Unity ColorSpace 之 【颜色空间】相关说明，以及【Linear】颜色校正 【Gamma】的简单整理

news2024/12/23 17:24:09

Unity ColorSpace 之 【颜色空间】相关说明，以及【Linear】颜色校正 【Gamma】的简单整理

目录

Unity ColorSpace 之 【颜色空间】相关说明，以及【Linear】颜色校正 【Gamma】的简单整理

一、简单介绍

二、在Unity中设置颜色空间

三、Unity中的Gamma和Linear颜色空间

1、Gamma颜色空间

2、Linear颜色空间

3、Gamma与Linear工作流程

四、Gamma 和 Linear 的差异简单分析

1、在 Gamma 颜色空间显示情况

2、 为什么 要把颜色空间设置为Linear呢

3、在 Linear 颜色空间显示情况

4、ColorSpace中的Linear和Gamma两种工作流程

5、sRGB及 结论

五、Linear 颜色校正 Gamma

六、关键代码

一、简单介绍

在图形渲染中，颜色空间（Color Space）是一个关键概念，它影响着最终图像的外观。在Unity中，理解并正确设置颜色空间可以显著提升图像质量。

颜色空间介绍 Unity 官网：Unity - Manual: Color space

Linear 和 Gamma 工作流介绍 Unity 官网：Unity - Manual: Linear or gamma workflow

颜色空间介绍 Unity 官网（中文）：颜色空间 - Unity 手册

Linear 和 Gamma 工作流介绍 Unity 官网（中文）：线性或伽马工作流程 - Unity 手册

  • 颜色空间的基本概念
  1. 颜色空间：颜色空间是颜色模型的具体实现，定义了特定条件下颜色的表示方式。常见的颜色空间包括sRGB和线性颜色空间。
  2. sRGB（标准RGB）：一种常见的颜色空间，广泛应用于显示器、摄像机等设备。sRGB的色彩表现接近人类视觉感知，适合大多数显示设备。
  3. 线性颜色空间：一种颜色空间，颜色值与光强度成线性关系。适用于物理上更准确的光照计算。
  • Unity中的颜色空间

在Unity中，主要有两种颜色空间：Gamma和Linear。

  1. Gamma：默认的颜色空间，适用于较老的显示器和设备。Gamma颜色空间中，颜色值与显示器输出之间是非线性关系。Gamma空间是一种传统的颜色空间处理方式，它在许多旧的图形系统和软件中广泛使用。在Gamma空间中，颜色值（特别是亮度值）不是线性地映射到最终显示的颜色。这种非线性的映射是为了适应显示设备的特性，比如CRT显示器。然而，这种处理方式在现代图形处理中可能导致一些问题，比如不正确的光照计算和混合效果。
  2. Linear（线性）：适用于现代高质量渲染，特别是在PBR（基于物理的渲染）中。线性颜色空间中，颜色值与显示器输出之间是线性关系，更符合物理现实。Linear空间（或称为物理颜色空间）是一种更现代的颜色处理方式。在Linear空间中，颜色值线性地映射到最终显示的颜色。这意味着光照计算和混合效果会更加准确，因为它们基于物理上正确的颜色处理。为了获得最佳效果，现代图形引擎和渲染管线通常使用Linear空间。

