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伽玛校正 更新于2012-03-22 04:20:28 文章出处:Mike Ogier Intersil公司显示器应用部
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主动矩阵薄膜晶体管液晶显示器 (TFT-LCD) 市场快速发展重新定义了人们生活、工作和娱乐方式。从高分辨率电视 (HD)、台式计算机和笔记本电脑到智能手机、汽车信息娱乐系统，TFT-LCD 正在以这样或那样的形式成为随处可见的产品。

谈到高科技电子产品和新的小玩意往往会出现词不达意、令人误解的术语和不着边际的解释。购买新的小玩意或了解其工作原理时，很难在掌握信息的基础上做出决定。为缩小讨论范围，我们在此将以视频和图形显示长期以来一直使用的一个术语“伽玛”为重点。尽管电视厂商一般不以伽玛一词为卖点，但这个术语早在阴极射线管 (CRT) 电视时代就出现了，并对描述当前 TFT-LCD 特性仍具有重要意义。

在描述现代 LCD 电视时，伽玛定义略微有一些新的变化。每个 LCD 电视厂商必须在开发过程的某一点注意伽玛。否则，他们不可能在世界上推出绝对最佳的平板电视技术，也没人购买他们的平板电视，因为这种电视不能正确再现图像。这里所说的“不正确”指色彩和亮度远达不到准确复制/再现源图像的预期水平。
那么，电视中这个神秘的“伽玛”到底是什么呢? 是的，电视“伽玛”与许多辐射衰变相关的高能量“伽玛射线”不是一码事!。我们首先简要说明伽玛在 CRT 电视系统中的含义，然后探讨这一概念在 TFT-LCD 电视系统中的转化，以及为什么普通消费者应该对其予以关注。

伽玛与 CRT 电视

CRT 电视的工作原理是采用电子束轰击屏幕上的荧光粉。通过扫描相应的电子束，轰击荧光粉，将图像“绘制”在屏幕上。施加在电子枪上的控制电压与屏幕上产生的光强度之间的关系本质上是非线性的。这种关系近似于幂律方程 (Y(x)=x a) 的一阶线性，称为 CRT 伽玛响应。

人类肉眼对光强度 (以前称光亮度)，即亮度的敏感度是非线性的。肉眼对较低灰度 (暗度) 等级的变化最敏感。肉眼的本能反应与 CRT 固有响应非常接近。这是一种下意识的，却极为有用的副作用，通过对源数据的一次性校正补偿系统非线性，可使眼睛看到均匀的亮度变化。

源数据必须按照 CRT 响应和已知肉眼亮度响应进行编码。摄像机对视频信号中的红、绿、蓝色彩成分进行伽玛校正。简单来说，视频需要按这样的方式进行编码，即摄像机系统对亮度变化的反应与肉眼的感觉相似。由于 CRT 对这种变化具有反向响应，因此光强度的感觉是线性的。伽玛校正还具有其他优点，如降低视频信号噪声、提高低电平有效分辨率 (这两个因素关系到图像再现的均匀度)。

根据幂律方程，对于给定系统，光强度 (简单地) 等于施加在电子枪上的电压提高到某一量级。这个量级是伽玛系数 (γ)，这个公式大致定义了 CRT 的整体换算函数。一般来说，典型伽玛值约为 2.2 至 2.5。更高伽玛值 (如 2.5) 可以提高对比度，但会降低暗区分辨率，而低伽玛值会造成图像模糊或不明快。伽玛 1.0 的系统被认为是线性的，但出于多种原因并不是好的系统。其中最关键的是，这种系统不能以正确的色彩和对比度再现图像，因为正如我们前面讨论过的，肉眼对亮度变化的反应是非线性的。总之，为保证摄像机摄入的光强度与 CRT 电视显示的一样，从而正确再现图像，需要进行伽玛校正。
伽玛与 TFT-LCD 电视
除了都可以显示视频图像外，TFT-LCD 与 CRT 电视基本上没有相同之处。最明显的是，LCD 没有产生亮度的电子枪和荧光粉，而是采用电压控制的像素控制像素中的光传输。背光光源一般为冷阴极荧光灯管(CCFL) 或发光二极管阵列 (LED)。简言之，电压-传输曲线 (V/T) 定义面板对输入的响应，从而决定光强度。

尽管与 CRT 不同，但 TFT-LCD 也采用“伽玛”，只是这个术语的定义略有不同。为使 LCD 照亮像素，需对液晶 (LC) 像素单元施加电压，使其传输光，从而看到发亮的屏幕。施加在像素上的模拟电压由数-模转换器决定，转换器根据输入的源图像/视频数据生成数字代码。施加的电压与传输之间的关系 (V/T 换算函数) 称为 TFT-LCD 伽玛响应，由于 LC 单元传输能力的性质，这种关系是非线性的。尽管这种响应未必是我们在 CRT 电视中看到的非线性响应。

因此，LCD 电视伽玛往往在设计上尽可能模拟 CRT 电视伽玛响应。这有几个主要原因：首先是历史原因，因为所有原有视频技术都是针对 CRT 进行伽玛校正的。其次，是利用肉眼 (亮度) 的本能反应。当然，所有 LCD 的固有伽玛响应并非都是一样的，不同面板技术和厂商会有很大差别。面板伽玛响应可依厂商而定，他们可根据最终系统的预期视觉效果，选择强制实行特定的伽玛响应。

