Varför har vi Gammakorrektion

Gamma och gammakorrektion

I dagens medievärld har vi börjat laborera med gammakurvor. Detta mycket tack vare de nya storsensorkamerorna som har bättre ljuskänslighet och lämpar sig mer för det arbetssätt som den kemiska filmen har, dvs. efterbearbetning för att skapa bilderna.

Man kan uppnå fantastiska resultat om man förfogar över gradingmjukvaror som DaVinci eller liknande men möjligheterna är också förknippade med en del grundläggande tekniska begränsningar.

Här följer en allmän, teknisk korrekt, beskrivning av fenomenet gamma med dess för och nackdelar. Min förhoppning är att bidra till en ökad förståelse för vad manipuleringen åstadkommer och kanske spara mödosamt testande för redigerare och fotografer.

Den här artikeln behandlar gamma endast ur ett videoperspektiv och jag har avsiktligt avstått från att redogöra för gamma i kemisk film. Det innebär att jag heller inte redogör för de teoretiska arbetssätt som gör modern videofotografering, med förändrade gammakurvor, lik filmfotografering. En viktig del i användandet av andra gammakurvor ligger i att efterlikna filmfotografering och filmens efterbearbetning. Den grekiska bokstaven gamma är också lånad från filmforskningen i slutet av 1800 talet då det var på högsta modet att döpa storheter med grekiska bokstäver.

Notera att videogamma är en helt annan ekvation än filmgamma och de två storheterna kan inte jämföras eller förväxlas. Filmgamma avser dynamiken i kemisk film medan videogamma avser linjäriteten i gråskalan.

Vad är videogamma och gamma korrektion och varför behöver vi det?

Begreppet Gamma avser en olinjär överföringsfunktion av elektrisk signal kontra ljusintensitet i videosignalen. Siffran som anger gammavärdet är en exponent till en ekvation. Gammakorrektion är en skapad olinjäritet mellan ljus och elektrisk spänning för att koda videosignalen effektivt. Gammakorrektionens kurvform, enligt ITU-B Rec 601 och 709 är i stort sett en inverterad kurva av bildrörets naturliga gammakurvform (olinjäritet).

CCD och C-mos-chip däremot är linjära. De räknar i princip bara fotoner och ökar utspänningen linjärt med ökat ljusinflöde.

(fig. 1)

En vanlig uppfattning är att videosignalen gammakorrigeras eftersom de gamla bildrören var olinjära och uppvisade en gammakurva som var krökt och behövde korrigeras för att gråskalan skulle bli linjär. Det är faktiskt en felaktig beskrivning. Gammakorrigering behövs för att effektivisera kodningen av videosignalen och är i huvudsak till för att öka signal/brus förhållandet.

Vår synuppfattning

För att förstå vad som görs tekniskt så måste vi börja med att förklara lite om hur våra ögon fungerar eller snarare hur vår synuppfattning fungerar. Vår syn är olinjär vad gäller uppfattning av både gråskala och färgseende. Vårt färgseende är mycket komplext och det lämnar vi därhän till en eventuell kommande artikel.

Tänk er att man skall dubbla luminansen, dvs. ljusintensiteten, till våra ögon med vanliga lampor i flera steg. Om man startar med en 60w lampa och lägger till ytterligare en 60w lampa så upplever vi det som en dubblering av ljusintensiteten. Men för att göra nästa dubblering behövs det två st 60w lampor till och sedan fyra st och sedan åtta st osv. ( fig. 2)

FIGUR SAKNAS TILLS VIDARE

Ögat har alltså en gammakurva. Här träffar vi på ett av naturens mycket märkliga sammanträffanden, nämligen att ögats gammakurva är nästan identisk med bildrörets inverterade (omvända) gammakurva. Elektronkanonen i bildröret uppvisar faktiskt ett omvänt identiskt beteende med våra ögon. Observera att detta har ingenting att göra med bildrörets fosforskikt som ibland felaktigt påstås utan det är elektronkanonen i bildröret som har den egenskapen.

Det här innebär att ögat är väldigt känsligt för ljusvariationer i de mörka partierna av gråskalan och väldigt okänslig för förändringar i de ljusa partierna. Det skall alltså till mycket stora förändringar i ljusa partier för att vi skall kunna urskilja dem. Det innebär också att vi är betydligt känsligare för brus i de mörka partierna av en bild. Om vi klär detta faktum i tekniska termer så betyder det att signal¬brusförhållandet i en videosignal ökar dramatiskt om vi återger ljuset olinjärt. Det handlar om mycket stora förbättringar på upp mot 30 dB. Eller om vi väljer att uttrycka det i digitala termer så betyder det att det skulle gå åt 12-14 bitar i stället för 8-10 bitar för att digitalisera den analoga bildsignalen, som CCD chippet alstrar, med samma kvalitet.

