伽玛--在电视系统中的含义

尽管电视厂商一般不以"伽玛"本身作为卖点，但这一术语自阴极射线管(CRT)电视时代便已存在，并且仍是目前TFT-LCD的重要幕后特征。

　　就现代LCD电视而言，伽玛技术将清晰度提高到较新水平。每个LCD电视厂商必须在开发过程中的某个点重视伽玛。否则，他们可以有世界上绝对最好的显示屏技术，却因为不能准确重建图像而没人买他们的显示屏。这里所说的"不准确"指色彩表现和光强度，远达不到准确还原/重建源图像应有的水平。

　　那么，电视中这种神秘的所谓"伽玛"是什么呢?它与许多放射性衰变相关的高能"伽玛辐射"不是一回事。首先，我们简要讨论伽玛在CRT电视系统中含义。然后，说明其如何向TFT-LCD电视系统转化，以及为什么我们应该或需要了解这一技术。

　　伽玛与CRT电视

　　CRT电视工作时，采用电子束轰击屏幕上的磷光质涂层。通过相应的电子束扫描，轰击这些磷光体可在屏幕上"描绘"图像。电子枪所加控制电压与屏幕产生光强度之间的关系本质上是非线性的，近似于一阶方式幂律方程(表示为Y(x)=x a)，称为CRT伽玛响应。

　　人眼对光强，即"亮度"，具有本能的非线性敏感(光感)。眼睛对较低灰度(较暗)光亮的变化最敏感。眼睛的这种自然响应与CRT相反的固有响应非常相近。这是一个意外、却非常有用的副作用，通过对源数据进行单一校正可补偿系统非线性，使眼睛感受到一致的亮度变化。

　　源数据编码方式必须考虑CRT响应和眼睛已知亮度响应。摄像机按视频信号红、绿、蓝颜色分量(RGB)进行伽玛校正，视频需要以摄像系统读取亮度变化类似于人眼读取的相同方式编码。由于CRT响应与此相反，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(这两个因素关系到生成效果的一致性)。

　　在幂律方程中，对于给定系统来说，亮度(简单地)等于施加的电子枪电压提高到某一乘幂。这个幂是伽玛系数(γ)，这个公式近似定义了CRT的整体转换函数。一般情况下，典型CRT伽玛应为2.2至2.5。伽玛系数越高，图像对比度越大，而且增加了黑暗部分的深度(因为低电平分辨率加大)。伽玛系越小，会使图像显得模糊或单调(因为低电平分辨率下降)。

　　伽玛响应为1.0的系统视为线性，但从各种原因角度看并非都有利。最关键的是，不能还原颜色和对比度感觉正确的伽玛校正图像。

　　总之，伽玛校正为系统伽玛响应进行必要补偿，保证(至少接近)摄像机摄入的亮度与CRT电视显示的相同，使眼睛看到正确的图像效果，图1。

　　

 

　　图1: 基础伽玛校正与伽玛响应曲线。(相对亮度、输入电平、伽玛校正、CTR伽玛响应)

　　伽玛与TFT-LCD电视

　　除了都能显示视频图像外，TFT-LCD与CRT基本没有共同之处。最显著的特点是，LCD不采用电子枪和磷光体生成亮度。而是采用电压控像素控制透过像素的光。这种光源于背光，一般为冷阴极荧光灯(CCFL)或发光二极管(LED)阵列。简言之，电压传送(V/T)曲线定义显示屏的输入响应及其生成的亮度。

　　尽管与CRT不同，但TFT-LCD也采用"伽玛"，只是这个术语必须稍做重新定义。为了使LCD照亮像素，液晶(LC)像素单元需要有施加的电压，使其能够传送光，在屏幕上显示亮度(注意，"光源"是LCD显示屏背光，一般为CCFL或LED)。

　　为像素施加的模拟电压由数/模转换器决定，转换器根据给进来的图像/视频数据生成数字编码(谈到电视视频内容，伽玛编码早在CRT电视时代就有了)。所加电压与传送(V/T传递函数)之间的关系为TFT-LCD伽玛响应，其本质上是非线性的，这是由于LC单元传送能力的性质决定的。不过，这种响应未必是我们在CRT电视中看到的所需非线性响应。

　　因此，LCD电视伽玛往往需要非常近似地模拟CRT伽玛响应。主要理由如下：首先是历史原因，因为所有原来的视频都是经过CRT伽玛校正的。第二，是利用人眼(亮度)的本能响应。当然，LCD的固有伽玛响应并非都是一样的，随着显示屏技术和厂商会有很大变化。显示屏伽玛响应可由厂商改变，他们可以根据最终系统所需的可视性能选择特定的伽玛响应，图2。

　　

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图2: 各种系统伽玛响应曲线 (相对亮度、输入电平、数字灰度输入)

 

　　数字视频数据(往往为LVDS形式)必须采用数-模转换器(DAC)进行转换，生成用于像素的模拟电压。伽玛采用显示屏源/列极驱动器中的分段非线性DAC进行粗略校正(有意使其成为非线性)。源极驱动器DAC决定可以为像素施加多少个不同的阶跃电压(例如，8位DAC生成28或256级灰度)。每步阶跃电压感觉到的灰度亮度变化与显示屏伽玛响应(V/T曲线)和眼睛响应有关，图3。

