如何处理 PNG 文件格式的色彩空间和伽玛？

Question

这是我的问题：

我正在使用光谱样本进行一些渲染，并希望保存显示结果的图像。我通过 CIE XYZ 颜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。我将此 XYZ 颜色元组乘以 this page 给出的矩阵以转换为 sRGB，并将结果钳制为 (0,1)。

为了保存图像，我将转换后的元组缩放 255 并将其转换为字节，然后将数组传递给 libpng 的png_write_image()。当我查看以这种方式渲染的均匀强度、纯色谱时，它看起来是错误的；颜色之间的过渡中有暗带。这可能并不令人惊讶，因为要从 XYZ 转换为 sRGB，矩阵之后的颜色分量 must be raised to 2.4 会相乘（或者如果它们足够小，则进行线性缩放）。但如果我这样做，它看起来更糟！只有在加注到 1/2.2 之后，它才开始看起来正确。看起来，在我没有做任何事情的情况下，解码图像的伽马值约为 2.2，两次。

这是我期望它工作的方式：我将矩阵应用于 XYZ，并且我有一个大致能量线性的 RGB 元组。我将它提高到 2.2，现在有一个感知线性颜色元组。我按原样对这些数字进行编码（从而有效利用文件精度），并在文件中存储一个字段，说明“这些字节已使用 gamma 2.2 编码”。然后在图像加载时，解码系统取消应用编码的伽玛，然后在显示之前应用系统伽玛。 （因此从创作的角度来看，我不必关心观众的系统伽玛是什么）。但我得到的结果表明它不能以这种方式工作。

更糟糕的是，我尝试使用 2.2 和 1/2.2 调用 png_set_gAMA()，但在图像中看不到任何差异。我用png_set_sRGB() 得到了类似的结果（我相信这应该迫使伽马为1/2.2）。 关于我应该如何转换我的颜色值，或者 PNG 如何处理伽马和颜色空间，我一定有一些倒退或不理解的东西。将其分解为几个明确的问题：

• 我希望传递给write_png() 的字节值的颜色空间是什么？
• 我必须对 libpng 进行哪些调用（如果有），以指定传递字节的色彩空间和 gamma，以确保正确显示？为什么他们会失败？
• png 文件中的 gamma 字段与我应用于传递的颜色通道值（如果有）的指数有什么关系？
• 如果希望我在发送图像数据之前反转 gamma 曲线（我对此表示怀疑，但现在似乎有必要），那么该反转是否应该包括 sRGB 曲线的线性部分？

此外，我发现“白点”在 XYZ 和 sRGB 之间的转换中很重要。我不清楚上面给出的站点中的矩阵是否包括对 D65 的重整化（它与 Wikipedia 的矩阵不匹配） - 甚至何时需要进行这种转换。我发现的大多数文献都掩盖了细节。维基文章中没有提到转换中的另一个步骤，还是会自动处理？

Answer 1

这几乎是您所期望的方式。 png_set_gAMA() 使 libpng 编写一个 gAMA 输出PNG文件中的块。它不会改变像素本身。符合 png 的 查看器应该使用块中的伽马值，结合显示器的伽马，在显示器上正确写入像素强度值。大多数解码器实际上不会执行您描述的两步（取消应用图像伽玛，然后应用系统伽玛）方法，尽管结果在概念上是相同的：它将图像伽玛与系统伽玛结合以创建查找表，然后使用该表格一步转换像素。

根据您的观察结果（gamma=2.2 和 gamma=1/2.2 的行为相同），您使用的查看器似乎对 PNG gAMA 块数据没有任何作用。

Answer 2

您写道：“看起来，在我没有做任何事情的情况下，解码后的图像应用了两次 ~2.2 的 gamma。”

我认为您的显示器（硬件或系统 icc 配置文件）本身已经设置了 gamma。

Answer 3

你说：

因为要从 XYZ 转换为 sRGB，矩阵乘法后颜色分量必须提升到 2.4...

不，这是不正确的。从线性 (XYZ) 到 sRGB，您确实不提升到 2.4 或 2.2，即从 sRGB 到线性。 p>

从线性到 sRGB，您提高到 ^(1/2.2)，或者如果分段使用 sRGB，您将看到 1/2.4 — 您应用的有效伽马为 ^0.45455

在您链接的维基百科页面上，这是 FORWARD 转换。

从 XYZ 到 sRGB：

那当然是在应用正确的矩阵之后。假设一切都在 D65 中，那么：

直说线性

现实世界中的光是线性的。如果你将 100 个光子增加三倍，那么你就有 300 个光子。但是人眼看不到三倍，相比之下，我们只看到了适度的增长。

这就是为什么要使用传输曲线或“伽玛”的部分原因，以充分利用 8 位图像中的可用代码空间（我知道这过于简单化了）。

为此，将线性光值提高到 0.455 的幂，并将 sRGB 值返回到线性空间，然后我们将其提高到逆，即 ^1/0.455 也称为 ^2.2

矩阵的使用必须在线性空间中完成。但是在转换矩阵之后，您需要应用 trc 或“gamma”编码。根据您的陈述，不，事情没有两次添加 2.2，您只是走错了路。