Unity的gamma矫正、颜色空间及其转换的问题

做PBR时涉及到线性空间的计算，发现这里有些坑，记录一下：

1，伽马矫正

简单说下原理：

• 在线性空间里，伽马值是1.0；但人眼对光的感知不是线性的（对暗色调的感知度强于亮色调），如下图，颜色编码的亮度分级与人眼主观亮度感受线性对应，人们对物理线性的颜色编码做0.45次方的gamma校正，即sRGB颜色空间。「校正完成后，相当于使用了0-128的范围来表达原来与物理强度保持线性时0-55的亮度变化。」
  
• 为了让便于保存和传输的颜色编码变回物理线性的形式，以便人眼观察显示器时能得到与观察现实世界时相近的感受，因此显视器这端做了gamma2.2的变换，与gamma0.45平衡后回到了Gamma1.0的线性空间。

2，unity的颜色空间

2.1两种颜色空间流程

• unity提供了两种颜色空间，Gamma Space和Linear Space

  1. Gamma Space：不做任何gamma变换，输入sRGB即Gamma0.45空间就在Gamma0.45空间计算，输入线性就在线性计算。
  2. Linear Space：先对sRGB格式的输入进行gamma2.2变换，将颜色数值变为线性，并在线性空间计算，输出时再进行gamma0.45变换，返回sRGB格式。「输入的color也变换，但所有alpha通道都不会变换」

• Linear空间实际流程：
  

• unity在内置管线中默认是Gamma Space，这是因为线性空间需要支持OpenGL ES 3.0，而部分手机和苹果机不支持；但在URP管线中默认是Linear Space（坑！）。

• UE4默认是线性空间，2017以后maya默认线性空间，贴图软件比如sp，sd都是线性空间。

2.2pbr贴图格式

• pbr固有色贴图、有颜色的贴图如自发光是sRGB的，即gamma空间
• 法线贴图是是线性的
• 其他lut和sss贴图、mask贴图、arm贴图等，如果是近年在相关dcc软件中制作的，就是线性的

2.3手动完成空间切换

由于各种问题不方便切换时，可以用Unity自带的拟合函数内部切换，能比pow快一点：

half3 LinearToGammaSpace (half3 linRGB)----拟合pow(x, 0.45)
half3 GammaToLinearSpace (half3 sRGB)----拟合pow(x, 2.2)

2.4升级URP后亮度不一致问题的问题

内置管线默认是Gamma Space，在gamma0.45空间上完成计算的，但计算球谐光照时却是线性的，见ShadeSH9函数；因此他加了一句如果是gamma颜色空间，就把数据再转到gamma0.45上，这样就导致间接光这块的光照强度部分的计算在gamma1.0空间上了。而线性空间全部在1.0空间完成，相当于
$$线性空间(x+y{)}^{0.45}<gamma空间x^{0.45}+y^{0.45}$$

• 因此gamma空间的间接光部分会更亮
  

3，Linear使用gamma空间素材的透明混合问题及解决办法

切换空间后，即使纹理贴图都设置对了，但半透明效果还是对不上。这是因为在gamma空间里的混合公式为：$$res=src\ast alpha+dst\ast (1-alpha)$$
而Linear空间的混合公式为：$$res=(sr{c}^{2.2}\ast alpha+ds{t}^{2.2}\ast (1-alpha){)}^{0.45}$$
「linear空间不对alpha通道矫正」

比如假设src为白色+0.2，dst为黑色，则gamma空间下的计算结果为0.2，linear空间下为0.48116，如果叠加次数多的话误差更大。

对于这个问题的常见做法有以下几种：

3.1 使用在线性空间下制作的资源

在PS默认使用gamma空间，需要设置为线性，这样就可以和unity一致，不用再转换。

但如果不是项目一开始就制定好规则，多半美术是不会同意改的。

3.2 linear空间全部取消sRGB+后处理

1. 所有素材取消勾选sRGB选项，这样得到的混合公式为：$res=(src\ast alpha+dst\ast (1-alpha){)}^{0.45}$
2. 内部手动统一素材空间
3. 在最后输出的颜色上做一个pow(2.2)，内置管线可以用后处理实现，URP可以在BlitPass中实现。

3.3 在gamma空间中手动实现linear的变换

涉及颜色、光照的都自己实现pow 2.2和pow 0.45，这样alpha还在gamma空间。

3.4 直接对alpha对一个矫正

这样算出来还是不一样，自己骗自己-_-，短暂糊弄事可以用。

3.5 定制化管线

见参考链接3.

参考资料

1，Unity内置管线升级URP之色彩空间
2，Gamma、Linear、sRGB 和Unity Color Space
3，Unity线性空间下半透明UI的解决方案