이미지/디스플레이의 감마 보정 (Gamma Correction)의 이해

감마 (Gamma)는 사실상 모든 디지털 이미징 시스템 (Digital Imaging Sysyem)에서 중요합니다. 이것은 픽셀의 수치와 실제 휘도의 관계를 정의합니다. 감마가 없으면 디지털 카메라로 캡처한 음영이 표준 모니터에서 우리 눈처럼 보이지 않습니다. 감마 보정, 감마 인코딩 또는 감마 압축이라고도 하지만 이러한 모든 개념은 비슷한 개념을 나타냅니다. 감마 작동 방식을 이해하면 이미지 편집을 최대한 활용할 수 있을뿐 아니라 노출 기법을 향상시킬 수 있습니다.

감마가 유용한 이유

1. 우리의 눈은 카메라가 하는 것과는 다르게 빛을 인지합니다. 디지털 카메라의 경우, 광자수가 센서에서 2배가되면 신호 세기도 2배가 수신됩니다 (선형 관계). 그러나 우리의 눈은 그렇게 작동하지 않습니다. 대신, 우리는 밝기가 2배로 밝다고 생각합니다. 점점 더 높은 광도에 대해 점점 그러합니다 (비선형 관계).

비교의 정확도는 디스플레이 감마가 2.2로 설정된 잘 보정된 모니터가 있는지 여부에 달려 있습니다.

실제 지각은 시청 조건에 따라 다르며 근처의 다른 음조의 영향을 받을 수 있습니다.

별빛 아래와 같이 극도로 희미한 장면에서는 우리 눈은 카메라처럼 선형으로 보입니다.

카메라와 비교할때 우리는 밝은 톤의 비슷한 변화보다 어두운 톤의 변화에 훨씬 더 민감합니다. 이 특수성에 대한 생물학적인 이유가 있습니다. 그것은 사람의 눈은 더 넓은 범위의 휘도에서 작동합니다. 그렇지 않으면 우리가 야외에서 만나는 밝기의 범위는 너무나 넓습니다.

감마는 우리의 눈의 감도와 카메라의 감도 사이의 변환입니다. 디지털 이미지가 캡쳐되어 저장되면 밝기의 2배 값이 사람이 2배 밝다고 인식하는 것과 근접하게 "감마 인코딩(Gamma Encoding)"되지는 않습니다.

▲ 기술 정보 : 감마는 Vout = Vingamma로 정의됩니다. 여기서 Vout은 출력 휘도값이고Vin은 입력/실제 휘도값입니다. 이 공식을 사용하면 위의 파란색 선이 곡선을 그리게 됩니다. 감마가 1보다 작으면 선은 위로 향하며 반대로 감마가 1보다 작으면 선이 아래로 향합니다.

2. 감마로 인코딩된 이미지는 톤을 보다 효율적으로 저장합니다. 감마 인코딩은 우리의 눈이 인식하는 것과 가까운 색조 레벨을 재분배하기 때문에 주어진 색조 범위를 설명하는데 필요한 비트수가 줄어 듭니다. 그렇지 않으면 밝은 비트 (카메라의 민감도가 상대적으로 높은 부분)를 설명하기 위해 비트수를 초과되어 카메라가 상대적으로 덜 민감한 어두운 톤을 나타내는 비트수가 부족합니다.

참고 : 위의 감마 인코딩된 그라디언트 (Gradient)는 표준값 1 및 2.2를 사용

선형 인코딩 (Linear Encoding)이 밝은 톤을 묘사하기 위해 레벨수가 지나치게 많은데 비해 어두운 톤을 설명하기에는 불충분한 레벨수를 사용하는데 주목해야 합니다. 반면에 감마 코드 그라디언트 (Gamma Encoded Gradient)는 전체 범위에서 대략 균일하게 음영톤을 분배합니다 ("지각적으로 균일함"). 이것은 또한 후속 이미지 편집, 색상 및 히스토그램이 모두 자연적이고 지각적으로 균일한 톤을 기반으로 한다는 것을 보장합니다.

그러나 실제 이미지는 일반적으로 최소한 256 레벨 (8비트) 이상으로 인쇄물에 색조가 부드럽고 연속적으로 나타나기에 충분합니다. 선형 인코딩 (Linear Encoding)이 대신 사용되면 이미지 포스터리제이션 (Image Posterization)을 피하기 위해 8배의 많은 레벨 (11비트)이 필요할 것입니다.

감마 워크플로 : 인코딩 및 수정

이러한 모든 이점에도 불구하고 감마 인코딩은 이미지를 기록하고 표시하는 전체 프로세스에 복잡성이 추가됩니다. 다음 단계로 감마 인코딩된 이미지는 실제로 볼때 원래의 장면에서 다시 빛으로 변환되는 "감마 보정" (Gamma Correction)을 적용해야 합니다. 즉, 감마 인코딩의 목적은 이미지를 표시하는 것이지 이미지를 기록하는 것이 아닙니다. 다행히도 이2번째 단계 ("디스플레이 감마")는 모니터 및 비디오 카드에 의해 자동으로 수행됩니다. 다음 다이어그램은 이러한 모든 요소가 어떻게 결합되어 있는지 보여줍니다.

1. sRGB 색상 공간 (약 1/2.2 감마를 사용하여 인코딩됨)에서 이미지를 묘사.

2. 2.2의 표준과 동일한 디스플레이 감마를 나타냄.

1. 이미지 감마 (Image Gamma) : 이것은 캡쳐된 이미지가 표준 JPEG 또는 TIFF 파일로 변환될 때마다 카메라 또는 RAW 개발 소프트웨어에 의해 적용됩니다. 기본 카메라의 색조 레벨을 지각적으로 균일하게 재분배하여 주어진 비트 심도를 가장 효율적으로 사용합니다.

2. 디스플레이 감마 (Display Gamma) : 이것은 비디오 카드와 디스플레이 장치의 순수한 영향을 의미하기 때문에 사실 여러가지 감마로 구성될 수 있습니다. 디스플레이 감마의 주목적은 감마 보정을 통해 화면에 표시될때 이미지가 비현실적으로 밝아지지 않도록 하는 것입니다. 디스플레이 감마가 높을수록 대비가 높은 이미지가 어두워집니다.

3. 시스템 감마 (System Gamma) : 이 값은 이미지에 적용된 모든 감마값의 순효과를 나타내며 "보기 감마 (Viewing Gamma)"라고도 합니다. 장면을 충실하게 재현하려면 이상적인 직선 (감마=1.0)에 가까워야 합니다. 직선은 입력 (원본 장면)이 출력 (화면이나 인쇄물에 표시되는 빛)과 동일 함을 보장합니다. 그러나 시스템 감마는 때때로 대비를 향상시키기 위해 1.0보다 약간 크게 설정됩니다. 이는 디스플레이 장치의 동적 범위 또는 비이상적인 시청 조건 및 이미지 플레어로 인한 한계를 보완하는데 도움이 될 수 있습니다.