【Unity3D】伽马校正

1 伽马相关概念

1.1 人眼对亮度变化的感知

​ 人眼对亮度变化的感知不是线性的，如下图，人眼对亮区的亮度变化不太敏感，对暗区的亮度变化较敏感。另外，我们可以想象一下，在一个黑暗的房间里，由 1 根蜡烛到 2 根蜡烛的变化，我们很容易感知到，但是由 100 根蜡烛到 101 根蜡烛的变化，我们就不容易感知到。因此，对于固定的存储空间，我们应该给暗区分配更多的存储空间，而给亮区少分配些空间，这样能让更多的细节在暗区呈现，而亮区不必呈现太多细节（因为人眼感知不到亮区的细微变化，呈现太多细节只会浪费空间）。

1.2 伽马编码和伽马解码

​ 1）伽马函数

​ 伽马函数公式如下，因其指数部分 γ 读音为伽马（gamma）而来。

​ 当 0 < γ < 1 时，伽马函数的图像从左往右逐渐平缓，通常作为伽马编码处理；当 γ > 1 时，伽马函数的图像从左往右逐渐陡峭，通常作为伽马解码处理。如下是 γ 值为 0.45 和 2.2 的函数图像。

​ 2）伽马函数在图像捕捉****和显示中的应用

​ 一般情况下，一个像素使用 8 位存储，可以表示 256 种颜色。为了尽可能线性化人眼感知的亮度变化（人眼对暗区的亮度变化更敏感，需要使用更多的存储空间，对亮区的亮度变化不太敏感，可以少分配些空间），对相机采集到的图像进行伽马编码处理后，再存入 jpeg 等格式图片文件中，在读取图片文件时，通过伽马解码处理后再显示，如下图所示。

​ 在早期，CRT（Cathode Ray Tube，阴极射线管）几乎是唯一的显示设备，它有一个特性，输入电压和显示亮度不是线性关系，而是伽马函数关系，并且其 γ 值刚好是伽马编码函数的 γ 值的倒数，这正好补偿了图像捕捉设备的伽马编码造成的亮度非线性问题。因此，显示设备只需要输入线性变化的电压，就可以还原线性变化的亮度，而不需要进行伽马解码处理。现在 CRT 设备很少见了，并且后来的显示设备有着不同的伽马曲线（γ 值不同），但人们仍在硬件上做了调整来提供兼容性。

​ 注意：透明通道不参与伽马编码和伽马解码。

​ 3）sRGB 颜色标准

​ 微软联合爱普生、惠普制定了 sRGB 颜色空间标准，推荐相机的伽马编码函数的 γ 值为 0.45，显示器的伽马解码函数的 γ 值为 2.2（因为 2.2 × 0.45 ≈ 1）。绝大多数的摄像机、PC 和打印机都使用了 sRGB 标准。

1.3 颜色空间

​ Unity 中材质渲染的颜色空间分为伽马空间（默认）和线性空间，如下。

​ 伽马空间中，Unity 不会对 Shader 的输入和输出进行任何处理，因此，输入的像素可能是非线性的，输出的像素经过显示器的伽马解码处理后可能会得到非预期的亮度，通常表现为场景整体变暗。

​ 线性空间中，Unity 会把输入纹理设置为 sRGB 模式，在该模式下，硬件在对纹理进行采样时会自动进行伽马解码，在 Shader 写入颜色缓冲前自动进行伽马编码（HDR 除外）。

​ 用户可以在【Edit→Project Settings→Player→Other Settings→Rendering→Color Space】中设置颜色空间，如下。

2 伽马对亮度和混合的影响

​ 当颜色空间使用默认在伽马空间时，如果不进行伽马矫正，可能会出现场景整体偏暗、混合异常等问题。本节实验完整资源见→Unity3D伽马校正对比实验。

2.1 伽马对亮度的影响

​ 新建一个场景，调整相机位置和旋转角度分别为 (0, 0, -1.5)、(0, 0, 0)，调整直射光旋转角度为 (45, -90, 0)，使得直射光从右上角 45° 射向左下角；新建一个 Sphere，调整其位置为 (0, 0, 0)，新建一个材质，重命名为 DiffuseMat，设置其 Shader 为【Legacy Shaders / Diffuse】，将该材质拖拽给 Sphere；设置环境光为全黑（在【Window→Rendering→Lighting→Environment→Ambient Color】中设置），使得渲染只受漫反射影响。伽马空间和线性空间中 Sphere 渲染如下。

​ 由于球体的渲染只受漫反射影响，并且直射光从右上角 45° 射向左下角，因此右边的渲染才更符合要求。另外，左侧图像相比右侧图像，整体偏暗一些。

2.2 伽马对混合的影响

​ 新建一个场景，创建 3 个 Quad 和 3 个材质，将这些材质分别拖拽到 3 个 Quad 中，将以下 Shader 绑定到这些材质中，将边缘渐变的圆形图片拖拽到 3 个材质中，调整 3 个材质的颜色分别为红、绿、蓝。

​ SimpleBlend.shader

Shader "MyShader/SimpleBlend" {
    Properties {
        _MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}
        _Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
    }

    SubShader {
        Tags {"Queue"="Transparent" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent"}

        Pass {
            ZWrite Off
            Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
            
            CGPROGRAM

            #include "UnityCG.cginc"

            #pragma vertex vert_img
            #pragma fragment frag

            sampler2D _MainTex;
            fixed4 _Color;

            fixed4 frag(v2f_img i) : SV_Target {
                return fixed4(_Color.rgb, tex2D(_MainTex, i.uv).a);
            }

            ENDCG
        }
    }

    FallBack "Transparent/VertexLit"
}

​ 伽马空间和线性空间中 3 个 Quad 的渲染如下。

​ 左侧图片边缘较硬，右侧图片边缘较柔和，更符合实际情况。

3 伽马校正策略

​ 在线性空间下，系统自动进行了伽马校正；在伽马空间下，需要用户手动校正。另外，Unity 的线性空间并不是所有平台都支持，如：移动平台就无法使用线性空间。

​ 对非线性的输入纹理，进行伽马解码校正如下：

float3 tex = pow(tex2D(_Tex, i.uv).rgb, 2.2);

​ 在片元着色器输出前，进行伽马编码校正如下：

fragColor.rgb = pow(fragColor.rgb, 0.45);
return fragColor;

​ 注意：当场景中存在半透明物体时，上述校正会导致混合在非线性空间中进行，影响混合效果，一种有效的解决方法是：将伽马编码校正放在屏幕后处理中进行。

​ 声明：本文转自【Unity3D】伽马校正。