【TA100】图形 2.6伽马（Gamma）校正

很好的视频

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一、Gamma校正

1.前言：颜色空间

● 一些颜色空间的举例，（具体参考2.1节内容）
● 图中可以看到，sRGB和Rec.709的色域是差不多的，三原色的位置是相同的，那么它们之间的区别就是：传递函数不同。

2.传递函数

● 什么是传递函数：
○ 知道了颜色的颜色值之后，想要在电子设备上显示，就需要把它转换为视频信号，传递函数就是用来做转换的。

● 一个传递函数包括两部分：
○ 光转电传递函数（OETF），把场景线性光转到非线性视频信号值。
○ 电转光传递函数（EOTF），把非线性视频信号值转到显示光亮度。
○ 一个简单理解：拍照时，将照片存储在内存卡中，就是用视频信号存储的，如果要看这个照片，就把视频信号再转换成光信号。

3.Gamma校正

伽马校正（Gamma Correction）
为什么需要伽马校正？

部分人认为，是由于早期CRT显示器的输出亮度和输入电压存在非线性关系，具体就是近似2.2次幂的关系，导致显示器的亮度要比计算机上存储的亮度要低。

举个例子：假如你计算机存储的亮度是0.5（亮度范围是0~1），CRT显示器的输出亮度并不是0.5，而是约等于 0.218，具体计算过程如下


当你输入0.5时，输出到显示器的值为

其中2.2这个指数就是伽马值，而显示器的这种非线性输出过程称为伽马展开（gamma expansion）。为了能够得到正确的输出，必须对输入进行补偿，方法是对输入进行一次指数为1/2.2的幂次运算，这个补偿的过程就是伽马校正：

经过伽马校正后，显示器便能正确显示我们的输入了 ：

既然伽马校正起源于早期CRT显示器的非线性输出问题，而现在基本已经淘汰掉这些显示器了，并且当今的显示器已经可以做到线性输出了，那么我们是不是可以直接废弃伽马校正了呢？
实际上，我们仍然需要伽马校正！原因是：伽马校正可以提高暗部亮度的存储精度。

人眼对于较暗（接近0）的亮度值比较敏感，对于较亮（接近1）的亮度值则不太敏感，我们只能用一个8位二进制（可以表达0~255的整数）来存储亮度值，我们希望在整个图像中尽可能保留暗部细节。

下面举了例子说明：

假定我们要存储0.240和0.243这两个亮度值，如果不进行伽马校正，图片亮度的存储值分别为：

0.240和0.243的存储值变为了133和134，它们的实际显示效果就区分开了。当然，伽马校正会带来亮度较大值的表示精度的减小，例子如下：
无伽马校正：

有伽马校正：
可以看到，无伽马矫正的时候能区分的亮度值，到了伽马校正后反而无法分开了。
不过，人眼恰好对较暗值比较敏感，对较亮值不太敏感，所以亮部细节的丢失不会造成什么影响，而暗部细节的保留则会大大改善图像质量，这就是伽马校正至今依然采用的原因。

○ Gamma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操作。
·编码和解码的理解： ○ 例如：
■ 拍到的照片，存在电脑里，就是把自然界中的光信号编码为视频信号
■ 查看照片时，就要把视频信号还原为线性的光信号，进行解码操作

○ 如图：线性空间（相机捕捉到的真实世界光信号） + gamma编码 + 显示器显示 = 结果
○
·用一张图来举例：
○ gamma编码：
■ 左图为存在硬盘中，将捕获到的物理数据做一次gamma值约为0.4的映射，这个过程称为gamma编码
■ 由图中可以看到，此时图像要比实际物理像素更亮（图不一定是实际的情况，只是亮度提高了的直观表示）
○ gamma校正：
■ 中间为显示图像时，需要为每一个像素做一次gamma值约为2.2的校正，来使的最终结果为正确的物理数据。
○ 可以看到经过gamma校正好，之前偏亮的图像亮度降低了。
○
·为什么不用线性的方式存储，而要来回转换呢？
● ①和人眼的特性有关
○ 人眼对暗部的变化感应更敏感
● ②非线性转换为了优化存储空间和带宽
○ 我们用于显示图像数据都是8bit，要充分利用带宽，就需要使用更多位置去存储暗部值。也就是 暗部使用高精度保存，亮部使用相对较低精度保存。

二、韦伯定理（用gamma校正的一个原因）

1.美术上的均匀和物理上的均匀

● 正如上边所说，我们人眼对于暗部是更敏感的
○ 上边是视觉上的均匀变化，而下边是物理量上的均匀变化。
● 补充：理论上上边的中灰是物理量上（下边）的21.8%，视觉上认为的美术中灰色，大约是物理中灰色的20%

2.gamma编码曲线

● gamma编码的曲线：
○ 把人感受到的均匀灰阶和自然界线性增长的亮度进行一个映射，就是gamma编码的曲线
● 由图中可以看到
○ 自然界中亮度的0.2左右的亮度，对应的就是人眼感受到的中灰色（0.5）
○ 可以看到暗部的变化率更高，也就是说人眼对暗部的变化感受更敏感。