　　

 

　　图3: 伽玛响应相关亮度变化对比(伽玛、感觉到的亮度)

　　如果亮度变化只允许与代码改变成线性关系，则系统需要更多的分辨率位数(如12位或14位，而不是8位)，以实现所需的低亮度灵敏度，使眼睛感觉不到整个范围内代码之间不同的变化(保持变化的均匀性)。事实上，这是采用伽玛校正的另一个优点，可使用较少位数，以"压缩"低电平亮度数据的方式编码视频数据(眼睛最容易感觉到的)，同时不影响高电平亮度数据，因为看不出其中的微小变化。这还可以作为降低视频信号噪声的一种方法，这种噪声是数字编码中识别不出来的微小误差造成的。

　　为改变显示屏伽玛响应达到所需的V/T函数，显示屏源极(column)驱动器DAC可在多个输入点采用各种基准电压。这些电压使DAC达到某种所需的非线性工作状态。基准电压往往由"伽玛缓冲器"IC中提供，一般是驱动DAC输入点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。

　　Intersil的EL5411/20T运算放大器、EL5421T缓冲器和EL5x26 I2C可编程伽玛缓冲器系列都属于此类IC器件。这些器件可以为TFT-LCD源极驱动器提供精确稳定的DC基准电压。TFT-LCD显示器简易系统框图参见图4。

　　由于能够控制DAC输入点，LCD电视厂商可以微调电压，进一步调整/校准显示屏非线性伽玛响应，称为伽玛校准。例如，利用这种功能，电视厂商可以保证所有他们某种型号的电视显示屏之间具有相同的伽玛响应。这意味着，LCD组装和制造偏差等因素造成的潜在视觉效果误差，可以降低到最小限度，使电视厂商能够生产更加一致的产品。从而保证消费者购买的电视，在家里可以看到在当地经销商销售店显示的同样视觉效果。

　　(经常有这样的情况，商店"播放"的电视具有特殊的"商店"式效果。这种模式显示的画面具有最大对比度和极为饱和的色彩，以明快的颜色和亮度吸引消费者。而消费者在家庭环境中一般不使用这种设置。)

　　电视厂商最终决定如何校准伽玛响应(如γ =2.2、γ= 2.0、γ=1.8，甚至组合伽玛，根据要达到的亮度改变伽玛)，使他们的显示器达到某种视觉效果。值得注意的是，伽玛特性会随着视角范围和不同的光线条件变化。因此，购买新电视时，在相似条件下对比不同电视，通过显示器与显示器的大量对比是进行选择的一种好方法。

　　伽玛与电视设置

　　传统上，CRT电视(以及大量并非此类名称的设备)有"亮度"控制，用来改变黑电平，以及"对比度"或"图像"控制，用来改变最大白电平。电视的伽玛确定这些端点内部的响应。理想情况下，这些电视设置应完全独立于伽玛，而一旦固定了最大白电平，黑电平的任何改变会从相对方向改变伽玛曲线(其形状变化)。

　　这意味着，伽玛系数改变了，现在系统的伽玛响应只受黑电平变化的影响。在LCD情况下，端点电平一般由源极驱动器固定，而对信号进行数字调整。同时，LCD可以改变背光亮度，这为改善系统性能增加了一个维度。

　　有些TFT-LCD和数字电视具有其他设置，可以通过用户控制菜单进行调整。这些设置类似于"伽玛"调整(一般不是量化，而是+/-伽玛调整)，动态增强对比度或黑度，选择不同的图像/视频模式及其他工厂命名的功能。这些设置可以改变部分或所有电视设置，包括伽玛曲线。例如，正常工作模式下单个系数定义的伽玛(如γ=2.2)，可以改变为多个伽玛系数决定的曲线，从而改变电视亮度范围响应(视频信号代码或电压)。

　　同时，有必要指出，四周环境或房间亮度也会影响视频系统的感受响应。遗憾的是，人们根本不知道视频编码时采用的有利于DVD电影或电视节目显示效果的准确条件，以及设备的设置功能，因此很难在家里设置观看，生成准确的再现图像。您的起居室条件很可能与摄影室完全不同并且不断变化。

　　例如，黑暗的房间可以降低黑度的感觉，因为这时用以参照的环境光线是漆黑的(黑暗环境下看不出黑色)。相反，如果打开明亮的电灯，环境光线会高过显示屏亮度，由于缺少低端细节(黑度)，会感觉图像对比度下降。

　　总之，伽玛不一定能够轻松定义，但作为高科技产品的消费者，最好从系统角度或由浅入深地了解这一概念。显然，这将对购买新的LCD电视有好处，您不必校正伽玛。这对于大多数人来说是困难的，而且是不可能的。电视厂商完成了最初的艰苦工作，设置了源驱动器DAC的转换函数，使显示屏具有其所需的非线性伽玛响应。

　　不过，大部分电视具有各种用户调整功能，这些功能可在一定程度上控制系统响应，尽管对于大量用户特定伽玛调整控制的价值存在许多争议。大多数情况下，消费者的确不会直接控制电视伽玛响应，但这有利于普通电视收看者精确微调。