技术美术百人计划学习笔记（图形2.5-2.6）

【图形渲染】 2.5 - 2.6 Gamma矫正、LDR与HDR

Gamma矫正

颜色空间

sRGB和Rec-709能表达的颜色空间范围是差不多的，他的三原色位置是差不多的。它们之间的区别就在于传递函数不同

传递函数

把颜色显示到一个电子设备上时，需要把颜色转换成一个视频信号，这时候就需要一个传递函数

一个传递函数分为两部分：

OETF：光转电传递函数，负责把场景线性光转到非线性视频信号值
EOTF：电转光传递函数，负责把非线性视频信号值转换成显示光亮度

Gamma矫正

Gamma矫正简单来说就是指对线性三色值和非线性视频信号之间进行编码和解码的过程，就比如说当相机拍摄到自然中的线性的光信号，传递到电脑中进行存储时，就需要进行一个Gamma的编码操作，获得非线性的视频信号；最后通过显示器显示时，又需要将非线性的视频信号还原回一个线性的光信号，这时就需要进行一个Gamma的解码操作，最后得到我们所见到的样子（线性的光信号）

TA100-80

Gamma矫正的实例：简单理解为就是线性显示、非线性存储。

进行Gamma矫正的原因

这其实和人眼的特性有关，人眼对暗部的变化要更加敏感一点。如果要存储更多的有效信息，就需要更多的位置去存储暗部值，即在存储暗部时用更高精度的值去存储，而对于亮部则可以用相对精度较低的值去存储。

所以，非线性转换的目的主要是为了优化存储空间和带宽，传递函数能够更好地帮我们利用编码空间。

韦伯定律

韦伯定律:即感觉的差别闽限随原来刺激量的变化而变化，而且表现为一定的规律性，用公式来表示，就是ΔΦ/Φ=c，其中Φ为原刺激量，ΔΦ为此时的差别闽限，c为常数，又称为韦柏率。

简单来说就是，当这次通过一定的刺激爽到了，下次要获得同样的爽度就需要更多的刺激。

什么是中灰值？（环境对亮度的影响）

TA100-85 纯灰色的条看上去左右部分明暗不同

所以说中灰值并非一个明确的值，而是取决于实际的视觉感受

小结

人眼对暗部变化比亮部更加敏感
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

线性工作流

线性工作流就是在生产的各个环节中，正确使用gamma编码和gamma解码，使得最终得到的颜色数据与最初输入的物理数据保持一致
如果使用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，以确保获得正确的计算结果

如果不在线性空间下进行渲染工作：

Gamma空间中进行亮度计算时，会容易过曝：因为光线信息在经过Gamma编码后，他的值比实际上的要大

TA100-87 Gamma空间中进行亮度计算容易过曝

进行颜色混合时，也会让亮度过高，出现”黑边“

TA100-88 颜色重叠区域出现“黑边”

进行光照渲染时，如果把中灰色以0.5作为实际的物理光强进行计算的话，就会出现如下左图的情况；但是实际上中灰色的物理光强度应该是0.18

Unity中的颜色空间

当选择Gamma Space时，Unity不会做任何处理
当选择Linear Space时，引擎的渲染流程在线性空间中计算。理想情况下项目使用线性空间的贴图颜色，不需要勾选sRGB选项；如果勾选了sRGB选项，unity则会通过硬件特性采样时进行线性转换。

硬件支持

线性空间需要图形API的硬件支持，目前支持的平台有：

Windows，Mac OS x和Linux
Xbox One
PS4（新的PS5肯定支持）
Android
IOS
WebGL（新的WebGPU肯定支持）

硬件特性支持

主要由两个硬件特性来支持：

sRGB Frame Buffer
- 将shader的计算结果输出到显示器前进行Gamma矫正
- 作为纹理被读取时自动会把存储的颜色从sRGB空间转换到线性空间
- 调用ReadPixels()、ReadBackImage()时，会直接返回sRGB空间下的颜色
- sRGB Frame Buffer只支持每通道为8bit的格式，不支持浮点格式
- HDR开启后会先把渲染结果绘制到浮点格式的Frame Buffer中，最后绘制到sRGB Frame Buffer上输出
sRGB Sampler
- 将sRGB的贴图进行线性采样的转换

使用硬件特性完成sRGB贴图的线性采样和shader计算结果的gamma矫正，比起在shader里对贴图采样和计算结果的矫正要快

资源导出问题

SP贴图导出

SP贴图导出时，线性的颜色值经过了gamma变换，颜色被提亮了，所以在unity中需要勾选sRGB选项，让他在采样时能还原回线性值

TA100-91

PS中相关设置

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即可

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

TA100-92

PS对颜色管理特别精准，Unity中看到的颜色要经过显示器的gamma变换，而PS不会，PS会读取显示器的Color Profile，反向补偿回去。所以PS里使用的是一个真实的颜色值
PS有第二个Color Profile（Document Color Profile）。通常它的默认值就是sRGB Color Profile，和显示器的Color Profile一致，颜色是被这个Color Profile压暗了，所以PS中看到的结果才和Unity的一样（通过一个灰度值来控制颜色的显示，并且这个灰度值和显示器的gamma值一致，让我们看着和unity一样）

Unity在进行半透明混合时，会先将它们转换到一个线性空间下，然后再进行混合。但是PS中，图层和图层之间做混合的时候，每个上层的图层都会读取他们的Color Profile，经过一个Gamma变换，再做混合，得到的结果就会偏暗一些。

Unity中的颜色空间转换函数

Unity CG.cginc文件中封装的函数

其中，带有Exact后缀的的函数计算精确，但消耗高；不带有Exact后缀的函数是一种近似解法

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);
}

inline half3 GammaToLinearSpace (half3 sRGB)
{
    // Approximate version from http://chilliant.blogspot.com.au/2012/08/srgb-approximations-for-hlsl.html?m=1
    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);
}

inline half3 LinearToGammaSpace (half3 linRGB)
{
    linRGB = max(linRGB, half3(0.h, 0.h, 0.h));
    // An almost-perfect approximation from http://chilliant.blogspot.com.au/2012/08/srgb-approximations-for-hlsl.html?m=1
    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));
}