감마 보정

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1. 개요
2. 용어
3. 감마 보정의 역사
4. 감마 보정의 목적
5. 감마 보정에 대한 오해
6. 일반화된 감마 (Generalized gamma)
7. 사진 필름에서의 감마
8. 표준 감마
- 8.1. 아날로그 TV
- 8.2. 컴퓨터 디스플레이
9. 감마 메타 정보
10. 비디오 디스플레이를 위한 멱함수 (Power law for video display)
11. 컴퓨팅에서 디스플레이 감마 보정을 수행하는 방법
12. 간단한 모니터 테스트
13. 스케일링 및 블렌딩
14. 용어 (Terminology)
참조

1. 개요

감마 보정은 영상의 밝기, 대비, 색 재현 등을 조절하기 위해 사용되는 비선형 변환 기술이다. 감마 값(γ)에 따라 특성이 결정되며, 입력 전압과 보정된 전압 사이의 멱법칙 관계를 통해 표현된다. 이는 인간 시각의 비선형성에 맞춰 제한된 정보량 내에서 최적의 화질을 구현하기 위한 것으로, 디지털 카메라, CRT 모니터 등 다양한 분야에서 활용된다. 표준 감마 값은 컴퓨터 디스플레이에서 2.2, 아날로그 TV에서 규격에 따라 2.2 또는 2.8로 사용된다. 감마 보정은 이미지 파일의 메타데이터, 렌더링 소프트웨어, 디스플레이 어댑터의 하드웨어 보정을 통해 이루어지며, 스케일링 및 블렌딩과 같은 연산에도 영향을 미친다.

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감마 보정
개요
이름	감마 보정
정의	휘도 또는 삼자극치와 같은 영상의 광도와 디지털 코드 값 사이의 관계를 조정하는 비선형 연산
목적	인간의 시각적 인식이 빛과 색에 반응하는 방식에 더 잘 맞도록 영상의 휘도 또는 삼자극치와 디지털 코드 값 사이의 관계를 최적화
적용 분야	사진 비디오 컴퓨터 그래픽스 모니터 텔레비전
기술적 세부 사항
수식	V_out = A * V_in ^ γ
설명	V_in: 입력 전압 (0과 1 사이) V_out: 출력 전압 (0과 1 사이) A: 최대값 (보통 1) γ: 감마 값
감마 값	일반적으로 0.45 (인코딩) 또는 2.2 (디코딩) 사용
감마 인코딩	텔레비전 카메라에서 캡처한 선형 광을 비선형 신호로 변환하는 데 사용
감마 디코딩	디스플레이에서 비선형 신호를 선형 광으로 변환하는 데 사용
역사
배경	초기 텔레비전 기술의 특성 보정에서 유래
필요성	카메라와 디스플레이 장치의 비선형성 보정 인간 시각 시스템의 비선형적 밝기 인지 특성 반영
초기 텔레비전	CRT(음극선관) 디스플레이의 발광 특성에 대한 보정 필요
시각적 효과
중간톤 범위	감마 보정은 이미지의 중간톤 범위에 가장 큰 영향을 미침
감마 값 > 1	이미지를 어둡게 하고 대비를 증가시킴
감마 값 < 1	이미지를 밝게 하고 대비를 감소시킴
표준
sRGB	감마 값 2.2에 가까운 비선형 감마 커브 사용
NTSC	원래 감마 값 2.2 사용
PAL/SECAM	감마 값 2.8 사용
응용
디스플레이 장치	모니터, 텔레비전 등의 디스플레이 장치의 색상 정확도 향상
이미지 처리	이미지 편집 소프트웨어 비디오 게임 렌더링
효과	이미지 품질 향상 색상 정확도 개선 시각적 경험 최적화
추가 정보
주의사항	부적절한 감마 보정은 색상 왜곡이나 디테일 손실을 초래할 수 있음

2. 용어

일반적으로 '감마 보정'(gamma correction)이라는 용어가 널리 쓰이지만, 영상 데이터 처리 단계에 따라 '감마 부호화'(gamma encoding)라는 표현도 사용된다.^[1] 감마 보정은 감마(γ, gamma) 값에 따라 특성이 결정되는 비선형 전달 함수를 통해 이루어진다.

: $V_{\rm C} \sim V_{\rm S}{}^{(1/\gamma)}$

여기서 ''V''_C는 보정된 전압이고, ''V''_S는 입력 전압이다.

이처럼 신호를 비선형적으로 변형하여 부호화하는 것을 비선형 부호화(nonlinear coding)라고 한다.