Oavsett bildrörets egenskaper så hade vi alltså behövt skapa en gammakorrigeringskurva i alla fall för att få bättre prestanda på TV signalen. Det gäller såväl analog som digital överföring. Bildrörets egenskaper kom snarare som en skänk från ovan eftersom bildröret fungerar som en perfekt dekoder av gammakorrigeringen som vi skapar i kameran. Om det bara hade varit för bildrörets olinjära egenskaper så hade man ju naturligtvis lagt gammakorrigeringen direkt i TV:n och inte efter CCD chippet i kameran. Nu överför man hela videosignalen, analog eller digital, gammakorrigerad i kameran för att avkodas i TV:n eller monitorn.

Normen för gamma kurvor

Det finns sedan lång tid exakta normer för hur gammakurvan skall se ut för att man skall utnyttja kontrastförhållandet så bra som möjligt inom det dynamikområde som står till buds. Man valde då som sagt att följa bildrörets gammakurva eftersom avkodningen fanns där naturligt. ITU-B Rec 709 heter normen för HDTV, och Rec 601 heter normen för SDTV som videomonitorer och kameror skall följa för att vara kompatibla. Då visar TV-monitorn bilden så som den ser ut i verkligheten, om än med ett begränsat kontrastförhållande. Monitorer, storbildsskärmar och även vita duken på bio klarar inte att återge hela det dynamiska område som ögat klarar. Inte heller vad ett CCD eller C-MOS chip kan hantera. Anledningen till gammakurvans ekvation och slutliga utformning berodde alltså på att man följde bildrörets egenskaper eftersom det blev en naturlig dekoder och därmed praktiskt och billigt. Den begränsade dynamik som bildröret och även dåtidens kamerarör gav (ungefär 6 bländarsteg) var alltså gränsen för vad TV systemet kunde återge. Därmed var normen satt och den lever vi fortfarande med trots att nutidens kameror och också moderna skärmtekniker kan återge betydligt större dynamik. För närvarande laborerar men med sk. High Dynamic Range (HDR) som syftar till att öka dynamiken med upp till 12 bländarsteg. Normer är redan fastslagna (ITU-B rec 2020) men fortfarande (2017) kvarstår en mängd problem att lösa och vi får nog vänta än något eller några år innan HDR har slagit igenom som inspelnings och framför allt transmissionsteknik.

Lite matematik

Begreppet "gamma" syftar på ekvationen för den olinjära kurvan över ljus kontra elektrisk signal och begreppet gammakorrektion är alltså en inverterad (omvänd) kurva av gamma. Gammakorrektion anges av siffran som är exponent i

formeln L=(V+e)^ɤ "L" står för luma och "V" står för spänning. "e" är en konstant för att bryta kurvan straxt ovanför svartnivån. Normala gammakorrektionstalet i Rec 709 är 0,45. Gammakorrektionstalet 0,45 motsvaras alltså av gammavärdet 2,22 i skärmen = det inverterade värdet. En gammakorrektion på t.ex. 0,35 kommer att skapa en ökad gråskala, dvs. större kontrastomfång och därmed mindre kontrast. En gammakorrigeringskurva på t.ex. 0,65 kommer att visa en bild med mindre kontrastomfång och därmed högre kontrast. (fig. 3)

FIGUR SAKNAS TILLS VIDARE

Kontrastomfånget anges vanligen i bländarsteg och motsvaras av exponenten till talet 2.

7st bländarsteg är alltså =2⁷=2x2x2x2x2x2x2 vilket i sin tur ger ett kontrastförhållande på 128:1. Det närmar sig gränsen för vad den mänskliga synförmågan kan urskilja i en linjär gråskala. Notera att bländarstegen alltså är en exponentialfunktion som följer ögats ljusuppfattning.

Nya gammakurvor typ Cinelog, S-log m.fl.

Nu kan man naturligtvis böja gammakurvor annorlunda än Rec 709 för att få andra bildintryck. Helt enkelt konstnärligt skapande för att förändra bilden och skapa en annan verklighet på skärmen, men det fyller också en viktig teknisk funktion. CCD-chipet har betydligt större kontrastomfång än TV-apparaterna och man kan tillvarata det på olika smarta sätt. Här kommer vi till pudelns kärna!