二、在Unity中设置颜色空间

1、打开Unity项目。

2、进入顶部菜单栏的Edit > Project Settings。

3、在Project Settings窗口中，选择Player。

4、在Player设置中，找到Other Settings部分。

5、在Color Space选项中，选择Linear或Gamma。

三、Unity中的Gamma和Linear颜色空间

颜色空间是影响游戏渲染效果的重要因素。理解Gamma和Linear颜色空间及其应用场景，能够帮助你更好地优化游戏的视觉效果。以下是对这两个颜色空间的详细介绍。

1、Gamma颜色空间

Gamma颜色空间中的颜色值与光的实际强度之间是非线性的关系。这种非线性关系通过一个称为Gamma校正的过程来实现，以使显示器上的图像看起来更自然。

特点：

  • 视觉感知：人眼对亮度的感知是非线性的。例如，灰度值为128的像素并不会看起来是完全白色和完全黑色之间的中间色。Gamma校正使得图像显示符合人眼的感知特点​ (docs.unity3d)​。
  • 历史背景：传统的显示设备（如CRT显示器）使用Gamma校正，以便在有限的色彩深度（如8位每通道）下提供更好的视觉效果​ (docs.unity3d)​。
  • sRGB标准：Gamma颜色空间的标准是sRGB，这种标准广泛应用于图像和视频文件中。sRGB定义了一种从线性空间到Gamma空间的映射，最大化利用8位每通道的精度​ (docs.unity3d)​。

使用场景：

  • 旧硬件：旧硬件通常仅支持Gamma颜色空间。
  • 快速开发：对于不追求极高渲染质量的项目，使用Gamma颜色空间可以简化开发流程。
2、Linear颜色空间

线性色空间中的颜色值与光的实际强度成线性关系。这意味着颜色值直接对应于光的物理强度。

特点：

  • 物理精确性：线性色空间更接近真实世界的光照模型，适用于基于物理的渲染（PBR），可以提供更准确的光照和材质效果​ (docs.unity3d)​。
  • 渲染精度：在光照计算中，线性色空间可以提供数学上更精确的结果。例如，光的衰减和反射在线性色空间中表现更为真实​ (docs.unity3d)​。

使用场景：

  • 现代高质量渲染：线性色空间适用于现代高质量渲染，特别是在高动态范围（HDR）渲染中。
  • PBR：基于物理的渲染需要使用线性色空间，以便准确模拟光照和材质的相互作用​
3、Gamma与Linear工作流程

3.1 Gamma工作流程

Gamma工作流程适用于传统的渲染需求，尤其是在不需要极高精度的场景中。Gamma颜色空间通过非线性转换，使得图像在8位色深下的显示效果更接近人眼感知。

  1. 颜色值的存储与显示：在Gamma空间中，颜色值经过Gamma校正后存储和显示。显示器在显示图像时，应用逆Gamma校正，使得图像符合人眼的感知。

    • 非线性转换公式：其中 \gamma 通常约为2.2​ ​。
    • 存储方式：颜色值在存储时，已经过Gamma校正，以便在有限色深下提供更好的视觉效果。

  2. 光照计算：

    • Gamma空间计算：在Gamma空间中，光照计算基于已经过Gamma校正的颜色值。尽管这简化了计算，但可能导致光照和阴影的表现不够精确。
    • 性能优势：Gamma工作流程通常计算量较小，适合资源有限的设备或较低性能的硬件​

3.2 Linear工作流程

 Linear工作流程提供更高的渲染精度，尤其适用于现代高质量渲染和基于物理的渲染（PBR）。在线性颜色空间中，颜色值与光的实际强度呈线性关系，这对于光照计算和材质表现非常重要。

  1. 颜色值的存储与显示：

    • 线性存储：颜色值在存储时保持线性关系，这意味着存储的颜色值直接对应于光的物理强度。
    • Gamma校正显示：在显示器显示时，Unity会对线性颜色值进行Gamma校正，以便符合显示设备的需求​ 。
    • 转换公式：其中\gamma通常约为 2.2​ ​。

  2. 光照计算：

    • 线性空间计算：在Linear工作流程中，光照计算基于线性颜色值，这提供了更准确的光照和阴影表现。
    • 高动态范围（HDR）：线性空间适用于HDR渲染，能够更好地表现高亮度和高对比度的场景​ 。

四、Gamma 和 Linear 的差异简单分析

有时会遇到下面的问题，就是把UI切好的图片放到Unity中，会发现有些颜色的差异，尤其是透明度混合方面会有很大的变化，这些都是由于Unity中颜色空间的设置问题，先给大家看一下Unity中的效果。

