什么是Gamma 校正

Gamma 是指灰度系数，是显示设备都有的一种指标，每种显示设备都不一样，会影响输出设备的亮度：
显示设备输出亮度 = 电压的Gamma次幂

使用 gamma 校正有下面两个原因：

• 显示设备的亮度的非线性特性
  输出的亮度和输入的电压并非线性关系，而是近似 2.2 次幂的关系，导致进入人眼的亮度要比计算机上存储的亮度要低
  例如：计算机上存储的亮度为 0.5，经过显示器调整后变为 0.5 的 2.2 次幂，即 0.218。为了让进入人眼的亮度与计算机中存储的值相同，需要在显示器调整前将亮度变为自身的 1/2.2 次幂，即 0.73，这样在经过显示器的调整，进入人眼就是 0.5 了，2.2 这个值是一个近似值，或者可以说是一个标准，实际上不同的显示器可能会有不同

• 人眼对不同亮度的敏感性不同
  人眼对暗部的敏感要高于亮部, 也就是非线性的，但是我们存储计算机颜色的空间是有限的，比如常见的有ARGB8888 格式，如果直接到显示设备上显示，会损失较多的暗部细节，所以需要我们对输入的内容做gamma 变换，可以展示更多的暗部细节，有更好的显示效果。

Gamma 校正算法

Gamma 校正公式：

f(I) = I^gamma

自变量 #I 是颜色像素值归一化后的值，区间分为是从0 到 1, 归一化通过下面的公式就可以实现：
归一化后的像素值 = 当前像素值 / 像素的最大值

不同gamma 值的函数曲线如下：

gamma_fx.png

• 当 gamma = 1 的时候，输出值等于输入值，只会有原图的显示效果
• 当 gamma 大于1 的时候,如图中的黄色线所示，低灰度区域的动态值变小，高灰度区域的动态值变大，降低了低灰度区域图像的对比度，提高了高灰度值区域图像的对比度, 图像整体变暗。
• 当 gamma 小于1 的时候，低灰度区域的动态值变大，进而图像对比度增强，高灰度值区域，动态值变小，图像整体变亮。

显示效果如下：

gamma_lessthan1.png gamma_greatherthan1.png

Gamma 校正的LUT实现

gamma 校正的公式涉及到指数运算，在实际应用中效率太低，需要优化；
可以使用查找表(LUT)法，输入的像素值的范围是有限的 一般为[0，255], 在 gamma 值 已知的情况下 ，0 ～ 255 之间的任一整数 , 经过归一 化、预补偿、反归一化操作后 , 所对应的结果是唯一的 , 并且也落在 0 ～ 255 这个范围内；
如果可以预先建立一张表，使得每个输入的像素值都有唯一的gamma 校正后输出像素值对应，就可以大大降低运算量；

1DLUT.png

使用LUT实现Gamma 校正的C++ 代码

#include <iostream>
#include <opencv2/opencv.hpp>

using namespace std;
using namespace cv;

// 存储 gamma LUT 的数组
uint8_t gammaLUT[256] = { 0 };

void _gammaCorrection(Mat& src, Mat& dst, float K)
{
    src.copyTo(dst);
    for (int i = 0; i < 256; i++) {
        float f = i / 255.0f; // 注意不可以写成 i / 255
        f = pow(f, K);
        gammaLUT[i] = static_cast<uint8_t>(f*255.0);
    }

    if (dst.channels() == 1) {
        MatIterator_<uint8_t> it = dst.begin<uint8_t>();
        MatIterator_<uint8_t> it_end = dst.end<uint8_t>();
        for (; it != it_end; it++)
        {
            *it = gammaLUT[*it];
        }

    } else {
        cout << "dst image channel" << dst.channels() << endl;
        MatIterator_<Vec3b> it = dst.begin<Vec3b>();
        MatIterator_<Vec3b> it_end = dst.end<Vec3b>();

        for (; it != it_end; it++)
        {
            (*it)[0] = gammaLUT[(*it)[0]];
            (*it)[1] = gammaLUT[(*it)[1]];
            (*it)[2] = gammaLUT[(*it)[2]];
        }

    }
}

bool testGammaCorrection()
{
    cout << "gamma correection demo" << endl;
    const char *ImageName = "C:/Users/86185/Documents/Visual Studio 2015/Projects/opencvdemo/x64/Debug/demoImage.png";
    Mat img = imread(ImageName, 1);
    if (img.empty()) {
        cout << "read image empty" << endl;
        return false;
    }

    Mat dstimg;
    _gammaCorrection(img, dstimg, 1/2.2);


    imshow("src_image", img);
    imshow("dst_image", dstimg);

    return true;
}

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日期	说明
2022/10/1	修正部分格式
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