3. 감마 보정의 역사

감마 보정은 음극선관(CRT)의 비선형적인 출력 특성을 보정하기 위해 도입되었다고 알려져 있지만, 실제로는 인간 시각의 비선형성에 맞춰 정보를 부호화하기 위한 것이므로, 감마 부호화(gamma encoding)라는 표현이 더 적합하다.^[1] 인간은 명암 대비에 민감하며, 이는 밝기 인지에 대한 스티븐스 거듭제곱 법칙과 일치한다.

디스플레이 장치의 발전에 따라, 감마 부호화는 영상 시스템의 활용성을 높이고 데이터를 효율적으로 압축하는 방향으로 발전해왔다. 이미지의 감마 인코딩은 인간의 비선형적인 빛과 색 인지 방식을 활용하여 이미지 인코딩 시 비트 사용을 최적화하거나 이미지 전송 대역폭을 최적화하는 데 사용된다.^[1]

감마 인코딩은 원래 음극선관 (CRT) 디스플레이의 밝기 특성을 보상하기 위해 개발되었지만, 현대 시스템에서는 이것이 주요 목적이나 장점이 아니다. CRT 디스플레이에서 빛의 강도는 전자총 전압에 따라 비선형적으로 변한다. 감마 압축으로 입력 신호를 변경하면 이러한 비선형성을 상쇄할 수 있다. 그러나 디스플레이 장치의 감마 특성은 이미지 및 비디오의 감마 인코딩에 영향을 미치지 않으며, 신호의 시각적 품질을 극대화하기 위해 감마 인코딩이 필요하다.^[1]^[3] 초기 텔레비전 세트에서 감마 인코딩의 역함수와 CRT 물리 현상의 유사성은 우연과 엔지니어링의 조합으로, 전자 장치를 단순화하는 결과를 가져왔다.^[5]

사진 필름은 사진 인화지에 재현할 수 있는 것보다 미묘한 음영 차이를 기록하는 능력이 훨씬 더 뛰어나다. 마찬가지로 대부분의 비디오 화면은 일반적인 전자 카메라로 캡처할 수 있는 밝기 범위(동적 범위)를 표시할 수 없다.^[6] 이러한 이유로 원본 이미지를 제시해야 하는 축소된 형태를 선택하는 데 상당한 예술적 노력이 투입된다. 감마 보정 또는 대비 선택은 재현된 이미지를 조정하는 데 사용되는 사진 레퍼토리의 일부이다.

디지털 카메라는 일반적으로 선형적으로 반응하는 전자 센서를 사용하여 빛을 기록한다. 선형 원시 데이터를 기존의 RGB 데이터(예: JPEG 이미지 형식)로 렌더링하는 과정에서 색상 공간 변환 및 렌더링 변환이 수행된다. 거의 모든 표준 RGB 색상 공간 및 파일 형식은 사진 재현의 기본 색상의 의도된 강도에 대한 비선형 인코딩(감마 압축)을 사용한다.

4. 감마 보정의 목적

인간의 시각은 베버의 법칙에 따라 밝기에 대해 비선형적으로 반응한다. (청각 등 다른 감각들도 자극에 대해 비선형적으로 반응한다.) 예를 들어 채널 당 8 bit와 같이 한정된 정보표현량(bit depth) 안에서 빛의 밝기를 선형적으로 기록하면, 사람이 민감하게 반응하는 어두운 부분은 밝기 변화가 부드럽게 느껴지지 않고 단절되어 보이는 현상(posterization)이 발생한다. 따라서 주어진 정보표현량 한계 안에서 최적의 화질을 위해서는 비선형적으로 부호화하여 어두운 부분을 더 자세히 기록할 필요가 있다. (예: Rec. 709 transfer function과 같은 비선형 함수 사용)^[1]

디지털 카메라는 내부에 저장된 데이터를 JPEG, TIFF 형식으로 저장하는 과정에서 감마 보정을 한다. 디지털 카메라에서 지원하는 대부분의 RAW 그래픽 파일 포맷은 감마 보정이 적용되지 않은 데이터이다. 하지만 니콘의 압축형 NEF (compressed NEF)는 색 깊이를 9.4 비트로 줄이는 양자화 과정에서 감마 곡선과 유사한 비선형 곡선(전달 함수)을 사용한다.

