伽马校正和颜色空间

全栈程序员站长

发布于 2022-11-08 16:50:54

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发布于 2022-11-08 16:50:54

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大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

一、伽马校正

所谓gamma校正，实际上是一个颜色的非线性变换。下面来解释这个变换曲线存在的原因。

1.1 人眼的非线性视觉效应

为什么要有gamma校正了。一言以蔽之，人眼的生理效应。如下图所示，

第一行是人眼感受到的线性亮度变化，第二行是真实的非线性亮度变化。可以得出结论，首尾两端是一致的，但是中间值变化不一致；真实的中间亮度值必须更大，才能得到人眼感知的线性亮度变化。我们的目的是让人眼感受到线性的亮度变化曲线，因此输入亮度必须是第二行这种非线性的亮度变化曲线。第二行的亮度变化曲线，就是伽马校正曲线。

1.2 非线性显示器

显示器为了应对人眼的这种非线性视觉效应，采用的也是类似的机制（也可能是历史原因，总之认为当今的显示器都是如此设计就行）。假设我们输入的颜色值，即输入给显示器的电压，那么这个电压对应的是1.1的第二行（Gamma校正曲线）；人眼感受到的显示器的真实输出对应的是1.1的第一行（线性颜色输出），即gamma编码曲线。如下图所示，

这里反复强调了，人眼感受到的显示器亮度，而不是显示器的输出亮度。举个例子，输入颜色值是0.732的话，那么显示器经过gamma编码后输出的亮度是0.5，人眼感受到的亮度是0.218，刚好和人眼的视觉效应匹配。

值得强调的是，gamma指数2.2是可以变化的，在不同的场景下，可以选择不同的gamma指数。

1.3 总结

总结，照片是按照gamma校正曲线编码的，显示器经过gamma编码后，输出照片的亮度是线性曲线，人眼看到线性曲线的亮度后感知到的曲线是gamma曲线。因此，我们需要确定输入的颜色数据是在线性曲线或者gamma校正曲线上。

二、颜色空间和工作流

颜色空间可以理解为，颜色是在哪个空间下制作的。不需要特别多的数学曲线来描绘，但是这个说明又需要一点美术经验来理解。下面来具体分类解释。

2.1 伽马颜色空间和工作流

比如，我们拍摄的照片，人眼看起来是正确的，那么说明人眼感受到的是线性变化的，因此照片的数据是经过伽马校正的，也就是照片的数据变化是在gamma校正曲线上的。同样的，在电脑上使用软件制作的图片也是处于gamma校正曲线上的。我们把这种颜色数据在gamma校正曲线上的，叫做gamma color space，也叫做sRGB。那么，伽马工作流指的是所有的流程都在伽马颜色空间完成，比如输入数据，比如光照计算等。

2.2 线性颜色空间和工作流

类似的，线性颜色空间指的是输入数据是在线性曲线上的。那么，我们如果用一张真实的图片作为输入，首先要对其进行gamma校正，也就是需要将这张贴图设置为sRGB，引擎或者图形接口自动会将其转换。线性工作流指的是所有的流程都在线性颜色空间完成，比如输入数据，比如光照计算等。值得强调的是，我们现在的显示器都是gamma显示器，因此我们不能在渲染管线中不能直接输出线性数据，需要转换到sRGB空间再进行输出，某些硬件支持这个自动转换，如果检测到硬件不支持，渲染引擎会在后处理流程中用shader来转换。

2.3 工作流总结

下面用一张流程图来总结颜色空间的工作流，如下所示，

sRGB Texture在gamma工作流下正常显示
线性工作流的输出必须进行gamma校正，否则显示会变暗
gamma工作流的shader计算在sRGB空间中
线性工作流的shader计算在线性空间中

注意，sRGB贴图移除gamma校正和shader输出进行gamma校正，都有硬件的自动支持，比如OpenGL的sRGB纹理和 GL_FRAMEBUFFER_SRGB。如果硬件不支持，那么应用（比如游戏引擎），在线性工作流中需要自己进行变换，比如加载sRGB贴图时候手动变换到线性空间和使用shader进行gamma校正。

2.4 关于贴图设置为sRGB后变暗的说明

业界或者网上一直流传，贴图设置为sRGB后会变暗。参考2.3的图，在线性工作流下，如果贴图设置为sRGB后，引擎会对贴图进行去gamma校正，变换为线性空间，颜色数值都会变小，参考1.2的曲线图。不管原始图片是否是sRGB空间下创建的，渲染时候得到的颜色值都变小了，因此不管输出时候是否进行gamma校正，我们看到的结果都会变暗。如果是gamma工作流，则不会变暗，因为没有去gamma校正这个过程。