数字传媒研究·Research
on Digital Media
关于电视电影制作中的伽玛的研究
作者简介：郝旭东
内蒙古广播电视台高级工程师陈
锟
内蒙古广播电视台
工程师
郝旭东1
陈
锟2
1.2.内蒙古广播电视台内蒙古呼和浩特市010050
【摘要】本文对电视电影制作中经常出现的伽马做了详细介绍，解释了伽马的广义内涵。全面揭示
伽马的非线性特，对在制作过程中，如何做到显示伽马和拍摄伽马的匹配做出了说明。 【关键词】伽玛非线性显示伽玛拍摄伽玛【中图分类号】TN948
【文献标识码】B
【文章编号】2096-0751（2021）01-0008-07
1伽玛简介
伽玛（Gamma ）是一个在影视行业经常谈论，但很容易被误解的概念。对影视制作来说伽玛就像空气一样无处不在，但常常被忽略。在电视行业，狭义的伽玛是伽玛校正的简称，是为校正显像管的非线性特性在信号源端对视频信号电平进行的非线性处理；在影视行业，广义的伽玛表示系统的灰度（亮度）特性，即拍摄、制作和显示系统的光-电、电-电、电-光转换特性。伽玛应用 于所有电子影像设备，与分辨率无关。高动态范围（HDR ）技术的发展，使长期以来潜伏在影视制作后台的伽玛走上了前台。
目前最常用的显示伽玛是电视行业的BT.1886和电影行业的DCI （数字影院倡导联盟），
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这两种伽玛都是用于标准动态范围（SDR ）的。BT.1886的伽玛值2.4，峰值亮度100尼特（cd/m2），8-10比特，DCI 的伽玛值2.6，峰值亮度48尼特，12比特。正在迅速发展的高动态范围（HDR ）电视采用感知量化（PQ ）和混合对数（HLG ）两种伽玛，10-12比特，都是ITU-RBT.2100定义的。采用绝对亮度体系的PQ 最高峰值亮度为10000尼特，PQ 达到最高峰值亮度时动态范围10000%。HLG 的动态范围1200%，ITU 建议现阶段制作这两种伽玛的节目时使用峰值亮度1000尼特的HDR 监视器。电影的HDR 目前还没有确定统一的国际标准或
行业标准，两个正在推广的企业标准分别是Dolby Vision 和Eclair Color，Dolby Vision 采用PQ 伽玛，峰值亮度106尼特，Eclair Color 的伽玛值为2.8，峰值亮度103尼特。除了上述几种用于广播、放映和分发的伽玛外，影视制作还使用柯达的Cineon 以及与之类似的多种厂商定义的对数伽玛如Log
C、S-Log3、C-Log、V-Log、RED Log 等，摄影机原始数据RAW 和特技制作交换的OpenEXR 也使用16比特线性伽玛。这些对数和线性伽玛只用于制作流程中的素材记录和文件交换等中间环节，与成品节目无关。
2伽玛的非线性特性的应用
线性，就是信号幅度与表达的模拟量之间呈现等比例的线性关系，其特性为一条直线。非线性，就是信号幅度与模拟量之间的关系为非直线的曲线。线性是最简单、直接、方便的表达方式，例如音频信
号就是线性的。电视的视频信号并没有采用与声音一样简单的线性表达方式，而是采用了非线性。原因很简单，因为显像管的特性是非线性的。2.1伽玛的前世——显像管特性和电视伽玛
图1
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在电视发展的初期，可以大规模商业应用的显示器件只有显像管（CRT），而显像管的原生电-光转换特性（EOTF，Electro-Optical Transfer Func-tion）是非线性的。在拍摄端，摄像机成像器件的原生光-电转换特性（OETF，Opto-Electrical Transfer Function）是线性的。为了正确地再现图像对比度（反差），需要使显示亮度与场景亮度呈现线性的关系。因此，必须在摄像机中对成像器件输出的线性信号进行“灰度预失真”的非线性处理，使其与显像管的灰度失真相反，以补偿显像管的非线性，使场景光与显示光的光-光转换特性（OOTF，Opto-Optical Transfer Function）是线性的，这就是“伽玛校正”。
