如何处理PNG文件格式中的色彩空间和伽马？

Question

这是我的问题：

我正在使用光谱样本进行渲染，并希望保存显示结果的图像。我通过CIE XYZ色匹配函数对我的光谱功率函数进行加权，以获得XYZ颜色空间结果。我将这个XYZ颜色元组乘以 此页面 给出的用于转换为sRGB的矩阵，并将结果夹紧在(0,1)之间。

为了保存图像，我将转换后的元组缩放255倍并转换为字节，并将数组传递给libpng的png_write_image()。当我以这种方式渲染均匀强度、纯色光谱时，它看起来不对劲；在颜色之间的过渡中有黑色条纹。这也许并不奇怪，因为从XYZ转换到sRGB时，颜色分量必须在矩阵乘法之后被提高到2.4（或者如果它们足够小，则线性缩放）。但是如果我这样做，它看起来会更糟糕！只有在提高到1/2.2之后，它才开始看起来正确。似乎在我没有做任何事情的情况下，解码图像应用了约2.2的gamma 两次。

这是我期望它工作的方式：我将矩阵应用于XYZ，然后得到一个大致能量线性的RGB元组。我将其提高到2.2，现在有了一个感知线性的颜色元组。我按原样编码这些数字（从而有效地利用文件精度），并在文件中存储一个字段，说明“这些字节已使用gamma 2.2进行编码”。然后在图像加载时，解码系统取消应用编码的gamma，然后在显示之前应用系统gamma。（因此从作者的角度来看，我不必关心查看者的系统gamma是什么）。但是我得到的结果表明它不是这样工作的。

更糟糕的是，我尝试使用2.2和1/2.2调用png_set_gAMA()，但图像没有任何区别。我使用png_set_sRGB()也获得类似的结果（我认为应该强制gamma为1/2.2）。 对于如何转换我的颜色值或PNG如何处理gamma和颜色空间，必须有一些我理解错误的地方。为了澄清问题，可以分解为以下几个问题：

• 我需要传递给write_png()的字节值所对应的颜色空间是什么？
• 为了确保正确显示，必须通过哪些调用来指定传递的字节的颜色空间和伽马值，它们可能会失败吗？
• png文件中的伽马字段与我已应用于传递的颜色通道值的指数有何关系（如果有）？
• 如果我需要在发送图像数据之前反转伽马曲线（这点我还有疑问，但现在看起来似乎必要），那么是否应该包括sRGB曲线的线性部分？

此外，我看到提示，XYZ和sRGB之间的转换中“白点”很重要。我不清楚上述网站的矩阵是否包括对D65的重新归一化（它与Wikipedia的矩阵不匹配）-或者何时需要进行这样的转换。我找到的大部分文献都略过了这些细节。是否还有其他未在维基文章中提及的转换步骤，或者这将被自动处理？

- trbabb

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可能有用的链接：https://hsivonen.fi/png-gamma/ 和 http://morris-photographics.com/photoshop/articles/png-gamma.html - leonbloy

Answer 1

这基本上是您所期望的方式。png_set_gAMA()会导致libpng在输出PNG文件中写入gAMA块。它不会改变像素本身。一个符合png标准的查看器应该使用从块中获得的伽马值，与显示器的伽马值相结合，在显示器上正确地写入像素强度值。大多数解码器实际上不会执行您描述的两步（取消应用图像伽马，然后应用系统伽马）方法，尽管结果在概念上是相同的：它将组合图像伽马和系统伽马以创建查找表，然后使用该表将像素转换为一步。从您观察到的情况来看（gamma=2.2和gamma=1/2.2表现相同），似乎您正在使用一个不对PNG gAMA块数据做任何处理的查看器。

- Glenn Randers-Pehrson

Answer 2

你说：

因为从XYZ到sRGB的转换，在矩阵乘法之后，颜色分量必须升高到2.4...

不，这是不正确的。从线性（XYZ）到sRGB，你不需要升高到2.4或2.2，这是用于从sRGB到线性的。

从线性到sRGB，你需要升高到^(1/2.2)，或者如果使用sRGB分段函数，则会看到1/2.4 - 你应用的有效伽马值为^0.45455。

在你链接的维基百科页面上，这是正向变换。

从XYZ到sRGB：

当然，前提是应用了正确的矩阵。假设一切都在D65下，那么：

线性的直白谈

在现实世界中，光是线性的。如果你把100个光子三倍，那么你就有了300个光子。但人眼看不到三倍增加，我们只能看到相对较小的增加。

这部分原因是为什么转换曲线或“伽马”被使用，以利用8位图像中可用的代码空间（我知道这是过度简化）。

为了做到这一点，线性光值被提高到0.455的幂，并且为了将sRGB值恢复到线性空间，然后我们将其提高到反向的幂，即^1/0.455，也称为^2.2

矩阵的使用必须在线性空间中完成。但在经过矩阵变换后，需要应用trc或“gamma”编码。根据您的陈述，不，事物并没有添加两次2.2，您只是走错了路。

- Myndex

Answer 3

你写道：“似乎在我没有做任何事情的情况下，解码后的图像已经应用了大约2.2的伽马两次。”

我认为你的显示器（硬件或系统ICC配置文件）已经有一个伽马设置。

- Shenga