Vad man gör när man böjer av gammakurvan i högdagrar är att man komprimerar delar av gråskalan för att få ett skenbart utökat kontrastomfång. Det sker uteslutande i det ljusa området eftersom det går åt flest digitala bitar att återge det. Vi har ungefär 6 bländarsteg i video att leka med och knökar man till gammakurvan enligt någon av de populära defakto-standards som finns, t.ex. Cinelog, Panasonic Filmgamma 1 och 2, Sony S-log m .fl., så kan man skapa bilder som t.ex. inte fräter ur i vitt och/eller man kan lyfta mörka partier och tillvarata dynamik på ett bättre sätt. (En djupare artikel om nya log-kurvor publiceras under sommaren 2017)

Avsikten, eller tricket om ni så vill, är att klämma in flera bländarsteg i samma kontrastomfång. Upp till 13-14 bländarsteg i ca 6 bländarsteg som står till buds. Det är ingenting annat än en komprimering! Man ökar kontrastomfånget men man minskar kontrasten. Dessutom, beroende på om man vill framtona låg eller högdagrar, vid manipulering i de låga ljusnivåerna så påverkar man signalbrusförhållandet högst märkbart. Det börjar helt enkelt brusa i de mörka partierna. Det här är mycket lätt att se, och också mycket störande eftersom vi från tidigare resonemang vet att ögat är oerhört mycket känsligare för brus i mörka partier än i ljusa. Det är också viktigt att förstå hur brus uppför sig i en olinjär överföring. Brus har inte någon likströmskomponent och bör alltså inte påverka lumanivån men eftersom signalen är olinjärt kodad så kommer den ljusa bruskomponenten vid kraftigt brus att få högre amplitud än de mörka och därmed ge intryck av att svartnivån är högre.

Brus påverkar alltså synintrycket av svartnivån utan att ändra den elektriska nivån på signalen.

Vidare påverkas färgåtergivningen eftersom luma i video är en gråskala som är skapad av tre stycken gammakorrigerade primärfärger, RGB. Exempel på det är mycket lätt att förstå: Om man vill göra t.ex. en mättad blå färgton något ljusare så måste man vid en viss lumanivå (ca 7 % i det här fallet) börja tillföra mera rött och grönt för att ljuset skall öka. Därmed minskar färgmättnaden. Manipulerar man gråskalan så påverkas alltså färgmättnaden.

Notera att luminans och luma är två helt olika storheter. Luminans är den linjära ljusintensiteten som vi ser i t.ex. reflekterat ljus (subtraktiv färgblandning). Luma är ljusintensiteten som skapas av de tre gammakorrigerade grundfärgerna rött, grönt och blått (additiv färgblandning) och är gammakorrigerat. Luma är alltså en olinjär storhet.

Det är viktigt att förstå att vad man ibland vinner i kontrastomfång kan man få betala för i signalbrus förhållande och färgmättnad. I efterbearbetningen så tillämpas en mängd olika LUT (look up tables) för att mappa gråskalan som coloristen eller redigeraren vill att bilden skall se ut. Samtidigt så måste man kanske också förändra färgåtergivningen eftersom den påverkas. Det finns idag en mängd bra program för rimliga pengar som hanterar grading varav kanske DaVinci och Mystica är det vanligaste. Arbetet att få till bilderna som man vill ha dem är ibland omfattande. Det är ett konstnärligt arbete bestående i att titta på bilden och bedöma hur man vill att scenen skall se ut. Det ställer i sin tur mycket stora krav på att man har en korrekt monitor att titta på annars är arbetet mer eller mindre förgäves. TV-monitorn är ett precisionsinstrument som i kombination med avancerade mätinstrument, som waveform-vector, histogram och gamut, ger dig kontroll över processen.

Gamma och moderna monitorer

Idag har vi inte bildrör i TV-monitorerna utan LCD, plasma eller OLED. Alla dessa tekniker har helt andra gammakurvor än de gamla bildrören och gammakorrigering måste numera ske även i monitorer. Denna korrigering varierar en hel del i kvalitet men de flesta är nu för tiden (2017) välgjorda. LCD monitorer behandlas lite speciellt eftersom de har problem med bildåtergivning i låga ljusnivåer, bl.a. olinjär colormetri, blockingeffekter och problem med korrekt svartnivå. Tillverkarna laborerar med olika brytningar i gammakurvan, LUT och även bakgrundsljuset i LCD-monitorer för att maskera problemen. Bilderna ser också snygga ut men man kan inte alla gånger lita på att de är korrekt återgivna på TV apparater och billiga monitorer. Endast mycket dyrbara LCD-monitorer passar för grading.