数字视频数据必须采用数-模转换器 (DAC) 进行转换，生成像素的模拟电压。伽玛采用面板源/列驱动分段非线性 DAC 进行粗略校正 (有意产生非线性)。源驱动 DAC 确定像素可以施加多少不同的电压等级 (例如，8位 DAC 可生成 28 即 256 个灰度等级)。感觉到的每个电压等级产生的灰度强度变化与面板伽玛响应 (V/T 曲线) 和眼睛的反应有关。如果亮度变化只允许与代码变化成线性关系，系统需要增加分辨位数 (如12位，而不是8位)，以实现所需的低电平灵敏度，使眼睛在整个范围内感觉不到代码与代码不同产生的变化 (保持变化均匀度)。这是采用伽玛校正的另一个优点，它允许以压缩低电平亮度数据的方式 (大部分数据眼睛看不到)，采用较少的位数编码视频数据，而不影响微小变化识别不出来的高电平亮度数据。同时，还可以作为一种降低视频信号噪声的方法，如潜在的难以识别的微小代码误差。

为改变面板对预期 V/T 函数的伽玛响应，面板源 (列) 驱动 DAC 可在多个分压点采用不同的基准电压。这些电压迫使 DAC 达到某种所需的非线性。基准电压往往通过“伽玛缓冲器”集成电路 (IC) 提供，一般采用为 DAC 分压电路提供模拟电压的缓冲放大器。伽玛缓冲器 IC 可以是静态的，也可以是可编程的。其中部分 IC 器件包括 Intersil 公司的 EL5411/20T 运算放大器、EL5421T 缓冲器和 EL5x26 I2C 可编程系列伽玛缓冲器。这些器件专门为 TFT-LCD 源驱动器提供准确、稳定的 DC 基准电压。

通过控制 DAC 分压电路，LCD 电视厂商可对电压进行微调，进一步调整/校准面板非线性伽玛响应，这种技术称为伽玛校正。例如，利用这种技术，电视厂商可以确保某种机型的电视面板，面板与面板之间伽玛响应相同。这样，可最大限度减少 LCD 工艺和生产变量等情况造成的潜在视效偏差，从而有助于电视厂商提高产品的一致性。同时，可保证消费者购买的电视带回家之后，其收视效果与在当地经销商零售店中看到的一样。

电视厂商最终决定伽玛响应的校正方法 (如 γ = 2.2，γ = 2.0，γ = 1.8，或以组合伽玛校正，根据所需亮度改变伽玛)，达到某种显示效果。在此有必要强调，伽玛特性在宽视角范围内和不同环境光线条件下会发生变化。因此，购买新电视时，最好以同类对比的方式，在相同条件下对不同电视机进行比较。

伽玛与电视设置

历史上，CRT 电视 (名称在很大程度上无所谓) 具有改变黑度的亮度控制功能，以及改变最大白度的“对比度”和“图像”控制功能。电视伽玛定义这些设定点内部响应。理想情况下，这些电视设置应完全独立于伽玛。然而，当最大白度固定后，黑度的任何有效变化会使伽玛曲线沿相反方向移动 (其形状变化)。这意味着伽玛系数变了，黑度的简单变化影响了系统的伽玛响应。在 LCD 中，设定点一般通过源驱动器，而不是对信号的数字调整来固定。同样，背光强度也可以进行调整，这为系统性能增加了一个调整维度。

有些 TFT-LCD 和数字电视提供其他设置，可通过用户控制菜单来调整。这类设置诸如“伽玛调整”(一般不是量化调整，而是 +/- 伽玛调整)、动态增强对比度或暗度、不同图像/视频模式以及厂家命名的其他功能。这些设置可以改变部分或全部电视设定值，包括伽玛曲线。例如，正常工作条件下单个系数 (如 γ = 2.2) 定义的伽玛，可以变为具有多个伽玛系数特性的曲线，从而改变电视亮度范围内的响应 (视频信号的代码或电压)。

有必要指出，环境或室内四周光线也会影响视频系统响应的感觉。遗憾的是，人们根本不知道为产生 DVD 电影或电视节目舒适的收视效果，视频编辑使用的准确条件，也不知道自己的设备是如何设置的。因此，在家里很难进行收看设置，准确再现画面。您客厅中的条件很可能与摄影棚完全不同，而且不断变化。例如，黑暗的房间会减弱黑度的感觉，因为其参照的环境光线很暗 (黑暗环境下显不出黑色)。相反，如果打开明亮的照明，环境光线高于面板亮度，由于缺少低端 (黑度) 细节，会感觉图像对比度差。

完整定义伽玛并不容易，但作为高科技产品的用户，最好从系统的角度或由浅入深地了解这一概念。购买一台新的 LCD 电视机不必校正伽玛绝对是好事! 但这令大多数消费者感到失望，而且也是不可能的。电视制造商初步粗略设置了源驱动 DAC 的转换参数，使面板达到其预期非线性伽玛响应。不过，大部分电视具有用户调整范围，在一定程度上控制系统的响应。尽管许多用户专用伽玛调整控制功能是否有价值一直存在很多争论，但最终消费者不必过多地直接控制电视的伽玛，从而为普通电视观众提供极大的便利已成为一种趋势。