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[游戏开发]Gamma校正

Gamma校正

为什么需要Gamma校正：

① 人的视觉对光强度的感知是非线性的
在这里插入图片描述
这两条明度条，人眼认为上方的条由黑到白是均匀过渡的，是“感觉”。于是我们规定上方的明度条50%处的灰阶为美术上所谓的“中性灰”。
下方的条，才是物理上真正的亮度(灰阶)均匀过渡。是“科学”。

也就是说，在科学物理的视角中，下方的条的中点处的光强度是纯白色的50%。上方的条的中点处的光强度(灰阶)是纯白色的21.8%。

② 数字图像所能采集和回放的灰阶层数有限，需要节省（带宽）
在这里插入图片描述
8位空间下，总共能分配的灰阶只有256阶，也就是说，当亮部（亮度：中性灰到纯白）分配了大于128个灰阶时，能分配给暗部的灰阶就不够了，导致在暗部会出现一部分区域全黑的灰阶断层现象。

举个例子：

在这里插入图片描述

我们将 物理光强线性增加的灰阶 和 物理光强非线性增加但是人眼看着舒服的灰阶 分别作为直角坐标系的x轴和y轴，白色曲线用于将线性的转换为非线性的。俗称非线性转换。
在这里插入图片描述

然后，如果我们做一次Gamma校正，即将原本0.218的物理中灰映射到0.5的美术中灰上，那么就可以得到人眼要的效果。
在这里插入图片描述

Gamma校正是什么

Y = X ^ Gamma，0<Gamma<1,曲线上拱，图片变亮，Gamma>1，曲线下压，图片变暗。

	注：对图片进行两次Gamma校正，且两次的Gamma值互为倒数，图片亮度不变，输入等于输出。

根据韦伯定律，当所受刺激越大时，需要增加的刺激也要足够大才会让人感觉到明显变化，但是只适用于中等强度的刺激。

当我们要存储颜色信息到磁盘中时，根据韦伯定律，因为人眼对暗比高亮更敏感，所以用gamma<1的指数函数变换使得敏感部分获得更多的数据位。 储存信息时要进行非线性变换（曲线上拱）；相反，在将颜色信号还原在屏幕上时，要进行线性转换，曲线下压，以满足人眼的视觉合理性。
在这里插入图片描述
我们目前所使用的真彩格式RGBA32，每个颜色通道只有8位用于记录信息，为了合理使用带宽和存储空间，需要进行非线性转换。目前我们所普遍使用的sRGB颜色空间标准，他的传递函数 gamma值为2.2（2.4）
注：这个2.2的值是根据1996年之前CRT时代人们对CRT亮度和电压的关系得到的。（Maybe？）

线性工作流

一、介绍

在生产的各个环节，正确使用gamma编码及 gamma解码，使得最终得到的颜色数据与最初输入的物理数据一致。
如果是使用 Gamma空间的贴图，在传给着色器前需要从 Gamma空间转到线性空间。
在非线性空间下渲染，颜色叠加等操作时，亮度会过曝
在这里插入图片描述

二、流程

在这里插入图片描述
用我自己的话来说：（橙色框）
① 首先输入引擎的贴图分两种线性空间Linear Texture 它的Gamma值是1（比如法线，noise，Mask，LightMap等一些不需要RGB值作为颜色信息或者美术用途的贴图，也可以说是由计算机计算产生的纹理贴图，），和传统的非线性sRGB Texture 它的Gamma值是0.45（在输入引擎前做过GammaCorrection，因为在别的创作工具中它们是作为最后的输出结果，需要呈现给人眼看，同时为了符合人眼对真实的感受，同时也为了满足人眼对暗部变化更敏感的特点，详见上文的为什么需要Gamma校正，做过一次先编码Gamma，在解码Gamma的操作，总之为了合理储存信息、满足屏幕的输出合理性加之要使Gamma为1，输出的贴图的Gamma值为0.45）。

② 对Gamma值为0.45的sRGB进行去除Gamma校正的操作，使其Gamma值为1，对Gamma为1的Linear Texture 不做任何操作。然后在shader中进行光照计算。

③ 光照等计算完毕，再次进行Gamma校正（这一步和别的创作工具中是一样的，先编码在解码）。

④输出为符合现实的图像

非橙色框
① 贴图Gamma为.45，没有Remove Gamma Correction，在shader中计算，Gamma被视作1，在经过一视同仁的屏幕解码2.2的压暗操作，最后显示的颜色会偏暗。

Unity中的颜色空间

在这里插入图片描述

Substance Paint ——>Unity

PhotoShop ——>Untiy

下图是photoshop经过Gamma校正后混合与直接混合的结果，Gamma校正后的重叠区域会变暗，而直接混合则会正确显示混合结果

注：知乎上我觉得赞同的回答，显示器的gamma值是为了能够使得整个系统的输入输出呈线性就好了。人眼特性+充分利用存储空间的考虑->gamma编码； gamma编码+全系统输入为1的考虑->显示器的gamma值取什么。