일반적인 조명 조건(너무 어둡지도, 눈부시게 밝지도 않은)에서 인간의 밝기(명도) 인지는 대략적인 거듭제곱 함수(감마 함수와는 관련 없음)를 따르며, 밝은 톤보다 어두운 톤 사이의 상대적 차이에 더 민감하다. 이는 밝기 인지에 대한 스티븐스 거듭제곱 법칙과 일치한다. 이미지가 감마 인코딩되지 않으면 인간이 구별하기 어려운 밝은 부분에 너무 많은 비트나 대역폭이 할당되고, 인간이 민감하게 느끼며 동일한 시각적 품질을 유지하기 위해 더 많은 비트/대역폭이 필요한 그림자 값에는 너무 적은 비트나 대역폭이 할당된다.^[2]^[1]^[3]

사진 필름은 사진 인화지에 재현할 수 있는 것보다 미묘한 음영 차이를 기록하는 능력이 훨씬 뛰어나다. 마찬가지로 대부분의 비디오 화면은 일반적인 전자 카메라로 캡처할 수 있는 밝기 범위(동적 범위)를 표시할 수 없다.^[6] 이러한 이유로 원본 이미지를 제시해야 하는 축소된 형태를 선택하는 데 상당한 예술적 노력이 투입된다. 감마 보정 또는 대비 선택은 재현된 이미지를 조정하는 데 사용되는 사진 레퍼토리의 일부이다.

디지털 카메라는 일반적으로 선형적으로 반응하는 전자 센서를 사용하여 빛을 기록한다. 선형 원시 데이터를 기존의 RGB 데이터(예: JPEG 이미지 형식으로 저장)로 렌더링하는 과정에서 색상 공간 변환 및 렌더링 변환이 수행된다. 특히 거의 모든 표준 RGB 색상 공간 및 파일 형식은 사진 재현의 기본 색상의 의도된 강도에 대한 비선형 인코딩(감마 압축)을 사용한다. 또한 의도된 재현은 거의 항상 톤 재현 비선형성을 통해 측정된 장면 강도와 비선형적으로 관련된다.

5. 감마 보정에 대한 오해

감마 보정은 CRT의 비선형성만을 보정하기 위한 것이라는 오해가 있다. CRT의 비선형성은 감마 보정의 주된 이유가 아니다. 감마 보정을 통해 비선형적으로 부호화하는 주된 이유는 인간 시각의 비선형성에 대응하여, 주어진 정보표현량(bit depth) 하에서 최대한 좋은 화질을 보여주기 위해서이다.^[1]

영상 데이터를 선형 부호화로 저장하는 것이 이상적이라는 오해도 있지만, 선형 부호화는 영상 데이터에 효율적이지 않다. 선형 부호화를 사용하여 영상 데이터를 고화질로 저장하기 위해서는 각 성분(R,G,B 혹은 Y,Cb,Cr)마다 11 비트 이상이 필요하다. 11비트보다 적은 비트를 사용할 경우 양자화 과정에서 밝기 차이가 부드럽게 표현되지 않고 계단 현상처럼 보이는 포스터리제이션(posterization)이 발생한다. 반면, 비선형 부호화(감마 보정)를 사용하면 8비트로도 가능하다.^[1]

감마 인코딩은 원래 음극선관 (CRT) 디스플레이의 밝기 특성을 보상하기 위해 개발되었지만, 현대 시스템에서 이것이 주요 목적은 아니다. CRT 디스플레이에서 빛의 강도는 전자총 전압에 따라 비선형적으로 변한다. 감마 압축으로 입력 신호를 변경하면 이 비선형성을 상쇄하여 출력 그림이 의도된 휘도를 갖도록 할 수 있다. 그러나 디스플레이 장치의 감마 특성은 이미지 및 비디오의 감마 인코딩에 영향을 미치지 않으며, 신호의 시각적 품질을 극대화하기 위해 감마 인코딩이 필요하다.^[1]^[3]

6. 일반화된 감마 (Generalized gamma)

감마 개념은 멱법칙 관계뿐만 아니라 모든 비선형 관계에 적용할 수 있다. 로그-로그 플롯에서 곡선의 기울기를 통해 감마를 시각화할 수 있으며, 이는 특정 영역에서 곡선의 기울기로 정의되는 "점 감마"^[7] 개념으로 확장될 수 있다.

멱법칙 관계 $V_\text{out} = V_\text{in}^\gamma$ 의 경우, 로그-로그 플롯에서 곡선은 직선이며, 기울기는 감마와 같다(여기서 기울기는 도함수 연산자로 표시된다).

