Unity中的伽马（Gamma）空间和线性（Linear）空间

news2024/12/23 6:38:24

伽马空间定义：通常用于描述图像在存储和显示时的颜色空间。在伽马空间中，图像的保存通常经过伽马转换，使图片看起来更亮。

gamma并不是色彩空间，它其实只是如何对色彩进行采样的一种方式

为什么需要Gamma：

在游戏业界长期以来都忽视一个伽马矫正的问题，这就导致渲染出来的效果要么过曝，要么过暗，总是和真实世界不同。

尽管是使用了同一shader渲染，但选择颜色空间不同和处理gamma矫正时做法不同，就导致结果不同

CRT的亮度和施加电压不成线性

人眼和响应不成线性

unity中可以在此处选择不同的颜色空间，如图

一、Gamma空间与线性空间

什么是线性颜色空间？

如图，横轴为输入给显卡进行渲染的的颜色，纵轴为显卡渲染后输出到显示器的颜色结果

所有线性空间就是输入等于输出的 $ColorOut=ColorIn^{1}$

输入的颜色不进行任何处理 Gamma值为1

但现实世界要做到输入颜色等于输出颜色是很难的

因为显示器的颜色输出不是线性的，不同显示器输出的也是不同的

人眼对光强的感知能力并不是线性的——对暗部颜色变化更敏感，但很难识别亮部的颜色差异。

RGB=0.5的灰色，但其物理亮度（光子数）却只有纯白（RGB=1）的22%。

这时为什么呢？为何不是线性的呢？

人们之所以不设定RGB值与亮度值线性相关，是因为人眼更善于发现暗部中亮度的细微差别。

人眼对光强的感知能力并不是线性的——对暗部颜色变化更敏感，但很难识别亮部的颜色差异。

在某些阴暗的环境下，点亮一盏灯，这时人眼就会觉得非常亮。如果同时点亮1000盏灯，反而觉得只是10倍的亮度，对亮度的认知相当于从0~1再从1~10.

因为人眼不易识别亮部的颜色差异，这就导致了在亮部，我们不需要那么多的空间去存储亮度值，因为人眼根本就难以区别它们，如果按照线性存储，就会导致亮部空间的浪费。

所以在电子图象存储技术中，人们降低亮部的采样数来节约磁盘空间——或者说，在不增加数据量的前提下，分配更多的采样数给暗部以提高可辨识精度。

相机捕获到现实世界真实的光的信息，经过处理后显示到屏幕上，我们希望物理世界中的真实值能够于显示器中的呈现值相同，那么怎么做呢？

先来看一下这个做法的演变过程

从最简单的模型演变

（1）图片真实值0.2->（亮部浪费）图片存储值0.2->提交值0.2->（pow 2.2）呈现值0.029 （缺点：浪费存储空间、早期计算机无法直接让呈现值等同于提交值）

（这个2.2是历史问题，但后来对我们是有益的，所有就沿用下来并未修复）

改善以上问题：

（2）图片真实值0.2->（pow 0.45）图片存储值0.48->提交值0.48->（pow 2.2）呈现值0.2

游戏业界带来新的问题：

（3）图片真实值0.2->（pow 0.45）图片存储值0.48->光照计算0.48*2->提交值0.96->（pow 2.2）呈现值0.914（严重偏离真实值0.2*2=0.4）

二、伽马矫正

最后我们的具体做法是：相机捕获到现实世界真实的光的信息，然后对这些数据开n次方根（n即gamma值，一般取1.8~2.2）， $Output=Input^{\frac{1}{gamma}}$ ,然后通过采样存储图像。这样存储的图像就是经过Gamma校正的图像。

线性的光信号变成了非线性的电信号。

而在显示器上显示图片时，则需要做一次逆Gamma校正： $Output=Input^{gamma}$

将非线性的电信号转换成线性的光信号。

总结一下就是：

想要游戏的效果接近真实世界，那么就需要保证在光照计算之前处于线性空间！

$sRGB=Gamma^{\frac{1}{2.2}}$ = Gamma矫正=Gamma 0.45 提亮

Gamma 2.2 = Gamma 空间

Gamma 1 = 线性空间

Color * Gamma 1/2.2 * Gamma 2.2 = Color * Gamma 1 = Color

假如摄像机不做Gamma矫正，会是什么情况？

三、sRGB

unity在贴图的导入设置面板中有“sRGB(Color Texture)”选项，勾选它，告诉Unity这是一张sRGB贴图，需要对它做sRGB解码才可以获得用于光照计算的数据；不勾选，即表示这是一张线性贴图，这张贴图的RGB数据可直接用于光照计算。

sRGB是一种颜色空间，它的定义包括White Point、Primaries、OETF、EOTF

Color Space	White Point	Primaries	OETF	EOTF
sRGB	D65	R(0.640,0.330), G(0.300,0.600), B(0.150,0.060)	δ=12.92, β=0.0031308, α=1.055, γ=12/5	2.2
Rec.709	同 sRGB	同 sRGB	δ=4.5, β=0.004, α=1.099, γ=20/9	~2.4

sRGB标准和Rec.709标准所定义的白点、三元色相同，只是传递函数的定义不同；

下图的马蹄形区域表示人眼能够感知到的最大色域，三角形围起来的区域即 sRGB / Rec.709 的色域：

1.色域： sRGB首先设定了RGB三个基色的坐标

2.白点： sRGB也规定了白点位置

3.gamma： sRGB的gamma设定为≈2.2也就是说从外而向内切，先切的很细，然后逐渐变粗

sRGB的编码伽马值实际是12/5=1/2.4，但我们常听说的是1/2.2，这是因为完整版本的伽马函数【1.055*x ^(1/2.4)-0.055】在形状上更接近【x ^(1/2.2)】，如下图的黑线更接近红线，而不是绿线，红线【x ^(1/2.2)】就被大家当做是简化版本的伽马矫正啦：

渲染时的图片来源，不论是照片还是DCC软件，还是手绘和渲染，都是在sRGB颜色空间下工作的

Substance Painter导出贴图时，会对提供色彩信息的贴图（比如Albedo和Specular Color）做sRGB编码（目的是为了让贴图看起来更舒服，匹配人眼感知，同时优化数据存储），所以我们应把它们当作sRGB贴图来使用；而对法线贴图/金属度贴图这类用以存储数值信息的贴图，是不做sRGB编码的，所以我们应把它们当作线性贴图来使用。

对sRGB编码的图片是直接使用还是转换使用？