线性光与伽马：图形处理为什么在线性空间做

这一页解决一个具体困惑：为什么同一张图，在不同软件里缩放、模糊、混色的结果会不一样。 答案通常是同一个 —— 它们在不同的空间里做了运算。

本页按三段式走：先把两个"亮度"分清（概念）→ 再学会判断与设置（会用）→ 最后把"为什么会偏"推导出来（原理）。

📌 本页在"色彩管线"上的位置：本页负责运算空间这一环（为什么处理要在线性光下做）。灰阶与 EOTF 见灰阶与 EOTF；管线全图与可补性矩阵见偏色与补偿。

一、概念：两个"亮度"不是一回事

概念	含义
编码值（图像文件里的 0–255）	为了存储与传输做了非线性变换的值
线性光（实际光强比例）	物理上的光强，翻倍就是真的翻倍

两者之间是一次幂函数关系（指数即通常说的伽马）。加这个变换，是为了让有限位深在暗部更省、更精细 —— 因为人眼对暗部的差别更敏感（见人眼视觉基础）。

⚠️ 关键后果：编码值上的"中灰"不是光强的"一半"。所以直接在编码值上做算术，结果会偏。

传递函数在链路两端各管一段（术语容易混，先分清）：

内容编码      编码侧把光转成电信号存储 —— 光 → 电（OETF 类）
    ↓
线性光        合成与处理应在此进行
    ↓
显示端        把电信号还原成光 —— 电 → 光（EOTF / PQ / HLG）

编码侧负责"用有限码位尽量装下感知上重要的信息"；
显示端负责"把码值还原成应有的光"，也就是通常说的 EOTF 与灰阶跟踪；
本页关心的是中间那层：处理链有没有在正确的空间里算。

二、会用（一）：怎么判断"这段在错的空间里算"

运算	在编码值上做	正确做法（线性光下）	实际表现
缩放 / 重采样	边缘变暗或发亮	先转线性再缩放	细线条缩放后"变细"或发灰
模糊	亮部扩散不足、暗部过度	线性下混合	光晕与过渡不自然
抗锯齿	边缘偏暗（"黑边感"）	线性下加权	文字与斜边显脏
半透明混色	混合结果偏暗	线性下混合	玻璃与烟雾类效果失真
HDR 合成	高光滚降不自然	线性下合成再映射	高光层次丢失

四类可以自己做的验证（用内容去问链路的"空间问题"）：

① 细线 / 单像素线条：缩放或缩放后再看，是否"变细、发灰、断裂"
   —— 空间错误最先在线条类内容上暴露
② 黑白渐变：看台阶分布是否与预期一致（错的空间+映射会重排台阶）
③ 半透明叠加：玻璃 / 烟雾 / 粒子效果，看是否整体偏暗
④ HDR 高光滚降：太阳、灯泡、金属反射，看高光是否"糊成一片"

✅ 一句话：只要涉及"两个光强的加权平均"，就应该在线性空间做。 伽马空间的算术会系统性地压暗亮部的权重（推导见第五节）。

⚠️ 这类问题的特征：不是"偏色"，而是亮度的分配不对 —— 判据上表现为渐变台阶、边缘发脏、暗部细节丢失（见色深与量化）。

三、会用（二）：设置清单（按环节）

环节	该确认什么	常见错误
内容 / 制作侧	内容标称的空间（sRGB / BT.709 / P3 / HDR 格式）	把广色域素材当 sRGB 处理
系统 / 软件	是否启用色彩管理；缩放与合成在哪个空间做	关掉色彩管理后仍按"颜色准"评价
显卡 / 播放器	输出范围（有限 / 全）、缩放方式、是否二次处理	双重缩放导致锐度与台阶变化
显示器	色域模式、伽马 / EOTF 设定、增强项是否在动	用"增强"去补内容侧的错误
链路	色度抽样、色深、是否 DSC	抽样被降到 4:2:0 而不知情

两条顺序原则：

① 先修"解释"，再修"显示" —— 内容标称的空间与显示器色域模式要匹配，
   否则后面所有调参都在补偿一个错的起点
② 伽马 / EOTF 的选择以标准与制作环境的规定为准（口径见 [灰阶与 EOTF](grayscale-and-eotf.md)，
   数值出处见 [标准值总表](standards-values.md)）—— 不要用"看起来更亮"来选