: $\gamma = \frac{\mathrm{d} \log(V_\text{out})}{\mathrm{d} \log(V_\text{in})}.$

즉, 감마는 로그 축에 플롯된 입력-출력 곡선의 기울기로 시각화할 수 있다. 멱법칙 곡선의 경우 이 기울기는 일정하지만, 이는 모든 유형의 곡선으로 확장될 수 있다. 이때 감마는 특정 영역에서 곡선의 기울기로 정의된다.^[46]

7. 사진 필름에서의 감마

사진 필름이 빛에 노출되면, 노출 결과는 가로축에 노출의 로그값, 세로축에 밀도 또는 투과율의 음의 로그를 표시하는 그래프로 나타낼 수 있다. 특정 필름 제형 및 현상 방법에 대해 이 곡선은 특성 또는 허터-드리필드 곡선이다.^[8]^[9] 두 축 모두 로그 단위를 사용하므로 곡선의 선형 구간 기울기를 필름의 감마라고 한다. 네거티브 필름은 일반적으로 감마가 1보다 작고,^[9]^[10] 포지티브 필름(슬라이드 필름, 반전 필름)은 일반적으로 절대값이 1보다 큰 감마를 갖는다.^[11]

8. 표준 감마

대부분의 컴퓨터 디스플레이 시스템에서는 이미지가 약 0.45의 감마로 부호화되고, 역수인 2.2의 감마로 복호화된다. Macintosh 컴퓨터는 예외였는데, Mac OS X 10.6 (Snow Leopard)가 출시되기 전까지 0.55의 감마로 부호화되고, 1.8의 감마로 복호화했다. 정지 화상 파일(JPEG 등)이나 동영상 파일(MPEG 등)의 이진 데이터는 명시적으로 부호화된다(선형 강도가 아닌, 감마 부호화된 값을 가진다). 시스템은 출력 장치의 감마와 더 잘 일치해야 하는 경우 색상 관리 시스템을 통해 선택적으로 추가 관리를 할 수 있다.

대부분의 카메라, PC 및 프린터에서 사용되는 sRGB color space^영어 규격은 단순한 지수 법칙의 비선형성을 채용하지 않지만,

sRGB의 표준 감마 전개의 비선형성을 빨간색으로 표시하고, 그 국소 감마(대수-대수 공간에서의 기울기)를 파란색으로 표시한다. 국소 감마는 1에서 2.2로 상승한다.

대부분의 범위에서 2.2에 가까운 복호화용 감마 값을 가진다. 0.04045의 압축 값 또는 0.00313의 선형 광 강도 미만에서는 곡선이 선형(광 강도에 비례하는 부호 값)이 되므로, 이 부분에서는 이 된다. 빨간 곡선 뒤의 검은 파선은 비교를 위한 표준 의 지수 법칙 곡선이다.

CRT를 기반으로 한 텔레비전 수신기 및 모니터는 전송 또는 저장되는 이미지 파일에 감마 압축이 적용되어 있으므로 일반적으로 추가적인 감마 보정은 필요하지 않다. 텔레비전 신호의 경우, 실제 감마 값은 비디오 규격(NTSC, PAL, SECAM)에 의해 정의되며, 항상 고정된 알려진 값이다.

컴퓨터에서의 감마 보정은 이미지의 감마를 변환하여 γ = 1.8인 애플 이미지를 γ = 2.2의 PC 모니터에서 올바르게 표시하는 데 사용된다. 또한, 모니터의 편차를 보정하기 위해 개별 색상 채널의 감마를 균등하게 하는 데 사용된다.

8. 1. 아날로그 TV

CRT 기반 텔레비전 수신기 및 모니터로의 출력은 일반적으로 추가적인 감마 보정이 필요하지 않다. 전송되거나 이미지 파일에 저장되는 표준 비디오 신호는 CRT의 감마 확장과 일치하는 감마 압축을 통합한다(정확한 역수는 아니지만).

텔레비전 신호의 경우 감마 값은 고정되어 있으며 아날로그 비디오 표준에 의해 정의된다. CCIR 시스템 M 및 N(NTSC 색상 관련)은 감마 2.2를 사용한다. B/G, H, I, D/K, K1, L 및 PAL 또는 SECAM 색상 관련 M 시스템은 감마 2.8을 사용한다.

8. 2. 컴퓨터 디스플레이

대부분의 컴퓨터 디스플레이 시스템에서 이미지는 약 0.45의 감마로 인코딩되고 2.2의 역 감마로 디코딩된다. 2009년 9월 Mac OS X 10.6 (Snow Leopard) 출시 이전의 Macintosh 컴퓨터는 예외적으로 0.55의 감마로 인코딩하고 1.8의 감마로 디코딩했다. 정지 이미지 파일(JPEG 등)과 동영상 파일(MPEG 등)의 이진 데이터는 명시적으로 감마 인코딩된 값을 전달한다. 시스템은 색상 관리를 통해 출력 장치 감마에 더 잘 맞도록 추가 관리를 할 수 있다.