Linear（无贴图）
在这里插入图片描述

Gamma（无贴图）

在这里插入图片描述

1、如果unity使用了gamma工作流，那么无论图片是勾选还是不勾选srgb，那么unity是不做任何处理，不做2.2的变线性，也不做处理之后的1/2.2的操作。
2、如果unity使用了linear工作流，那么如果图片选择了srgb模式，那么unity则为其做2.2的降线性处理，然后在输出的时候，自动进行1/2.2的处理。
而如果图片不勾选srgb模式，那么unity不会为其做2.2的降线性，而在处理之后，缺依然保留做1/2.2的操作。那么图片最终会变亮了。
依然原本图片就是srgb空间，在拍摄或者ps中，就已经做了一次1/2.2的操作。而又因为我们没有勾选srgb，所以没有做2.2的降线性，而在最后输出结果，unity自动做了一次1/2.2的操作，所以连续做了两次1/2.2的操作，于是图片变亮了。
3、如何区分一个图片是否要勾选srgb呢？如果是选用unity的gamma工作流，我们够不够选无所谓，因为unity不会为为我们做任何事情。都是按照怎么输入，怎么来的处理。
而如果是线性工作流，那么则需要人为的操作了，则需要人为判断这个图片是否需要勾选srgb。
4、哪些图片需要勾选srgb呢？勾选了srgb实际上给unity暗示了什么？
对于在线性工作流下，也就是unity使用了linear模式，那么对于那些美术给的漫反射贴图，则是直接在ps中绘制的，而在ps中绘制的图片，则是存储为srgb空间的（与美术商量好）。也就是存储在了(1/2.2的空间中）上曲线中。那么此时导入unity之后，就要知道这个图是非线性的图了。那么则要勾选srgb。
而其他的图，比如法线图、mask图、噪声图，程序纹理，都是线性的图，那么为了避免勾选srgb而造成unity帮我们做了一次2.2的操作，所以要明确告诉unity，这个你不需要转线性了，我自己已经是线性的图了。

手动进行Gamma校正
Gamma
在这里插入图片描述

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
                fixed3 tangentLightDir = normalize(i.lightDir);
                fixed3 tangentViewDir = normalize(i.viewDir);

                fixed4 packedNormal = tex2D(_BumpMap, i.uv0.zw);
                fixed3 tangentNormal;

                tangentNormal = UnpackNormal(packedNormal);
                tangentNormal.xy *= _BumpScale;
                tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy, tangentNormal.xy)));

                fixed3 albedo = GammaToLinearSpace(tex2D(_MainTex, i.uv0).rgb * _Color.rgb);

                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;

                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0.0, dot(tangentNormal, tangentLightDir));

                fixed3 halfDir = normalize(tangentLightDir + tangentViewDir);
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0.0, dot(tangentNormal, halfDir)), _Gloss);

                fixed3 col = LinearToGammaSpace((ambient + diffuse + specular).rgb * unity_ColorSpaceDouble) ;

                return fixed4(col, 1.0);
            }

经过上面代码的调整，先变暗再提亮，似乎与Gamma校正的流程相反了，是为什么呢，我觉得我还是一知半解而已，希望有好兄弟或者大佬解惑。unity_ColorSpaceDouble作用是根据所处空间（Gamma 为 2异或Linear 为 0.4左右）提供一个值，提亮混合后的颜色。Gamma空间下的Linear效果如下：
在这里插入图片描述
遇到的一些问题：GammaToLinearSpace（）和LinearToGammaSpace（）两个方程容易搞混，我去找了一下UnityCG.cginc，如下

inline float GammaToLinearSpaceExact (float value)
{
    if (value <= 0.04045F)
        return value / 12.92F;
    else if (value < 1.0F)
        return pow((value + 0.055F)/1.055F, 2.4F);
    else
        return pow(value, 2.2F);//看灰色的return，调用的GammaToLinearSpaceExact ，rgb大于1时，pow 2.2曲线下压变暗
}

inline half3 GammaToLinearSpace (half3 sRGB)
{
  
    return sRGB * (sRGB * (sRGB * 0.305306011h + 0.682171111h) + 0.012522878h);

    // Precise version, useful for debugging.
    //return half3(GammaToLinearSpaceExact(sRGB.r), GammaToLinearSpaceExact(sRGB.g), GammaToLinearSpaceExact(sRGB.b));
}

inline float LinearToGammaSpaceExact (float value)
{
    if (value <= 0.0F)
        return 0.0F;
    else if (value <= 0.0031308F)
        return 12.92F * value;
    else if (value < 1.0F)
        return 1.055F * pow(value, 0.4166667F) - 0.055F;
    else
        return pow(value, 0.45454545F); //pow 1/2.2,曲线上突变亮
}

inline half3 LinearToGammaSpace (half3 linRGB)
{
    linRGB = max(linRGB, half3(0.h, 0.h, 0.h));
    return max(1.055h * pow(linRGB, 0.416666667h) - 0.055h, 0.h);

    // Exact version, useful for debugging.
    //return half3(LinearToGammaSpaceExact(linRGB.r), LinearToGammaSpaceExact(linRGB.g), LinearToGammaSpaceExact(linRGB.b));
}

先于此搁笔，夜深了，凌晨3点了。

参考文章链接：
https://blog.csdn.net/wodownload2/article/details/105124113/
https://blog.csdn.net/candycat1992/article/details/46228771
https://zhuanlan.zhihu.com/p/36507196
给自己留个档
https://zhuanlan.zhihu.com/p/66558476里面是整个校正流程，快去看（对自己说的