감마 보정(Gamma Correction) 이란...

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[카메라·영상]

2017. 10. 11.


아래 블로그는 "라온피플" 회사의 블로그 내용을 참조한 것 입니다



Gamma Correction(감마 보정 혹은 감마 교정)에 대한 사전적(wiki 참조) 의미를 먼저 찾아보면


비디오 카메라, 컴퓨터 그래픽 등에서 비선형 전달 함수(nonlinear transfer function)를 사용하여

빛의 강도(intensity) 신호를 비선형적으로 변형하는 것을 말합니다.


즉, 위의 사전적 의미를 쉽게 정리하면 빛의 강도(intensity) 신호에

비선형 전달 함수를 사용하여 변형을 주는 것을 의미합니다.


<그림 1. 감마 보정의 사전적 의미>

그렇다면 비선형 전달 함수를 이용해서

빛의 강도를 변형 시켜주는 이유는 무엇일까요?

 

감마 보정(Gamma Correction) 배경

과거 브라운관(음극선관 혹은 CRT)이 대중적으로 사용되던 당시에 브라운관의 특성 중하나인 출력이

비선형적인 특성을 가진다는 것을 보안(보정)하기 위해 필요한 것으로 많이 알고 있습니다.

러나 CRT의 비선형성은 감마 보정의 주된 이유가 아닙니다.

 

    

        <그림 2. CRT 모니터(좌), 비선형 특성(우)>

 


물론 브라운관을 포함한 다양한 출력 장치의 특성으로 인해 감마 보정이 필요할 수도 있지만

기술의 발전으로 선형에 가까운 출력을 내더라도 부수적으로 감마 보정을 계속해서 함께

사용하고 있습니다.

즉, 출력 장치의 특성 외에도 감마 보정을 사용하는 주된 이유는

인간의 시각이 비선형적으로 대응하기 때문입니다.


인간의 시각은 베버의 법칙(Weber's law)에 따라 밝기에 대해 비선형적으로 반응합니다.


베버의 법칙을 간단히 정리하면,

감각기에서 자극의 변화를 느끼기 위해서는 처음 자극에 대해

일정 비율 이상으로 자극을 받아야 인지 할 수 있습니다.

또한, 처음에 약한 자극을 받으면 자극의 변화가 적어도

그 변화를 인지 할 수 있으며,

처음에 강한 자극을 받으면 자극의 변화가 커야

그 변화를 인지 할 수 있습니다.

베버의 법칙은 인간의 시각뿐만 아니라

청각과 같은 다른 감각들도 동일하게 해당합니다.

즉, 밝기가 어두울 때 사람의 눈은 밝기의 변화에 민감하게 반응하고,

밝기가 밝을 때 사람의 눈은 밝기의 변화에 둔감합니다.

따라서, 한정적인 표현 영역(bit)으로 분배를 해야 한다면

밝은 쪽 보다는 어두운 쪽에 그 비중을 크게 두는 것이 좋습니다.

 

   <그림 3. 베버의 법칙(Weber's law)>

다시 질문에 대한 결론을 내면 "비선형 전달 함수"가 필요한 이유는

인간의 시각이 비선형적인 특성 갖기 때문입니다.


인간의 시각이 비선형적인 특성 때문에 가지는 간단한 예제로 0부터 255까지 증가하는

Gray 그라데이션 이미지를 볼 때, 상대적으로 어두운 쪽보다 밝은 쪽이 넓어 보이는 것을

알 수 있습니다.

 

  <그림 4. Gray 그라데이션>


감마 값(Gamma Value)의 의미


감마 보정(Gamma Correction)을 위해서는

선형 전달 함수를 거쳐야 한다는 것을 앞서 알게 되었다.

이러한 비선형 전달 함수는 아래의 식으로 구성되어 있습니다.


    <그림 5. 비선형 전달 함수 식>


 

즉, Gain은 입력 Data(Intensity)에 곱하는 계수,

Offset은 입력 Data(Intensity)에 더하는 값,

마지막으로 Gamma는 입력 Data(Intensity)의 자승을 의미합니다.

따라서 Gamma 자승을 통해서 비선형적인 Data를 만들 수 있게 됩니다.


 

    <그림 6. 자승을 통해 얻어지는 비선형 그래프>


상기 그래프를 통해 감마 값이 1보다 커질수록 아래로 볼록한 곡선이 되며,

1보다 작아 질수록 위로 볼록한 곡선이 되는 것을 확인 할 수 있습니다.


감마 보정(Gamma Correction) 결론

 

    <그림 5. Gamma Correction의 예>

 

시작은 브라운관의 단점을 보완하기 위한 방안으로 시작되었을지 모르지만

결과적으로 인간의 시각은 비선형적이고 Gain과 Offset 만으로 밝기를 조정하는 보다

효과적으로 밝기를 조정 할 수 있게 도와주는 것은 분명합니다.