대부분의 카메라, PC 및 프린터에서 사용되는 sRGB 색상 공간 표준은 단순한 거듭제곱 비선형성을 사용하지 않고, 오른쪽 그림과 같이 대부분의 범위에서 2.2에 가까운 디코딩 감마 값을 갖는 비선형 함수를 사용한다. 압축 값 0.04045 또는 선형 강도 0.00313 미만에서는 곡선이 선형이며(인코딩된 값은 강도에 비례), γ = 1이다. 빨간색 곡선 뒤의 점선 검은색 곡선은 표준 γ = 2.2 거듭제곱 곡선이다.

컴퓨터의 감마 보정은 예를 들어, 감마 = 1.8인 애플 그림을 이미지 감마를 변경하여 감마 = 2.2인 PC 모니터에 올바르게 표시하는 데 사용된다. 또한, 모니터 불일치를 수정하기 위해 개별 색상 채널 감마를 동일하게 하는 데 사용된다.

9. 감마 메타 정보

일부 그림 형식은 이미지의 의도된 감마(인코딩된 이미지 샘플과 빛 출력 간의 변환)를 메타데이터로 저장하여 자동 감마 보정을 용이하게 할 수 있다. PNG 규격은 이 목적을 위해 gAMA 청크를 포함하고^[14], JPEG 및 TIFF와 같은 형식에서는 Exif 감마 태그를 사용할 수 있다. 일부 형식은 전송 함수를 포함하는 ICC 프로파일을 지정할 수 있다.

이러한 기능은 특히 웹에서 역사적으로 문제를 일으켰다. HTML 및 CSS 색상, 그리고 첨부된 색상 프로파일 메타데이터가 없는 JPG 또는 GIF 이미지의 경우, 인기 있는 브라우저는 색상 관리 없이 수치 색상 값을 디스플레이에 전달하여 장치 간에 상당히 다른 모양을 보였다. 그러나 이러한 브라우저는 메타데이터에 명시적으로 설정된 감마가 있는 이미지를 색상 관리를 통해 전송하고, 메타데이터가 생략된 PNG 이미지에도 기본 감마를 적용했다. 이로 인해 PNG 이미지가 모든 장치에서 HTML 또는 태그가 없는 JPG 색상과 동시에 일치하는 것이 불가능했다.^[15] 이러한 상황은 구글 크롬(및 다른 모든 크로미움 기반 브라우저) 및 모질라 파이어폭스가 감마 관련 메타데이터를 제대로 처리할 수 있게 되면서 개선되었다.^[16]^[17]

10. 비디오 디스플레이를 위한 멱함수 (Power law for video display)

'''감마 특성'''은 텔레비전 시스템에서 인코딩된 루마와 실제 원하는 이미지 밝기 사이의 관계를 근사하는 멱법칙 관계이다.^[18] 이 비선형 관계에서 부호화된 휘도의 등간격 단계는 주관적으로 거의 동일한 밝기 단계에 해당한다.

다음 그림은 선형으로 증가하는 부호화된 휘도 신호를 사용하는 스케일(선형 감마 압축 휘도 입력)과 선형으로 증가하는 광 강도를 사용하는 스케일(선형 휘도 출력)의 차이를 보여준다.

Linear encoding	V_S =	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

대부분의 디스플레이(감마가 약 2.2)에서는 선형 강도 스케일에서 강도 값 0.0과 0.1 사이에서 인지되는 밝기가 크게 증가하지만 스케일의 상한선에서는 거의 인지되지 않는다. 비선형적으로 강도가 증가하는 감마 부호화 스케일에서는 인지되는 밝기 단계가 훨씬 더 균일해진다.

예를 들어, 음극선관(CRT)에서는 인가된 비디오 전압에 대한 전자총의 강도(밝기)가 비선형 함수이므로 비디오 신호를 비선형적으로 빛으로 변환한다. 광 강도 ''I''와 공급된 전압 ''V''_s의 관계는

: $I \propto V_\text{s}^\gamma,$

가 된다. 여기서 ''γ''는 그리스 문자의 감마이다. CRT의 경우 밝기와 전압의 관계를 나타내는 감마는 일반적으로 2.35~2.55 범위이며, 컴퓨터 비디오 룩업 테이블은 일반적으로 시스템 감마를 1.8~2.2 범위로 조정한다.^[41]

단순화를 위해 흑백 CRT를 예로 든다. 이 경우, 0.5의 비디오 신호(중간 회색)가 디스플레이에 공급되면 강도(밝기)는 0.22(중간 회색, 흰색의 22% 강도)가 된다. 순수한 검정(0.0)과 순수한 흰색(1.0)은 감마의 영향을 받지 않는 단 두 가지 색상이다.