1、在 Gamma 颜色空间显示情况

用PS输出的70%透明度的纯白色的图片，和使用windows自带应用打开的图片没有任何区别，我们打开图片的设置，有一个sRGB选项，不管开启还是关闭这个选项，图片都不会有变。由于PS是使用Gamma空间进行图片制作和输出的，所以我们使用Gamma空间进行设置，可以得到一比一的效果。

sRGB选项：

2、 为什么 要把颜色空间设置为Linear呢

那既然我们显示都是正确的，我们为什么不直接使用Gamma空间，而是要把颜色空间设置为Linear呢，其中官网有这么一句：

线性强度响应

  • 使用伽马渲染时，提供给着色器的颜色和纹理已经应用了伽马校正。在着色器中使用它们时，高亮度的颜色实际上比预期亮度值更亮（相对于线性光照）。这意味着，随着光照强度的增加，表面会以非线性方式变亮。这将导致许多位置的光照亮度过高。此外还可能给模型和场景带来褪色的感觉。
  • 使用线性渲染时，在表面上产生的响应随着光照强度增加仍保持线性。因此，带来的表面着色真实得多，表面产生的颜色响应也好得多。

3、在 Linear 颜色空间显示情况

 所以我们在烘焙3d场景，或布置灯光时更倾向于选择Linear颜色空间得到最精确的结果，但是如果我们把颜色空间切换为Linear，就会发现UI有了一些不一样的变化，会发现颜色变亮浅了，效果如下

4、ColorSpace中的Linear和Gamma两种工作流程

对于我们PS输出的图片，如果我们不做特殊的设置，那么我们的图片就是在Gamma空间下进行输出和制作的，下面有一个很关键的知识点，就是两个颜色空间的透明度混合公式：

1）Linear Color Space

ret = (srcColor^2.2 * srcAlpha + dstColor^2.2 * (1 - srcAlpha) ) ^(1/2.2)

2）Gamma Color Space

ret = srcColor * srcAlpha + dstColor * (1 - srcAlpha)

值得注意的是：

  • 对于美术人员来说，他们在PS中通过透明度混合得到的最终效果，是使用Gamma空间下的计算公式进行计算得到的结果
  • Unity中的Linear Color Space下却是使用第一个公式进行处理的，我们要做的就是要是用Linear下的公式，通过一些变化，让他得到与Gamma下相同的结果

5、sRGB及 结论

图片属性上的sRGB，对于点了sRGB属性的图片，Unity会默认对其做一次变暗的操作，也就是2.2次幂，也就是流程图上写的Remove Gamma Correction,通过这个操作，会得到Gamma1.0空间下的颜色，然后将得到的颜色放入Shader中处理（Shader默认使用的是Linear Color Space的混合公式）。

经过对上图两个公式分析可得，如果我们把UI的图片的sRGB取消，那么就可以让Remove Gamma Correction过程忽略掉，也就是把Gamma0.45下的颜色直接带入的透明度公式，也就变成了下图公式

ret = (srcColor^0.45^2.2 * srcAlpha + dstColor^0.45^2.2 * (1 - srcAlpha) ) ^(1/2.2)
    =  (srcColor * srcAlpha + dstColor * (1 - srcAlpha) ) ^(1/2.2)

比较可知，这个 公式和 Gamma 空间下的透明度混合公式，只差一个2.2次方，所以我们只需要增加一个摄像机的后处理，将UI摄像机的结果进行一个2.2次方即可达到UI最终的效果。（PS：对于项目中的UI的Canvas我们会使用Scene Camera的模式，这样就可以在对应摄像机上添加后处理，也可以增加各种不同的UI特效）

五、Linear 颜色校正 Gamma

注意事项：

  • 图片sRGB要关闭掉
  • 如果UI打了图集，图集的sRGB也要关闭掉

1、创建脚本 UICameraLinearCorrect 、UILinearCorrectShader

2、然后再 Resources 文件夹下创建对应的材质

3、然后把 UICameraLinearCorrect 挂载到camera 上

4、运行场景，发现图片显示正常了，但是由于我们把整体颜色调暗了，所以场景中的物体的颜色也会变暗

可以发现场景中的UI颜色确实还原了，但是红色方块的颜色变化了 ，所以为了让场景颜色还原，我们需要再添加一个摄像机，将这个摄像机只看场景，原有的摄像机只看UI，同时将场景摄像机的颜色进行一个0.45次幂，还原他原来的颜色

