Unity中 Gamma 与 Linear 颜色空间的区别？

x20134799u · 发表于 2024-7-15 18:17

网上的关于这部门的内容很多，下面我不筹算复制粘贴，只想用本身的白话分享下

一、什么是Gamma矫正？

Gamma 也叫灰度系数，Gamma矫正顾名思义就是对系数的一个矫正。

为什么要矫正呢，这就和显示器有关，我们之所以能在屏幕上看见颜色是因为屏幕上有RGB三原色的射线管，那给射线管施加电压后屏幕就会亮，那这里有个问题在于输入电压和输出电压并不是线性的，意思就是输入电压为1，输出电压可能是2.2 ，也可能是2.5 或者其他值。那此刻这个值一般统一为2.2，这个值就是Gamma值，输出电压和输入电压的关系为
out = in^{gamma}

1、那矫正是怎么回事呢？

因为我们在shader计算的时候都是在线性空间下计算，就比如你要计算 1 + 1 = 2 ,但是给你的值不是1 ，而是 0.5 ，那么你后面所有的计算就都是不合错误的。所以需要进行矫正。

2、那为什么输入值会不合错误呢?

这是因为存储的原因，美术导出的有些图是sRGB尺度的。也就是存储长短线性的，那为什么要存非线性的呢，直接存储线性的颜色不香吗，还不用校正了，多好。Why?
其实非线性转换的目的主要是为了优化存储空间和带宽。由于人眼对暗部的变化更敏感，如果要充实操作带宽，那么就需要更多位置去存储暗部。也就是说暗部使用更高精度保留，而亮部使用更低精度保留。

上图中的红色虚线就是图像的 Gamma 矫正曲线，一般都是2.2的倒数，0.454545..。不雅察看矫正以后的曲线，本来0到0.5的区间被扩展到了0到~0.73，相应的大于0.5的区间被压缩到只有本来的一半摆布。这样通过一次简单的计算，我们达到了不增加数据量的前提下提高可辨识精度的目的。可能从来没有人告诉过你，存储在你硬盘上的图像，都是矫正过的，如下图，中间阿谁。

当然有人可能会问，矫正以后岂不是丧掉了很多亮部的细节，也不合算呀。这个问题取决于存储的数据格式，一般的格式都有足够多的冗余精度，足有保留矫正前后的所有细节，但是对于某些特定的压缩格式，比方说游戏遍及使用的 DXT 压缩格式，精度只有6Bit，也就是64阶，Gamma矫正后很多细节永久丧掉了（当然压缩算法也会丢掉很多）。

二、Unity 中 Gamma颜色空间和 Linear 颜色空间的区别？

在 Unity 的设置的存在着两种颜色空间选择，Editor -> Project Settings -> Player -> Other Settings -> Rendering -> Color Space，分歧的颜色空间得到的显示效果就纷歧样。

此刻的主流游戏都采用Linear 效果进行开发，保证显示效果是基于物理正确的。

Gamma颜色空间适用于无光照的2d游戏中，而且对性能没有影响。这也是在cocos2dx 引擎中并没有看到关于Gamma矫正的原因，衬着模型都是经验模型或是简单的光照，并没有基于物理的光照的计算，所以大部门情况纹理在Gamma空间采样即可。

下面列出具体适合的游戏类型，对个简单的对比：

Gamma空间适合：
1、兼容opengl es 2.0的硬件设备
2、2d游戏
3、不追求真实的物理光照效果和后期效果
4、手绘风格、画面饱和度高

线性空间适合:
1、方针机型在市场上的中高端机型
2、3d次时代风格
3、需要接近真实的基于物理的衬着和物理光照，使用PBR制作流程
4、需要HDR、Bloom、ToneMapping等后期效果

如果要在gamma空间中进行线性计算就需要在shader中额外措置，Unity 提过了如下接口：
LinearToGammaSpace (half3 linRGB)
GammaToLinearSpace (half3 sRGB)

线性和伽马混合

当混入帧缓冲区时，混合发生在帧缓冲区的颜色空间中。
使用伽马空间衬着时，非线性颜色会混合在一起。这种混合颜色的方式在数学上不正确，并可能得出不符合期望的成果，但这种方式是在某些图形硬件长进行混合的独一方式。
使用线性空间衬着时，混合发生在线性颜色空间中：这在数学上是正确的，并提供精确的成果。
下图显示了分歧类型的混合：

上：线性颜色空间中的混合发生预期的混合成果下：伽马颜色空间中的混合导致过度饱和以及过亮的混合

三、我们应该怎么设置才能保证最后的效果是对的？

设置也很简单，其实很多工作Unity已经帮我们做了，我们需要做的就是需要确认美术提供的纹理到底是不是sRGB的。
下面给出三种资源规范：

1、场景感觉的Abedo(Base Color)贴图、特效贴图、UI贴图勾选sRGB
2、通道贴图、Alpha贴图不勾选sRGB。
3、法线贴图、光照贴图、环境贴图不需要存眷是否勾选sRGB。

也许你还是有疑问，Gamma矫正到底是哪里进行的啊？

其实这借助了图形API的硬件撑持，在移动设备开发，安卓需要撑持opengl3.0, IOS设备需要撑持Metal特性。只要由两个硬件特性来撑持：
1、sRGB Frame Buffer
sRGB Frame Buffer 将shader的计算成果输出到显示器前做gamma矫正。
2、sRGB Sampler
sRGB Sampler 将 sRGB贴图进行线性采样的转换。如果我们在线性空间中使用Gamma空间制作的贴图，勾选了sRGB选项，硬件会认为图片是Gamma空间的sRGB尺度图像，在采样时sRGB Sample会将sRGB转到线性数据。

使用硬件特性完成sRGB贴图的线性采样和shader计算成果的gamma校正，比起在shader里对贴图采样和计算成果的校正要快。

四、美术导出的资源图

Substance Painter:
当Substance贴图导出时，线性的颜色颠末gamma变换颜色被提亮了，所以需要在Unity中勾选sRGB。

Photo Shop:
如果使用线性空间，一般来说PS可以什么都不改，导出的贴图只要勾上sRGB就可以了。
如果调整PS的gamma值为1，导出的贴图在Unity中也不需要勾选sRGB了。
Unity中的混合是线性混合，ps的图层和图层之间做混合时每个上层图层都颠末了gamma变换，然后做混合，所以效果有点纷歧样。在设置中更改选择“用灰度系数混合RGB颜色”，参数设置为1，这样图层才是直接混合的成果。

参考链接：
Unity Gamma空间和线性空间
https://learnopengl-cn.github.io/05%20Advanced%20Lighting/02%20Gamma%20Correction/#gamma
UWA学堂 | Unity和Unreal游戏引擎的从业者学习交流平台
色彩校正中的 gamma 值是什么？
https://1024114.xyz/posts/465804e3/百人打算-图形-2.6 伽马校正https://1024114.xyz/posts/465804e3/

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