이 영향을 보상하기 위해 역 전달 함수(감마 보정)가 비디오 신호에 적용될 수 있으며, 이 경우 엔드 투 엔드(광 입력에서 광 출력) 응답은 선형이 된다. 즉, 전송되는 신호는 왜곡되어 표시 장치에서 다시 왜곡됨으로써 시청자는 올바른 밝기로 볼 수 있다. 위의 함수의 역함수는

: $V_\text{c} \propto V_\text{s}^{1/\gamma},$

이며, 여기서 ''V''_c는 보정된 전압, ''V''_s는 광 전하를 선형적으로 전압으로 변환하는 이미지 센서에서 공급된 전압이다. CRT의 예에서는 1/''γ''는 1/2.2 ≈ 0.45가 된다.

컬러 CRT는 3계통의 비디오 신호(적색, 녹색, 청색)를 받아들이고 일반적으로 각 색상별로 감마 값 ''γ_R'', ''γ_G'', ''γ_B''을 가진다. 그러나 간단한 디스플레이 시스템에서는 3색에 동일한 ''γ'' 값이 사용된다.

다른 표시 장치의 감마 값은 다르며, 예를 들어 게임보이 어드밴스의 디스플레이는 조명 상태에 따라 변화하는 3~4 감마 값을 가진다. 노트북 PC 등의 액정 디스플레이에서는 신호 전압 ''V''_s와 강도 ''I''의 관계는 매우 비선형이므로 감마 값으로는 설명할 수 없다. 그러나 이러한 디스플레이 장치에서는 표준 감마값 2.5로 동작하기 위해 신호 전압을 보정하고 있다. NTSC 텔레비전 녹화에서는 감마값이 2.2이다.

멱함수 또는 그 역수는 0에서 무한대의 기울기를 갖는다. 이는 감마 색 공간으로의 변환 및 역변환에서 문제를 야기한다. 이 때문에 sRGB와 같은 대부분의 공식적으로 정의된 색 공간에서는 0 근방에서 선형 부분을 정의하고, (''K''는 상수)를 멱승하여 곡선의 기울기를 연속적으로 한다.

11. 컴퓨팅에서 디스플레이 감마 보정을 수행하는 방법

이미지 파일의 픽셀 강도 값 조정, 렌더링 소프트웨어의 감마 인코딩, 디스플레이 어댑터의 보정 CLUT 사용, 모니터 자체의 감마 조작 등 여러 방법을 통해 감마 보정을 수행할 수 있다.

픽셀 강도 값 조정: 이미지 파일 내의 픽셀 강도 값(바이너리 픽셀 값)은 선형 인코딩 대신 감마 압축된 값을 사용하여 빛의 강도를 나타낸다. DVD 비디오와 같은 디지털 비디오 파일은 감마 디코딩 단계를 최소화하고 화질을 최대화하기 위해 이 방식을 사용한다. 표준 이미지 파일 형식의 픽셀 값은 일반적으로 sRGB 감마 또는 ICC 프로파일과 같은 메타데이터에 지정된 감마에 따라 감마 보정된다. 인코딩 감마가 재생 시스템의 감마와 일치하지 않으면 추가 보정이 수행될 수 있다.
렌더링 소프트웨어의 감마 인코딩: 렌더링 소프트웨어는 감마 인코딩된 픽셀의 바이너리 값을 비디오 메모리(15비트 하이 컬러/24비트 트루 컬러 모드 사용 시) 또는 비디오 카드의 CLUT 레지스터(인덱스 컬러 모드 사용 시)에 직접 쓴다. 이 값들은 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 구동하여 디스플레이에 비례적인 전압을 출력한다. 예를 들어, 24비트 RGB 컬러(채널당 8비트)에서 128(8비트 0-255의 중간값)을 비디오 메모리에 쓰면 약 0.5의 비례 전압이 출력되지만, 모니터의 작동으로 인해 어둡게 표시된다. 약 50% 광 강도를 얻으려면 감마 인코딩된 룩업 테이블을 적용하여 187 근처의 값을 쓸 수 있다.
디스플레이 어댑터의 보정 CLUT 사용: 최신 비디오 카드에는 전용 보정 CLUT가 있어, DAC가 모니터에 전압을 출력하기 전에 인코딩된 신호를 디지털 방식으로 수정하는 감마 보정 룩업 테이블을 로드할 수 있다.^[19] 이러한 테이블을 올바르게 설정하는 것을 "하드웨어 보정"이라고 한다.^[20]
모니터 자체의 감마 조작: 일부 최신 모니터는 사용자가 감마 동작을 조작할 수 있게 하여(밝기/대비 설정처럼), 입력 신호를 표시하기 전에 자체적으로 보정한다. 이는 "하드웨어 보정" 기술이지만, 디지털 값이 아닌 아날로그 신호에서 수행된다.

