勢，對色彩與細節的還原要求更高，在拍攝時就需要技術人員對高清攝像機參數進行更好的調校。

伽瑪曲線的調整主要影響的是畫面的亮度信息，不同的伽瑪曲線對圖像的暗部、灰部和亮部有著不同的處理方式。并沒有伽瑪曲線的好壞之分，而只有選擇的是否合適之說，因此在高清電視節目制作過程中，伽瑪曲線的選擇環節就尤為重要。技術人員要熟悉攝像機預設的幾類伽瑪曲線的特性與工作方式，結合不同場景、光線以及導演的要求來進行精確調整，獲得更多細節、更真色彩的高清電視畫面。