3.韦伯定律

● 用人话说就是：
○ 当所受刺激越大时，需要增加的刺激也要足够大才会让人感觉到明显的变化，但是只适用于中等强度的刺激。

三、CRT非线性响应（用gamma校正的另外一个原因）

1.CRT与转换函数

● CRT（阴极射线显像管）
○ 这种设备的亮度和电压不成线性关系，而是和gamma值约为2.2类似幂律的关系
○ 由于CRT的这个物理特性，刚好可以把亮度压暗，也就说，左图变亮的情况下，经过右图显示器的压低亮度校正，结果刚好可以显示正常。
■ 值得注意的是，上述所说的前提是，在条件相同的情况下（在明暗不同的环境下，看到的结果可能不同），我们取的中灰值，也不是指特定的一个值。

2.中灰值

● 所谓的中灰值，并非某个具体的值，而是说人眼的具体感受
● 一个例子可以证明
○ 对于第一张图，可以很明显看到AB颜色不同

对于下面这张图，只是把AB连起来，就可以看到，其实是一种颜色(影子让周围更暗了)
//ps：如果你不信的话，可以用Snipaste取一下图1的A、B两种颜色，你就会发现，真的是一个颜色

四、线性工作流

1.课程中内容
● 对于技术美术来说，知道上边所说的还不够，因为很多时候我们会接触到一些图形效果的制作和修改。
● 这时候就需要一个正确的工作流程。

● 线性工作流：
○ 在各个环节正确的使用gamma编码/解码，来达到最终输出的数据和最初输入的物理数据一致的目的。
○ 如果使用Gamma空间的贴图，在传给着色器之前需要从Gamma空间转到线性空间。
■ 目的是在着色器中做一些渲染计算时会使用线性空间的颜色值，这样就不会出现一些显示错误的结果。
● 如果不在线性空间下进行渲染工作，可能会产生的问题：

○ ①亮度叠加时
■ 可以看到非线性空间下亮度叠加出现了过曝（亮度>1的）的情况
■ 因为Gamma空间经过gamma编码后的亮度值相对之前会变大。

○ ②颜色混合时
■ 如果在混合前没有非线性的颜色进行转换，就会在纯色的边界出现一些黑边。

○ ③光照计算时
■ 在光照渲染结算时，如果我们把非线性空间下（视觉上的）的棕灰色0.5当做实际物理光强为0.5来计算时，就会出现左边这种情况
■ 在显示空间下是0.5，但在渲染空间下它的实际物理光强为0.18（如右图）

五、Unity中颜色空间

1.在Unity中选择颜色空间
● 点击菜单 -> Project Settings -> Player页签 -> Other Settings 下的Rendering部分，通过修改Color Space可以来选择Gamma/Linear（线性）
○

● 当选择Gamma Space时
○ Unity不会做任何操作（默认Gamma）
● 当选择Linear Space时
○ 引擎的渲染流程在线性空间计算，理想情况下项目使用线性空间的贴图颜色，不需要勾选sRGB；
● 勾选sRGB？
○ 如果勾选了sRGB的贴图，Unity会通过硬件特性采样时进行线性转换

2.硬件支持

● 目前以下平台可以进行线性空间下的硬件支持
○ Windows，Mac OSx ，Linux（Standalone）
○ Xbox One
○ PS4
○ Android（OpenGL ES3.0）
○ IOS（Metal）
○ WebGL
● Unity主要通过以下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做Gamma校正
■ 作为纹理被读取时会自动把存储的颜色从sRBG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
■ sRBG Frame Buffer 只支持每通道为8bit的格式，不支持float浮点格式
■ HDR开启后会先把渲染结果会知道浮点格式的FB中，最后绘制到sRGB FB上输出。
○ sRGB Sampler
■ 将sRBG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校正，比在shader里对贴图采样和计算结果的校正要快。

六、资源导出问题/注意事项

1.SubstancePainter
○ SubstancePainter的贴图导出时，其线性的颜色值经过了gamma编码，所以颜色被提亮了。
○ 此时这个贴图需要在Unity中勾选sRBG选项，来让它被采样时能还原回线性值。

2.PS
● 从PS中导出图片，如果把灰度系数设为一的话，在Unity中就不需要勾选sRBG选项了；
● 如果PS中什么都不做设置的话，在Unity中勾选sRGB选项即可。

● Document Color Profile
○ PS对于颜色的管理是很精准的，我们在Unity中看到的颜色要经过显示器的gamma变换，而PS中的不会，PS会读取显示器的Color Profile，反向补偿回去
■ （也就是说，ps中的是真实的颜色值）。
○ PS自身有一个系统，会通过灰度值控制颜色的显示，（通常情况下这个值和显示器的gamma值一致，所以看起来会和Unity中看到效果的一样），可以通过改变灰度值来改变最终颜色显示的结果。
● 半透明效果
○ Unity中：
■ Unity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混合
○ PS中：
■ PS的图层和图层之间做混合时，每个上层的图层都会读取他们的Color Profile（gamma值），然后经过一个gamma变换再做混合，这样做得结果就会偏暗一些。
■ （可以在它的工作空间 的设置中进行更改，选择用灰度系数混合RGB颜色，参数设置为一，这样图层才是一个最终直接混合的结果）

● 如果做一次非线性映射（就是gamma校正），把美术灰阶中的中灰提到中间，这样亮部和暗部就都能分配到128个样本。这样下来保存的才是人眼看着舒服的/正常的结果。
②Gamma校正函数的理解
● 它是一个幂函数，y=xgamma
● 永远会穿过（1,1）和（0,0），对应的就是白色和黑色
● 对于gamma的值
○ 如果gamma=1，函数就是y=x，输入值=输出值，也就是不做校正
○ 如果gamma>1，函数图像下压，输入值会被下压

线性空间
gammar空间