올바르게 보정된 시스템에서는 각 구성 요소가 입력 및/또는 출력에 대해 지정된 감마를 갖는다.^[20] 각 단계에서 감마를 변경하여 요구 사항을 수정할 수 있으며, 출력 장치는 필요에 따라 감마 디코딩 또는 보정을 수행하여 선형 광 강도 영역에 도달한다.

12. 간단한 모니터 테스트

이 절차는 프로필이 사용되지 않는 시스템(예: 버전 3.0 이전의 Firefox 브라우저 등)이나, 태그가 없는 원본 이미지가 sRGB 색 공간에 있다고 가정하는 시스템에서 모니터에 이미지를 거의 정확하게 표시하는 데 유효하다.

테스트 패턴에서 각 단색 막대의 강도는 주변의 줄무늬 디더링의 평균 강도가 되도록 의도되었으며, 이상적으로 지정된 감마에 올바르게 조정된 시스템에서는 단색 부분과 줄무늬 부분이 동일한 밝기로 표시되어야 한다.

일반적으로 비디오 카드는 [대비] 및 [밝기] 제어를 제공하며, Transflective liquid-crystal display|반투과형 액정 디스플레이^영어는 대비, 밝기 외에도 백라이트 제어를 제공한다. 비디오 카드와 모니터의 밝기 및 대비는 유효한 감마에 영향을 미치므로, 감마 보정이 완료된 후에는 변경해서는 안 된다.

테스트 이미지의 상단 두 개의 막대는 대비와 밝기를 올바르게 설정하는 데 사용된다. 각각 8개의 3자리 숫자가 표시된다. 적절하게 보정된 좋은 모니터에서는 두 막대 모두 오른쪽에서 6개의 숫자가 표시되지만, 저렴한 모니터에서는 4개의 숫자만 표시된다.

RGB 색상 영역에서 숫자가 적힌 단색 부분과 주변의 체커보드 패턴 부분의 밝기가 동일하게 보이면, 해당 숫자의 감마 값으로 거의 올바르게 감마 보정이 수행된 것이다.^[21]^[22]^[23] 대부분의 경우, 각 색상의 감마 보정 값은 약간 다르다.

색온도 또는 백색점 설정은 모니터 조정의 다음 단계이다.

감마 보정을 수행하기 전에 모니터의 제어 기능을 사용하여 원하는 감마와 색온도를 설정해야 한다. 감마, 대비 및 밝기 제어 기능을 사용하여 액정 디스플레이의 감마 보정은 특정 수직 시야각, 즉 모니터의 특정 방향의 수평선, 특정 밝기 및 대비 수준에서만 수행할 수 있다. ICC 프로필을 사용하면 모니터를 여러 휘도 레벨로 조정할 수 있다. 모니터의 품질(및 가격)에 따라 이 조작점에서 얼마나 벗어나도 만족스러운 감마 보정을 할 수 있는지 결정된다. 원색당 6비트의 색 심도를 갖는 트위스티드 네마틱(TN) 디스플레이가 가장 품질이 낮다. 일반적으로 8비트의 색 심도를 갖춘 IPS 방식 디스플레이가 더 우수하다. 우수한 모니터는 10비트의 색 심도를 가지며, 하드웨어로 컬러 매니지먼트를 지원하고, 삼자극치 측색계에 의한 하드웨어 보정이 가능하다. FRC는 추가 비트의 진정한 대체가 아니기에, 대부분의 경우 6비트+Frame rate control|프레임 속도 제어|FRC^영어 패널은 8비트로, 8비트+FRC 패널은 10비트로 판매된다. 24비트 및 32비트 색 심도 형식은 각 색상당 8비트이다.