显像管的输入电平与显示亮度之间呈现非线性的指数关系，这个关系中的指数就是显像管的伽玛（γ），不同显像管的伽玛值并不完全相同，平均值大约为2.2，这就是显示伽玛。从图1可以看到，指数特性的显像管灵敏度与输入电压相关，输入电压越低灵敏度越
低，输入电压越高灵敏度越
高，相同的电压变化，在高电
平时产生的亮度变化比低电平
时大得多。所有成像器件的光-
电转换特性都是线性的，即γ=
1，如果把线性的成像器件输出
信号直接送给γ=2.2的显像管，
包括拍摄和显示在内的系统伽
玛就是γt=1×2.2=2.2。由于显
像管的非线性指数特性，显示
图像的暗部层次会被压缩而亮
部层次被扩展，呈现的图像会
出现反差很大的灰度失真，就
像摄像机关闭了伽玛校正一
样。因为显像管的γ=2.2，是指
数特性，所以在摄像机端需要
用1/γ=1/2.2≈0.45的对数特性进
行校正，这就是拍摄伽玛，也
称为摄像机伽玛。经过处理后
系统伽玛γt=0.45×2.2≈1，场景
与显示亮度呈线性关系。不妨
假设一下，如果显像管的电-光
转换特性也像成像器件一样是
线性的，当初电视可能也会采
用与声音一样的线性表达方
式。因此，电视显示设备采用
非线性，开始时是受制于显像
管的非线性特性，是被动的。
尽管开始时是被动的，但工程
师们很快就认识到，这种“复
杂”的非线性方式比“简单”
的线性更合理。在模拟时代，
传输电平是资源，线性就是平
均地使用电平资源，非线性则
是不平均地使用资源。摄像机
端的伽玛校正对成像器件输出
的线性信号进行了非线性对数
处理，对数伽玛的特点是电平
（亮度）越低分配的资源越多，
电平（亮度）越高分配的资源
越少，这相当于在传输前对信
号的低电平部分进行了“加
重”处理，在显示端显像管的
指数特性对低电平部分进行了
“去加重”处理，这种资源分配
方式提升了系统的信噪比。人
的视觉和听觉都不是线性而是
非线性的对数特性，人眼观看
的景物亮度越低灵敏度越高，
亮度越高灵敏度越低。例如，
在图像中噪波在所有亮度电平
上是均匀分布的，但人眼只能
看到暗部的噪波，而对同样幅
度的亮部噪波则“视而不见”。
假设传输信道的噪波电平是固
定的，在传输/记录前对信号进
行的对数伽玛校正提升了图像
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信号的暗部电平，显示端显像管的指数特性降低了暗部的亮度，这种处理对图像的暗部噪波起到了明显的抑制作用。利用人眼特性，非线性处理方式只需要线性方式一半的传输电平就可以达到相同的信噪比，或者说使用相同的电平资源时非线性方式能够达到的信噪比是线性方式的两倍。由于数字技术对信道噪波具有天然的免疫力，进入数字时代后传输和记录时噪波对信号的干扰问题不存在了，但仍然需要合理使用资源。与模拟时代的电平对应，数字视频的电平资源是量
化比特代表的灰度阶。对数伽
玛分配给暗部的灰阶多，亮度
越高灰阶越少，这种非线性方
式利用人眼特性提高了量化资
源利用率。
从亮度动态范围的角度
看，伽玛校正对亮度电平进行
的对数处理相当于在传输或记
录前利用人眼的特性对动态范
围进行了压缩，而显示端的指
数特性相当于对输入的动态范
围进行了扩展，非线性伽玛校
正的处理方式相当于把系统动
态范围提高到了现有传输电平
