Unity Gamma空间和线性空间

线性空间（Linear）

在物理世界中，如果光的强度增加一倍，那么亮度也会增加一倍，这是线性关系，为了模拟真实的物理世界，需要把亮度值转换到线性空间计算，这样才能得到正确的结果

Gamma空间

Gamma的产生有两个主要原因：一个是CRT显示器非线性响应的历史原因，另一个是人眼对暗部颜色更敏感

早期CRT显示器的电压和输出的亮度是非线性的，亮度（$l$）等于电压（$u$）的2.2次幂，即图中下凹曲线

$l=u^{2.2}，l\in [0,1]，u\in [0,1]$

这里的Gamma值就是2.2，现代显示器仍然使用这个Gamma值，显示器使用Gamma2.2空间意味着显示器会对每个像素进行一个2.2的幂运算，整体画面就会偏暗，为了抵消显示器的影响，需要对图像进行一个0.45的幂运算（0.45 ≈ 1 / 2.2），这个平衡的操作就叫做Gamma校正

另一个原因是人眼对暗部颜色更敏感

上方是人眼感觉到的亮度从0到1的变化，下方是真实世界中亮度从0到1的变化，人眼的感知是非线性的
RGBA中每个通道只有8位，只能存储256（$2^8$）个级别的亮度，为了存储更多的暗部信息，会对存储的图像进行Gamma矫正（即进行0.45的幂运算），这样图像会更亮，相当于扩大暗部的范围，当然较亮的部分会丢失细节

Gamma空间计算问题

两个颜色叠加0.2和0.3
在线性空间直接计算，0.2 + 0.3 = 0.5
在Gamma空间中， $(0.2^{0.45}+0.3^{0.45}{)}^{2.2}\approx 1.15$

两个颜色混合0.1和0.7
在线性空间直接计算，(0.1 + 0.7) / 2 = 0.4
在Gamma空间中， $((0.1^{0.45}+0.7^{0.45})/2{)}^{2.2}\approx 0.3289$

这就导致在Gamma空间中一些较亮的部分容易过曝

工作流

Gamma工作流，这里的Shader计算就会出现上面说的问题
适合：无光照，无透明混合
对性能无影响

线性工作流，对性能有影响

在Unity中设置色彩空间，现在主流游戏都已经转向线性空间

sRGB

1996年，微软和惠普一起开发了一种标准sRGB色彩空间，s表示Standard。sRGB对应的是Gamma0.45所在的空间。
进过Gamma矫正和显示器矫正，还原到原来的亮度

$(u^{0.45}{)}^{2.2}$

线性空间下，贴图如果勾选sRGB表示移除Gamma矫正，即会对贴图做一个2.2的幂运算，就是贴图会变暗一点，具体参考上面的线性工作流，等价于在片元着色器中做了如下操作

     fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
     {
         float3 c = tex2D(_MainTex, i.uv);
         c = pow(c, 2.2);
         return float4(c, 1);
     }

在变量前加[Gamma]也表示移除伽马矫正，即会对变量做一个2.2的幂运算，[Gamma]只在线性空间下有用

    [Gamma]_Metallic("Metallic", Range(0,1)) = 0.5 

参考

Unity中Color Space、Gamma、Linear、sRGB都是什么？

Gamma、Linear、sRGB 和Unity Color Space，你真懂了吗？

Unity项目从Gamma转Linear颜色空间的经验分享