마이크로소프트 윈도우 7 이후 버전에서는, 디스플레이 컬러 캘리브레이션 도구 dccw.exe 및 기타 프로그램을 사용하여 감마 보정을 설정할 수 있다.^[24]^[25]^[26] 이러한 프로그램은 ICC 프로필 파일을 생성하고, 이를 기본적으로 읽어들인다. 이를 통해 컬러 매니지먼트가 용이해진다.^[27] dccw 프로그램의 감마 슬라이더를, 마지막 색상 영역(대부분의 경우 녹색)이, 체커보드 패턴 부분과, 단색 부분에서 동일한 밝기가 될 때까지 증가시킨다. 다른 두 색상을 조정하려면, 감마 보정 프로그램의 컬러 밸런스 또는 각 색상의 감마 보정 슬라이더를 사용한다. 구형 비디오 카드 드라이버 중에는, 대기 모드나 최대 절전 모드에서 복귀할 때, 컬러 룩업 테이블을 올바르게 읽어들이지 못하여, 잘못된 감마로 표시하는 경우가 있다. 이러한 경우에는 비디오 카드 드라이버를 업데이트해야 한다.

X 윈도 시스템이 동작하는 일부 OS에서는, 감마 보정 계수를 0.9로 설정하는 명령 xgamma -gamma 0.9나, 감마 보정 계수의 현재 값(기본값은 1.0)을 확인하는 명령 xgamma를 실행하여 감마 보정 계수를 설정할 수 있다(기존 감마 값에 적용됨). macOS 시스템에서는, 감마 보정 및 기타 화면 조정은 시스템 환경 설정에서 수행된다.

13. 스케일링 및 블렌딩

픽셀 값 연산은 일반적으로 선형 공간에서 수행되어야 하지만, 많은 프로그램들이 감마가 있는 색 공간에서 스케일링을 수행하는 문제가 있다. 에릭 브라쇠르는 이 문제를 자세히 논하고 테스트 이미지를 제공했다.^[28] 요나스 베를린은 이 원리를 기반으로 "당신의 스케일링 소프트웨어는 엉망이다/최고다" 이미지를 만들었다.^[29]

이 문제는 스케일링 외에도 다운샘플링(축소), JPEG의 감마 지원 Y′CbCr에서의 색상 서브샘플링,^[30] 알파 합성, 색상 그라데이션, 3D 렌더링 등에도 영향을 미친다.^[32]^[33] WebP는 선형 공간에서 색상 평균을 계산한 다음 감마 지원 공간으로 다시 변환하여 이 문제를 해결하며, 더 큰 이미지에는 반복적인 솔루션을 사용한다. sjpeg와 선택적으로 AVIF에는 ''샤프 YUV'' 코드가 사용된다. 코르넬스키는 휘도 기반 가중 평균으로 더 간단한 근사치를 제공한다.^[31]

미첼-네트라발리 및 란초스와 같은 음의 로브를 가진 리샘플링 필터가 선형적으로 링잉 아티팩트를 생성하기 때문에, 이미지를 업샘플링(확대)할 때는 "잘못된" 감마 색 공간에서 처리된 결과가 미학적으로 더 만족스러운 경우가 있다.^[34] 링잉 아티팩트의 가시성을 줄이는 방법으로는 ImageMagick과 GIMP의 LoHalo 필터가 개척하고 madVR, AviSynth 및 Mpv에 의해 비디오 업샘플링에 적용된 시그모이드 광 전송 함수를 사용하는 것이 있다.^[35]^[36]^[37]^[38]^[39]

14. 용어 (Terminology)

"휘도(Luminance)"는 비디오 및 이미징 환경에서 여러 가지 의미를 가질 수 있다.^[40]

''휘도''는 사람 눈의 파장 의존적 민감도(명소시 곡선)를 고려한 객체의 광도(단위: cd/m²)이다.
''상대 휘도''는 색 공간 부호화에 사용되는 흰색 레벨에 대한 휘도이다.
''루마''는 부호화된 비디오 밝기 신호이다.

색상의 의미에서 상대 휘도(감마 압축 없음)는 비디오의 의미에서 루마(감마 압축 있음)와 대조되며, 상대 휘도는 ''Y''로, 루마는 감마 압축을 나타내는 프라임 기호(')를 사용하여 ''Y''′로 표시한다.^[40]

"밝기"는 주관적인 시각적 속성에 적용된다.^[40]

감마 보정은 지수가 그리스 문자 감마(γ)인 일종의 멱법칙 함수이다. 이는 수학적 감마 함수와 혼동해서는 안 된다. 소문자 감마(γ)는 전자의 매개변수이고, 대문자 문자 Γ는 후자의 이름(및 사용되는 기호)이다(Γ(''x'')와 같이).^[40]

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