5、创建 UICamera ，把 UICameraLinearCorrect 脚本挂载到上面，并且设置 camera 如图

6、创建脚本 SceneCameraLinearCorrect、SceneLinearCorrectShader

7、然后再 Resources 文件夹下创建对应的材质

8、把 SceneCameraLinearCorrect 挂载到 Main Camera 上，设置 Main Camera 如图

9、运行场景，这时 UI 显示正常，且 场景显示也正常了

六、关键代码

1、UICameraLinearCorrect

using UnityEngine;

/// <summary>
/// UI Canvas  线性矫正
/// </summary>
public class UICameraLinearCorrect : MonoBehaviour
{
    private Material mat;
    private Material RenderMat
    {
        get
        {
            if (mat == null)
            {
                mat = Resources.Load<Material>("Materials/UILinearCorrectMat");
            }
            return mat;
        }
    }

    private void OnRenderImage(RenderTexture source, RenderTexture destination)
    {
        Graphics.Blit(source, destination, RenderMat);
    }
}

2、SceneCameraLinearCorrect


using UnityEngine;

/// <summary>
/// 场景camera 线性矫正
/// </summary>
public class SceneCameraLinearCorrect : MonoBehaviour
{
    private Material mat;
    private Material RenderMat
    {
        get
        {
            if (mat == null)
            {
                mat = Resources.Load<Material>("Materials/SceneLinearCorrectMat");
            }
            return mat;
        }
    }

    private void OnRenderImage(RenderTexture source, RenderTexture destination)
    {
        Graphics.Blit(source, destination, RenderMat);
    }
}

3、UILinearCorrectShader

Shader "CustomShader/UILinearCorrectShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex("Main Tex", 2D) = "white"{}
    }
        SubShader
    {
        Tags { "RenderType" = "Opaque" }
        LOD 100
        //Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha

        Pass
        {
            Cull Off ZWrite Off ZTest Always
            CGPROGRAM

            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            sampler2D _MainTex;

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float4 vertex : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };


            v2f vert(appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = v.uv;
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv);
                color = pow(color, 2.2);
                return color;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

4、SceneLinearCorrectShader

Shader "CustomShader/SceneLinearCorrectShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex("Main Tex", 2D) = "white"{}
    }
        SubShader
    {
        Tags { "RenderType" = "Opaque" }
        LOD 100
        //Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha

        Pass
        {
            // 制作后处理shader的时候要把这几个属性设置上
            Cull Off ZWrite Off ZTest Always
            CGPROGRAM

            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            sampler2D _MainTex;

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float4 vertex : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };


            v2f vert(appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = v.uv;
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv);
                color = pow(color, 1.0 / 2.2); // 1/2.2=0.45454545
                return color;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

七、整理一些结论

  • 伽马校正：pow(color, 1/2.2), 变得更亮了，例如：color值为0.5，校正后是0.5^(1/2.2) = 0.7297
  • 移除伽马校正：pow(color, 2.2),变暗了，例如color值是0.7297，移除校正后是0.7297^2.2 = 0.5
  1. 当ProjectSetting中，选择Gamma 颜色空间时，那么Unity不会对输入的texture移除伽马校正，也不会在输出到屏幕时进行伽马校正，所有颜色都在Gamma空间中计算，最后输入到接受gamma颜色空间的屏幕上，屏幕设备会进行移除伽马校正。
  2. 当ProjectSetting中，选择Linear 颜色空间时，Unity会对勾选了sRGB的texture移除伽马校正，从而把贴图颜色转换到线性空间，在线性空间中进行一系列计算后，输出屏幕前，进行一次伽马校正，转换到gamma空间中，最后输入到接受gamma颜色空间的屏幕上，屏幕设备会进行移除伽马校正。
  3. 一般我们物体固有色的贴图都是在Gamma空间下的，而法线贴图，细节贴图等，则一般是线性的，当选择Linear空间时，固有色贴图需要勾选sRGB进行移除伽马校正，而法线贴图等则不需要勾选，因为它们本身就是线性的

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