概述
首先我想說，接觸到Gamma的概念也很長時間了，一直沒有認真的去學習它。知其然而不知其所以然。最近恰巧學到了這一部分，就想徹底地搞懂它。
CRT
說起Gamma，肯定離不開CRT（陰極射線管）。
CRT（陰極射線管）是大多數計算機顯示器、視訊監視器、電視接收器和示波器中使用的顯示裝置，由德國科學家 Karl Ferdinand Braun於1897年發明。它的特點是熒光屏被加熱的陰極發射的電子束照射時發出可見光。電子被集中在一束光中，這束光在磁場的作用下發生偏轉，掃描被磷光材料覆蓋的觀察端(陽極)。當電子撞擊這種材料時，就會發出光來。
在電視陰極射線管(CRT)中，整個映象管區域以一種固定的模式被掃描，這種模式被稱為光柵。通過視訊訊號調節電子束的強度，就可以產生一幅影像。在現代的電視機中，電子束是通過一個磁軛(一組由電子電路驅動的線圈)作用在電子管頸上的磁場來掃描的。彩色陰極射線管使用三種不同的材料，分別發出綠色、藍色和紅色的光，緊密地排列在條狀(在孔徑格柵設計中)或簇狀(在蔭罩陰極射線管中)。有三支電子槍，每種顏色一支，每支電子槍只能打到一種顏色的點。
在電視的早期，人們發現陰極射線管不會產生與輸入電壓成比例的光強。視訊訊號與陰極射線管產生的光(傳遞函式)之間的關係是非線性的，通常用冪定律來描述:
Gamma(γ)的值為2.8 (PAL和SECAM制式)或2.2 (NTSC)。傳遞函式通常被稱為曲線。它是由電子槍內部的靜電效應引起的。這種關係的圖形，如下所示：
按照這種關係，最後螢幕上顯示的亮度會比預期中的更暗。
比如如果是線性關係的話，50%亮度的入射光應該輸出50%的亮度；但是按照這個指數關係，\(50 \%^{2.2} = 21.8 \%\)，實際上在CRT顯示器上只會輸出21.8%的亮度，還不到預期亮度的一半！
Gamma編碼
人們發現了CRT的問題，必然要想辦法解決。
可以想到的一種解決方法是，改變CRT顯示器，使其可以線性輸出。但當時已經存在很多的CRT顯示器，重新改造的話，不是很現實。考慮到當時的情況，影像採集裝置，例如相機，並不是很多，能不能對其進行改良，來解決CRT的Gamma問題呢？答案是肯定的。
圖形採集裝置，採集到的現實中的亮度，是線性的。在需要將採集到的資料儲存之前，可以進行Gamma編碼，它也符合冪定律：
用影像表示這種關係的話，如下：
問題來了，這樣為什麼可以解決CRT的Gamma問題呢？
從數學上來看，儲存影像時，要進行的操作是：
將影像顯示到螢幕上，要進行的操作是：
所以，最後螢幕上輸出的，是線性的。這個過程如下圖所示：
這樣，就可以解決CRT的Gamma問題了。
許多文章提到Gamma編碼與人類視覺對亮度的非線性響應有關。這是不準確的。
這種混淆很可能源於Gamma編碼(大約\(x^{0.45}\))和人類視覺(大約\(x^{0.42}\))之間非常相似的指數關係——但這只是巧合。
話雖如此，這種類似的關係確實有一個顯著的好處。由於Gamma編碼重新分配的色調水平更接近我們的眼睛如何感知它們，我們對暗部的表達更精細，而對亮部的表達會比較簡單。
這是因為人類的視覺對暗部的變化比亮部的變化更敏感。通過以與我們的視覺系統相匹配的方式對資料進行編碼，色調值可以更有效地分佈。換句話說，在亮部，我們很難看到細微的差別；然而，在暗部，我們卻能探測到同樣的絕對變化。因此，即使在更高的亮度級別上有更少的色調，我們也不會感知到任何差異。
所以，同等頻寬/儲存空間的前提下，儘量儲存更多的暗部的資訊可以給人帶來更多的資訊量。
Gamma編碼的圖形表示如下。可以看到，在輸入x比較低的時候，y有更大的增長性；而在x比較大的時候，y的增長性就比較平緩了。所以我們可以使用更多的空間來處理暗部的資訊。
重要的是要記住，這不是我們Gamma編碼影像的原因，只是一個有趣的副作用。
sRGB (standard Red Green Blue)
sRGB是一個彩色空間，是當今消費電子裝置，事實上的標準，包括顯示器、數位相機、掃描器、印表機和手持裝置。它也是網際網路上影像的標準顏色空間。
sRGB規範定義了使用什麼Gamma來對sRGB影像進行編碼和解碼。sRGB的Gamma非常接近標準Gamma2.2。
因為顯示器總是在sRGB空間中顯示應用了Gamma的顏色，無論什麼時候當你在計算機上繪製、編輯或者畫出一個圖片的時候，你所選的顏色都是根據你在顯示器上看到的那種。這實際意味著所有你建立或編輯的圖片並不是線上性空間，而是在sRGB空間中，假如在你的螢幕上對紅色翻一倍，就是根據你所感知到的亮度進行的，並不等於將紅色元素加倍。
這裡考慮兩種情況，一種情況是，影像是影像採集裝置（如相機）產生的；另一種情況是，影像是美術工作者在計算機上畫出來的。
對於前者，裝置採集到影像後，會對線性的影像進行Gamma編碼，即應用\(V_{encode} = V_{linear}^{\gamma}\)的冪函式關係對映。這裡，\(\gamma\)約等於0.45（\(1/2.2\)）。此時，影像就儲存在sRGB空間中。
對於後者，當美術工作者在計算機上作圖時，並不是線上性空間中，而是在sRGB空間中。
Gamma工作流
儘管有這些好處，Gamma編碼還是在記錄和顯示影像的過程中，增加了一層複雜性。一個Gamma編碼的影像在螢幕上顯示時，必須有Gamma解碼，它被視為有效的轉換為原始場景的效果。換句話說，Gamma編碼的目的是記錄影像，而不是顯示影像。幸運的是，這第二步(“Gamma解碼”)是由顯示器和視訊卡自動執行。下圖說明了所有這些是如何組合在一起的：
- 影像\(\gamma\)：當捕獲的影像轉換為標準的JPEG或TIFF檔案時，相機或原始開發軟體都會應用這種方法。它將相機的固有色調重新分配為更一致的色調，從而最有效地利用給定的位深度。
- 顯示\(\gamma\)：這指的是你的顯示卡和顯示裝置的淨影響，所以它實際上可能是由幾個Gamma組成的。顯示\(\gamma\)的主要目的是補償檔案的Gamma，從而確保影像在螢幕上顯示時不會不真實地變亮。較高的顯示\(\gamma\)導致更黑暗的影像與更大的對比度。
- 系統\(\gamma\)：這表示應用於影像的所有Gamma值的淨效果，也稱為“檢視Gamma”。為了忠實地再現場景，這應該接近於一條直線(Gamma = 1.0)。一條直線確保輸入(原始場景)與輸出(螢幕或列印中顯示的燈光)相同。然而，為了提高對比度，系統Gamma有時設定略大於1.0。這有助於彌補由於顯示裝置的動態範圍，或由於非理想的觀看條件和影像耀斑所造成的限制。