四、会用（三）：什么时候"改运算空间"才是正解

现象	该不该动运算空间
缩放到非整数倍后细线变细、发灰	✅ 多半是缩放器的空间问题
模糊 / 景深过渡生硬、发白	✅ 合成空间问题
半透明叠加整体偏暗	✅ 混合空间问题
整体色偏、白点不对	❌ 属白点与映射问题（见白点与色温）
暗部台阶	⚠️ 可能是位深/LUT/映射，也可能是空间（见第六节）
亮度不够、对比不足	❌ 属亮度与背光层（见背光与调光）

⚠️ 误诊代价：把"空间问题"当"色准问题"去调白点，会把本来正确的颜色调偏；把"色准问题"当"空间问题"，会去改缩放与合成，问题却一点没动。

五、原理：为什么会偏（可推导）

① 为什么要加伽马：把码位按"感知"分配

若码值线性对应光强：暗部很多码位对应人眼几乎分不出的差别 → 浪费
伽马编码后：暗部每个码值对应的光强差更小 → 同样的位深，感知上更均匀

所以伽马不是"为了好看"，而是在有限位深下提高感知效率的工程选择。

② 推导：为什么在编码值上取平均会偏

取两个极端值：0（黑）与满值（白）

在线性光下取中点 → 光强应为 50%
把它换算回编码值（按常见 2.2 关系）→ 约 0.73 满值，而不是 0.5 满值

反过来：编码值取中点（0.5 满值）→ 对应的光强明显低于 50%

结论：编码值上的算术，等于给暗部加权（暗部在编码轴上占的"长度"更多）。所以凡是要做加权平均的操作（缩放、模糊、抗锯齿、半透明混合、HDR 合成），都该先转到线性光再算、算完再转回去。

③ 为什么显示端要用"反向"的传递函数

环节	方向	作用
编码侧	光 → 电	用有限码位装下感知上重要的层次
显示端	电 → 光	还原成应有的光；决定灰阶跟踪是否准确
HDR	电 → 光（PQ / HLG）	需要覆盖更大动态范围，用不同的映射思路

④ 为什么"黑位增强 / 对比度增强"会破坏伽马

这类功能改的是映射链（把某段灰阶重新分配），并不增加面板能力 —— 结果是灰阶跟踪相对目标曲线偏移：暗部被抬亮、层次被压缩，与校准时的曲线不一致。

⚠️ 所以"测完再开增强"等于换了判据（见灰阶与 EOTF、图像处理与画质引擎）。

六、判据与验收要记录的条件

必记	为什么
缩放方式与倍率	整数倍与非整数倍的算法不同
处理链所在的空间	决定边缘与过渡的表现
内容标称的空间与传递函数	与显示端是否匹配
显示端传递函数与模式	EOTF 决定最终光输出
位深与链路抽样 / 压缩	台阶与量化的另一条来源
是否启用 HDR 合成	混合空间不一致会放大问题

✅ 判据怎么落：上表条件写成判据时，套判据与验收的模板；换了处理链或设置之后的数据能不能比，见测量标准索引。

七、常见误区

误区	事实
伽马只是"亮度曲线"，调调就行	它决定运算空间，影响缩放与合成结果
位深够高就不会有台阶	台阶也可能来自运算空间与映射链
只有显示器是可调环节	播放器、缩放器、合成与系统级色彩管理都在链上
线性光只与 HDR 有关	SDR 的缩放、半透明混合同样受影响
"看起来更亮"就是伽马选对了	显示端传递函数要与内容标称、制作环境匹配
开了增强再校准也一样	增强改的是映射链，会与校准结果互相抵消

📋 判据接口：本页属色彩与视觉类 —— 依此页结论做判定时，除通用条件外还必须附带判据字段集 · 色彩与视觉类所列字段（共 7 项）：这个"颜色对不上"是偏差、是范围，还是观察条件？缺任一项，结论不可复核，只能作降级表述。

关键概念速查

通用术语见统一速查（由统计生成，只在一处维护）。

术语	含义
编码值 / 线性光	文件里的数值 / 物理光强，两者是幂函数关系
线性空间运算	加权平均类操作应在光强比例下做
编码侧传递函数	光 → 电，把感知层次装进有限码位
显示端传递函数	电 → 光，决定灰阶跟踪与最终光输出
EOTF / PQ / HLG	显示端的几类"电 → 光"映射思路

线性光与伽马：图形处理为什么在线性空间做 ​

一、概念：两个"亮度"不是一回事 ​

二、会用（一）：怎么判断"这段在错的空间里算" ​

三、会用（二）：设置清单（按环节） ​

四、会用（三）：什么时候"改运算空间"才是正解 ​

五、原理：为什么会偏（可推导） ​

六、判据与验收要记录的条件 ​

七、常见误区 ​

关键概念速查 ​

相关文档 ​