深入理解线性空间与HDR

随着基于物理的渲染技术（Physically Based Shading：PBS）的流行，线性空间也越来越常被提及。
之前看过一些相关的介绍，但始终感觉有些懵懂，于是决定通过博客的形式将其梳理一下。
本文主要解释了线性空间、伽马校正、HDR等基本概念及其对渲染的影响，并介绍了Unity中伽马空间与线性空间的差异。

线性空间

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简单来讲，在线性空间内对颜色、光照等进行加减乘除等操作后能得到正确结果。
而转换到非线性（伽马）空间，结果可能就是错误的：

既然非线性空间会导致错误的运算结果，有什么存在的理由呢？这就要说到图片编码中的伽马校正了

伽马校正

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编码伽马

因为人眼对暗部的感知要远大于亮部，所以在有限的位数（一般为8位）限制下，用一半的像素来存储亮部区域未免有些浪费，而使用伽马编码则可以充分地利用存储空间：

γ = 0.45

显示伽马

这样的图像直接显示肯定是会比原图要偏亮的，于是微软牵头提出了sRGB颜色空间标准，推荐显示器的显示伽马为2.2：因为0.45 x 2.2 ≈ 1，这就将之前的颜色还原了：

对渲染的影响

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由于编码伽马和显示伽马的存在，导致游戏渲染中可能产生以下问题：

图像整体偏暗

因为显示伽马的存在，会导致图像整体偏暗，如0.5经过2.2的伽马校正之后就变成了约0.22

混合方面的影响

对纹理的错误操作

因为图像位数的关系，输入的图片很可能已经被编码，若直接对其进行操作，可能导致不正确的结果，具体过程请参看下节

Unity中的空间差异

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Unity中同时支持两种空间（在Edit -> Project Settings -> Player -> Other Settings中设置）

Unity中的伽马空间

采取放任的态度，不进行伽马校正，典型的过程如下：可以看到，一个x2的Shader操作却产生了x4.7的结果（你不过爆谁过爆 。。。）

Unity中的线性空间

和伽马空间最大的不同是在输入和输出的时候都会进行伽马校正，保证操作都是在正确的空间（线性空间）内进行的：最终结果也是符合操作预期的

伽马如此麻烦，会多这么多步骤，啥时候能舍弃它呢？如果有一天我们的存储空间足够大：比如从8位上升到32位，也许就不需要它了。这就是接下来要说的HDR了

HDR

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动态范围指最高和最低亮度的比值， 高动态范围（High Dynamic Range：HDR）则代表最亮处和最暗处有较高的比值，这是符合真实世界的：阳光 vs 星光
HDR的好处有：

• 存储位数更多，可以保留更高的颜色精度
• 可以存储>1的颜色值，后期再用Tonemapping映射，保留更多亮部细节
• 屏幕后期的控制力更强，如Bloom的阈值可以设置为>1，提取最亮部分

但事物皆有正反两面，HDR的缺陷有：

• 需要更大的存储空间，渲染速度也会下降
• 一些硬件并不支持HDR
• 一旦使用了HDR将无法利用硬件的抗锯齿功能（可通过屏幕后期来弥补）