（量化比特灰阶数量）的2倍以
上。
2.2伽玛的今生——伽玛的实际
作用
电视伽玛的初始目的是为
了校正显像管的非线性。在现
代显示系统中伽玛校正的作用
已经不是校正显示器件的非线
性，而是合理利用电平（量
化）资源，压缩传输和记录的
动态范围。伽玛校正利用了人
眼的非线性对数特性，在人眼
敏感的暗部使用了更多的电平
（量化）资源，而在人眼不敏感
的亮部使用较少资源。这种非
线性处理方式符合人眼的特
性，比线性传输、记录更合
理，起到了用有限的电平资源
图2
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再现更大动态范围的作用。如果没有非线性的伽玛校正，标清和高清电视广播采用8比特量化是不够的，至少需要9至10比特，因此，非线性节省了传输和存储资源。
2.3显示设备——没有显像管的显像管世界
基于上述原因，目前电子影像显示设备的“默认”特性都是显像管伽玛。尽管从2000年开始显像管作为显示器件已经逐渐退出了历史舞台，但其特性却得以传承。所有显示设备的EOTF都必须模拟显像管的非线性指数特性，如液晶/等离子/OLED电视机、电视监视器、电脑显示器、DLP或液晶投影机、数字电影放映机、LED 显示屏等，尽管这些设备中的显示器件原生特性都不是显像管伽玛。为了规范“显像管”的特性，确保这些不是显像管的显示设备具有相同的性能，2011年国际电信联盟（ITU）制定了ITU-R BT.1886技术标准，把“显像管”的伽玛定为2.4，这也是标准动态范围（SDR）显示伽玛特性的国际标
准。在实际产品方面，所有显
示设备的伽玛值都大于2.2，其
中家庭电视机的伽玛为2.4-
2.6，电脑显示器的伽玛为2.5-
2.6，DCI/SMPTE标准的数字电
影放映机伽玛为2.6，市场上没
有任何显示设备产品支持γ=1
的线性伽玛。因为显示设备都
采用了非线性的显像管伽玛，
所以线性的图像信号必须经过
伽玛校正才能正常显示。
2.4电影胶片的伽玛特性
与电视一样，在胶片电影
的制作流程中，拍摄和显示
（放映）的胶片伽玛也都是非线
性的。与电视摄像机相似，拍
摄用的底片（彩负片）也是
伽玛值小于1的低反差对数特
性，其伽玛值为0.6，与电视摄
像机的伽玛值0.45相近，再现低
反差负像。在胶片电影制作流
程中，作为拍摄素材的底片经
过光学曝光的接触复印后得到
翻正（中间正片），翻正片是伽
玛值为1的线性特性，只是把底
片的负像转换成了正像并不改
变伽玛值，因此翻正仍然是伽
玛值为0.6的低反差图像。剪接
后的翻正片再经过接触复印就
得到了翻底（中间负片），与翻
正片一样翻底片也是伽玛值为1
的线性特性，因此翻底和底片
一样仍然是伽玛值为0.6的低反
差负像。翻底是用于印制发行
拷贝的，用于放映的发行拷贝
伽玛值为2.6至3，与显像管相
似都是伽玛值大于1的高反差指
数特性，印制低反差底片时可
以得到放映需要的正常对比度
图像。为了适应影院的黑暗观
看环境和低亮度的投影图像，
包括拍摄、制作和放映，胶片
电影的系统伽玛γt=0.6×3≈1.8
（放映拷贝伽玛为2.6时γt=0.6×
2.6≈1.56），比电视的系统伽玛
大，因此银幕上放映的图像对
比度比实际景物大。由此可
见，去掉胶片特有的正片、负
片和不影响伽玛特性的中间片
因素，胶片电影的拍摄和电视
摄像机一样也是非线性的对数
特性，放映（显示）和显像管
一样也是非线性的指数特性。
拍摄底片（彩负片）采用对
数特性的作用，是在记录时利
用人眼的非线性对动态范围进
行压缩，这样就能够用有限的
胶片密度资源记录更高的亮度
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