高清摄像机伽玛曲线调整的应用研究

文丨徐 畅

随着数字感光技术的快速发展与进步，几年间数字高清摄像机在我国的普及量就日益增大。目前很多电视台都新建设了众多高端的高清演播室、转播车，全国中央、省市电视台也陆续推出了高清频道，许多家庭都能轻松收看到高清电视，中国的广播电视已经正式进入了全数字、高清化时代。

高清电视的普及，使我国广播电视技术人员不断深入挖掘高清设备的潜能。在技术上，对高清摄像机的白平衡、黑电平、伽玛曲线（GAMMA）、拐点、白切割等参数进行精确调整，直接影响的是高清节目源本身对人的视觉感受，对此类参数的调整需要更加谨慎、精确。

如何利用高清摄像机的特点，在节目的录制中，拍摄出色彩真实、风格鲜明的电视画面已经成了现今重要的研究课题。本文从高清摄像机的伽玛曲线技术调整入手，来研究伽玛曲线对最终画面的作用及其影响，以便于相关技术人员更合理的用好伽玛曲线技术。

1 伽玛曲线介绍

最早引入伽玛（GAMMA）的概念，是因为显像管或者人眼对亮度的响应曲线是非线性的。也就是说当显像管或者人眼要对摄像机的感知的曝光量提高一档，可能需要增加一倍的入射光，即其亮度与输入电压是非线性的，摄像机的伽玛纠正电路就是对该类非线性进行预纠正。比如显像管的电-光转换特性的伽玛值约为2.8，要使电视系统保持线性，即使显像管显示的图像亮度和拍摄景物的亮度呈线性关系，摄像机中的伽玛纠正电路的伽玛值就应为1/2.8=0.35，但由于显像管内外杂散光的影响，重现图像的对比度和饱和度均有所降低，所以现在的彩色摄像机的伽玛值仍多采用0.45（图1）。尽管如今显像管的显示器已逐渐被LCD/LED电视所替代，但伽玛电路仍然被LCD/LED电视所重视并使用，它可以将清晰度、对比度提高到较高的水平。

图1 基础GAMMA校正与伽玛响应曲线

如今，摄像机的伽玛值已经不再单纯是为了对电-光转换特性的非线性进行预纠正。在现今高清电视制作中，伽玛值调整的另一个目的可以是结合不同的拍摄场景，利用高清摄像机精密先进的数字处理电路，技术人员选择相应的伽玛曲线并进行精确分段调整，以实现在不同环境下不同的细节曝光意图，以达到控制高清画面的影调层次和清晰度的目的要求。

2 伽玛曲线调整

以汤姆逊LDK8000高清摄像机为例，对其内部预设的四类伽玛曲线进行研究。选取灯光均匀（3200K）的演播室作为测试地点，借助灰度卡，并使用泰克WFM7120高清示波器，分析这四类伽玛曲线在拍摄不同场景下对最终画面细节层次的影响。

图2是ARD、BBC04、BBC05、BBC06这四类伽玛曲线的波形。可以看出ARD和BBC05在低照度情况下（100mv-200mv）的处理略有不同，其他区域的处理方式几乎一样，而BBC04、BBC06在整个亮度范围内的处理方式都不同。下面我将依次进行对比研究。

由于图2无法直观的得知各类伽玛曲线的具体处理方法，我们借助灰度卡来对这四类曲线进行进一步的研究。图3是ARD、BBC05拍摄灰度卡的亮度波形图，可以看到这两类曲线对整个亮度区域的都处理非常平衡，中灰部都恰好落在了350mv区域，上下两部分的处理也很均衡。结合图2，这两类伽玛曲线的区别只是在100mv-200mv区域的处理方式，BBC05提高了该区域的亮度从而增加细节。在高清节目制作中，这两类曲线适合拍摄亮度相对均匀的物体，拍摄的画面可以很好的还原出物体本身的细节。

图2 LDK8000内部预设的四类伽玛曲线波形

图3 ARD、BBC05在拍摄灰度卡的亮度波形图对比

BBC04、BBC06这两类曲线的亮度波形图如图4所示。BBC04扩展了亮度区域，中灰部被压到300mv左右，所以在高照度的场景下拍摄，使用BBC04可以更好的还原亮部细节，适合拍摄天空、高照明的场景。而与之相比较的就是BBC06，它将中灰部提到400mv左右，压缩了亮部区域，适合在低照度环境下拍摄或者有大范围暗部的场景，有利于暗部区域更好的展现细节和还原色彩。

图4 BBC04、BBC06在拍摄灰度卡的亮度波形图对比

通过上述的实验可知，LDK8000预设的几类伽玛曲线会影响到图像亮度的细节。除了预设的伽玛曲线功能，LDK8000还允许用户进入二级菜单调整伽玛曲线的各类参数，如总伽玛（MASTER GAMMA）、RGB伽玛（RGB GAMMA）和黑伽玛（BLACK GAMMA）。

从LDK8000的伽玛调整菜单中可以看到，不论选择何种伽玛曲线，总伽玛、RGB伽玛的值都为相对值76。图5是B与R伽玛值为0时的亮度波形图，RGB伽玛值可以让用户分别调整红绿蓝三个通道的伽玛值，调整R和B会影响画面中不同亮度区域的颜色平衡，而调整G通道的伽玛既会影响画面的颜色平衡，也对整体的明暗表现有显著影响，因为绿色在RGB三个颜色中对亮度的贡献最大。

在调整总伽玛（MASTERGAMMA）时，RGB伽玛也会随之一起改变。其实，Master是大师的意思，也就是说，如果我们对伽玛曲线的认识和理解达到了大师的水平，那么可以调整这个值来设置伽玛，而不是仅仅在几类预设的伽玛曲线之间选择。而黑伽玛值会影响伽玛曲线暗部曲线的斜度，微调画面的暗部细节，在特殊的拍摄要求下，可以进行适当的调整。

图5 调整B与R伽玛值的波形图

3 总结

由于人眼对彩色细节的分辨力低于对黑白细节的分辨力，彩色电视系统在传送彩色图像时，为了减少带宽，一般细节部分只传送黑白信息（即亮度信息），这就是大面积着色原理。高清摄像机因其本身的优势，对色彩与细节的还原要求更高，在拍摄时就需要技术人员对高清摄像机参数进行更好的调校。

伽玛曲线的调整主要影响的是画面的亮度信息，不同的伽玛曲线对图像的暗部、灰部和亮部有着不同的处理方式。并没有伽玛曲线的好坏之分，而只有选择的是否合适之说，因此在高清电视节目制作过程中，伽玛曲线的选择环节就尤为重要。技术人员要熟悉摄像机预设的几类伽玛曲线的特性与工作方式，结合不同场景、光线以及导演的要求来进行精确调整，获得更多细节、更真色彩的高清电视画面。