Dataindustrin har breddat utbudet av monitorer, och gjort andra lösningar än videoindustrin har, vilket gör de flesta datamonitorer oanvändbara i videosammanhang om man skall bedöma bilder. Man kan generellt säga att datamonitorer är byggda för att visa statiska bilder i väldigt ljusa miljöer till exempel kontorslandskap. Därför är de ljusstarka och använder hög bildfrekvens för att inte flimra. Det kan också vara bra att veta att t.ex. Apple hade en egen gammakurva (1,8) i sina grafikkort och datamonitorer ända fram till september år 2009. Det gör att det man ser i datamonitorn på gamla FinalCut eller AVID redigeringar med Appledatorer är fel gråskala för videobruk. Dataindustrin har av hävd haft helt andra krav på sina monitorer och grafikkort än att visa långfilm. Inte nödvändigtvis sämre men annorlunda.

Utrymmet i den här artikeln är för kort för att redogöra i detalj för moderna monitorer men jag kan försäkra er att det finns fog för att videomonitorer är mer komplicerade än vanliga datamonitorer om de skall vara exakta. Videomonitorn är ju det ytterst exakta instrumentet man har i produktions¬processen, förutom waveform-monitor, vectorscope, histogram och gamut-scope. Tro inte ett ögonblick att man, med någon extern elektronikburk och en datamonitor för kanske 1 995 kr, kan uppnå samma resultat som en precisionsmonitor för video. Bilden kan förvisso se bra ut men bilden visar inte den information som den elektriska signalen bär med sig på ett korrekt sätt. Notera dock att datamonitorer för grafiskt bruk är mycket välgjorda med noggranna toleranser men kostar därmed ungefär lika mycket som videomonitorer. De är avsedda för att återge bilder som skall tryckas på papper och har egenskaper som passar för att bedöma subtraktiv färgblandning (CMYK) och inte för additiv färgblandning (RGB). Det finns förvisso numera datamonitorer som även är anpassade för video men då skall det anges tydligt i databladen.

Bland moderna skärmtekniker är i synnerhet OLED men också plasma exempel på bra grundteknik för videomonitorer som har förmåga att visa korrekta bilder. Tyvärr har tillverkningen av Plasma monitorer upphört sedan år 2016 på grund av svårigheter i tillverkningsprocessen och inbränningsproblem på skärmarna som inte riktigt gick att hantera. LCD lämpar sig bra för vanliga TV-apparater och datorskärmar då de är billiga att tillverka och man kan manipulera bilden, bl.a. med olika automatik, att se tilltalande ut, men tyvärr därmed ofta mer eller mindre fel. På senare tid (2014 +) har det dock dykt upp ett antal nya LCD teknologier som utvecklas och blir bättre och bättre. Några av de bästa och mest prestigefulla Grade 1 monitorer som finns idag är av LCD typ.

Vad beträffar inställningen allmänt sett av monitorer så är det viktigaste ur gammasynpunkt att man ställer in svartnivån, med ljusknappen (brightness), absolut korrekt. Ljusknappen på TV-monitorn skjuter nämligen gammakurvan upp och ner i gråskalan och står den fel blir allt fel i bilden. Använd testsignalen "PLUGE" (Picture LineUp Generator) som finns i de flesta signalgeneratorer, för att korrigera exakt rätt. Kontrasten på monitorn ställs in efter det ljus som ni har i rummet. Färgmättnaden ställs in med hjälp av "Blu Only-funktionen" på monitorn och en färgbalk med 100 % mättnad. Bra monitorer har också ett gammaval. Ställ det i 2,4 alternativt "CRT" om ni är vana att titta på t.ex Sonys 32" BVM rörmonitor. Notera att det rätta värdet enligt ursprungliga specifikationen av gamma är 2,22. På senare år och mot bakgrund av att senare generationer av bildrören fick ett gammavärde som närmade sig 2,4 så har merparten av monitortillverkare använt 2,4 som defakto standard. Bra monitorer är omställbara mellan 2,22 och 2,4.

Jag har i artikeln ovan skrapat lite på ytan, tekniskt sett, av de synnerligen komplexa samband som gammakorrektion, luma, färgmättnad och brusegenskaper utgör. Gamma är ju både en fysiologisk och en teknisk storhet. De här sambanden är väl utredda teoretiskt sett men i praktiken blir det ändå att laborera. Den konstnärliga delen varken kan eller vill jag lägga synpunkter på.

Min förhoppning är att artikeln skall sprida lite ljus över de tekniska sambanden och underlätta för er som börjar med gradingverksamhet, både vad gäller inköp av utrustning och insikt i problemen. Eller snarare kanske man skall säga möjligheterna.