从JPEG图像中提取亮度的正确方法是什么（伽马校正等）？

Question

从JPEG图像中提取亮度的正确方法是什么（伽马校正等）？

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简而言之：我无法从JPEG照片的RGB值中提取有意义的光强度，并且尝试考虑伽马校正或sRGB只会使情况变得更糟。

我正在做一个玩具项目，涉及处理一堆使用间隔计拍摄的照片图像。基本上，我想将它们制作成时间流逝视频，并进行一些修正，使得剪辑更整洁。我使用佳能数码单反相机。

我需要一个函数，可以给定一个JPEG文件，找出“平均场景亮度”。结果应该是一个简单的数字；不需要用任何绝对光度单位来表达，我只做相对比较。因此，例如，你拍了一张房间的照片，函数返回“5.0”。然后你在灯光旁边加了第二个完全相同类型的灯泡，再次拍摄。现在该函数应该给你“10.0”。

因此，我目前的这个函数实现结合了几个方面：ISO速度、快门速度、光圈（从EXIF中提取）和平均图像亮度。显然，Exif信息更重要，因为在自动模式下，相机会尝试使用这样那样的设置，所以图像亮度围绕中灰点左右。然而，ISO/快门/光圈设置的分辨率都不到1/3档，因此检测图像亮度对于“微调”非常重要。

当我进行此操作时，我得到了一些明显错误的结果，我挖掘得越深，就越感到困惑。因此最终我设置了一个“几乎严肃”的实验：

测试设置： 一个房间里的简单墙壁，使用白炽灯照明，光线比较均匀。使用两台相机进行比较：50毫米定焦镜头的5D和35毫米定焦镜头的350D。离墙距离：约3米。所有照片都以1/10秒快门速度拍摄。相机设置：手动，“忠实模式”（无增强、无饱和度或对比度提升），钨丝白平衡，无自定义功能，JPEG-Fine，sRGB色彩空间。镜头没有滤镜。照明不变，只改变ISO和光圈设置。以下是我得到的结果：

     Avg   Spd   ISO  Aperture
1. 0.3507, 0.10, 100, f/2.8
2. 0.5382, 0.10, 200, f/2.8
3. 0.3557, 0.10, 200, f/4.0
4. 0.2709, 0.10, 200, f/5.0
5. 0.2118, 0.10, 200, f/5.6
6. 0.1718, 0.10, 200, f/6.3
7. 0.1459, 0.10, 200, f/7.1
8. 0.1112, 0.10, 200, f/8.0
9. 0.0883, 0.10, 200, f/9.0

第一列是整个图像的平均像素值（直接从JPEG中获取），通过将(R+G+B)/3转换为灰度值。颜色在[0..1]范围内进行归一化，通过将[0..255]范围除以255来实现。因此，在1)和2)之间，我仅更改ISO设置，图像应该变亮两倍，但平均像素值仅增加53%（没有任何过曝区域）。

2..3: 光圈减小一档，图像应该变暗一半，因此1)和3)相同（额外的亮度可能是由于减少了晕影）。

3..5: 再次减小一档，因此5)应该比3)暗一半。

5..8: 同样，应该减半（虽然基本上没问题）。

所有这些都非常奇怪。顺便说一句，两台相机的结果是一致的，这表明这不仅仅是特定型号的奇特之处。

这是没有应用任何伽马校正的情况。JPEG读取代码使用C++编写，基本上遵循了IJG示例代码（djpeg实用程序）。现在，JPEG保存了经过伽马校正的值，因此像素值应被视为sRGB颜色空间中的值（获取源像素，转换为[0..1]，并应用sRGB->linear RGB transform。让我们尝试一下：

     Avg   Spd   ISO  Aperture
1. 0.1140, 0.10, 100, f/2.8
2. 0.2746, 0.10, 200, f/2.8
3. 0.1175, 0.10, 200, f/4.0
4. 0.0682, 0.10, 200, f/5.0
5. 0.0424, 0.10, 200, f/5.6
6. 0.0287, 0.10, 200, f/6.3
7. 0.0213, 0.10, 200, f/7.1
8. 0.0133, 0.10, 200, f/8.0
9. 0.0092, 0.10, 200, f/9.0

我还尝试了“普通”的伽马校正（伽马=2.2），结果与sRGB校正情况非常相似。

所以我非常困惑。有人能解释一下从相机JPEG中提取的RGB强度应该如何真正解释吗？因为我已经没有任何想法了 :)

- anrieff

我怀疑相机传感器不完全是线性的。另外，看起来你想要一个线性的亮度值..每个像素覆盖了一个区域，所以也许尝试一下取 luminosity 值的平方根。你还可以尝试转换为 HSB 并使用其中的亮度值。这似乎很有用： http://www.kweii.com/site/color_theory/2007_LV/BrightnessCalculation.pdf - Pete

@Pete，感谢你的指点。是的，我确实需要一个线性亮度值。然而，HSB方法和RGB向量长度方法确定亮度并不适用于我的测试照片；它们几乎是灰色的，因此无论使用哪种方法，亮度测量都是微不足道的。平方根的想法也没有帮助，我还认为这不是物理上正确的...亮度加倍，图像传感器中的光子应该增加一倍。传感器本身是固有线性的。 - anrieff

最后一个链接还提到了数字传输函数，这可能是困扰我的问题。如果我发现了任何重大发现，我将进一步研究并发布更新。 - anrieff

1个回答

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可以查看英文原文，
原文链接

- anrieff · Accepted Answer

因此，当我继续阅读时，这个谜团逐渐揭开。

尽管相机的传感器在理论上能够测量线性光强度，但它显然并未这样做，而是模仿了照相胶片的行为，后者具有众所周知的非线性响应（例如，请参见此处，图3）。因此，数码单反的响应曲线远非线性，而更像这样：

数码相机曝光响应

因此，如果没有精确的校准，从像素值中获取场景绝对亮度是不切实际的。

然而，我只想对照片进行亮度调整，大致正确的亮度估计就足够了，因此我开始重构我的相机（佳能350D）的传输函数：

佳能350D传感器的对数线性响应曲线

白色数据点对应于各种光圈值（f / 22、f / 20、f / 18、f / 16等，以1/3档为增量）下的不同曝光。与上一个图表一样，X轴是入射亮度的对数，而Y轴是像素值（经Gamma校正后）的线性值。假设该图表在单位正方形内，我还通过五阶多项式计算出了近似拟合曲线：

(((((- 6.76219 * x) + 12.0459) * x - 5.8683) * x + 1.72338) * x - 0.148753) * x + 0.0105364;

对于列表[0.05，1]中的每一个x：

所以，如果你拥有原始（“真实”）亮度，获取像素值将如下：

获取输入亮度的对数，并线性转换它，使您在[0..1]间隔内具有7¾个曝光档次，
应用上述多项式（不过，您需要对[0..0.05)区间进行特殊处理）。
应用sRGB压缩。

称此变换为T，并且我应用程序中的整个工作流程现在如下所示：

使用T^-1处理输入JPEG图像，
结果值以浮点格式保留，并被视为线性RGB值，
在保存结果回JPEG之前应用T。