轉載文章，出自http://www.manew.com/thread-105872-1-1.html，作者 alphatt

Gamma & Linear Color Space

一、真實？感覺? ? ??1、你相信你的眼睛嗎 （藍黑or白金？） (A和B的顏色一樣嗎？) 2、你以為你以為的就是你以為的嗎 （中度灰，127？186？） 二、Gamma Color Space ? ??1、什么是亮度 人類視覺對亮度感知能力并不是呈現線性關系的，人類的眼睛在在感受純白（亮度100%）與純黑（亮度0%）后，對于中等亮度（亮度50%）的實際感知并不是中灰（PS中128度灰）所帶來的亮度，而當人眼接受到18％左右的亮度的光源后，就能感覺到這是中等亮度了。 那么人類對于對亮度的感知響應稱為亮度。 ? ??2、什么是Gamma和Gamma矯正
傳統的CRT顯示器是通過電壓的強度來進行屏幕亮度的顯示的，而CRT顯示器顯示的亮度跟施加的電壓并不是呈線性的關系的，是呈現一種冪律響應的方式：在顯示器的表面處產生的亮度與提高到2.5倍的施加電壓大致成比例，該功率函數的指數的數值通常被稱為γ（Gamma）。 這是一個實際CRT傳輸功能的圖形 為了實現亮度的正確再現，同時，如上面所說（什么是亮度），人類對于亮度的感知是非線性的，所以必須補償該非線性。（這里的非線性指兩個，人類對亮度的感知的非線性和CRT顯示器的對電壓的非線性的響應關系） 那么對于Gamma矯正的原因，網上也是眾說紛紜，有的人認為僅僅是因為老式計算機（CRT）的的歷史遺留 問題，這個說法主要來自Gong大，還要一個黨派認為這僅僅是因為人眼的視覺感官所決定的，跟CRT沒半點關系，這個說法主要來自韓世麟，那么最終也有人結合這兩派提出自己的觀點，她認為主要跟人眼就關，CRT只是個巧合，CandyCat。 ? ??? ??1）CRT歷史遺留問題黨 開發gamma編碼是用來抵消陰極射線管（CRT）顯示器的輸入和輸出特性。電子槍的電流，也就是光的亮度，與輸入的正極電壓的變化是非線性的。通過gamma壓縮來改變輸入信號抵消了這個非線性，因此輸出圖像就能有預期的亮度。來自維基百科 如果單純考慮歷史原因，CRT的輸入輸出問題，那么計算就很簡單了，如下圖
那么我們所看到的圖像，就有以下幾種情況了:
按照Gong大的意思，這個原因完全與人眼無關，但是這里我是質疑的，當然下面也有人留言進行了反駁。 ? ??? ??2）人眼至上黨 ? ??? ??? ??人眼對自然亮度的感知是非線性的（韋伯定律） 對于你看到的跟實際的情況不符，韓世麟用了一條韋伯定律來大概說明了下這種現象，在wiki上韋伯定律是這么解釋的：
韋伯定律：在同類刺激之下，其差異閾限的大小是隨著標準刺激強弱而成一定比例關系的，K=ΔI/I K為常數。?
費希納定律：在絕對閾限之上，主觀的感覺強度與刺激強度的改變，兩者間呈對數的關系，亦即，刺激強度如果按幾何級數增加，而引起的感覺強度卻只按算術級數增加。
這條定律套用到前面所說的亮度的關系就是說，在一間黑屋子里，開一盞燈，你立刻就能感覺到亮度的巨大變化，如果在這種狀態下想獲得成倍的亮度變化的感覺，理論上你再開一盞燈就可以，但實際不是，可能要開兩盞燈你才能感受到這個屋子里的亮度變亮了一倍，也就是說，你想獲得成倍亮度變化的體驗，所開的燈的數量并不是呈線性比的，而是一個指數函數的關系。
這張圖說明，在亮度呈現線性變化的情況下，人眼的感覺的變化并不是呈現線性的，下面黑色區域的變化，人眼能很容易的分辨，而上面白色區域的變化，人眼就很難分辨了，為了加強這種感覺，戴眼鏡的同學可以把眼睛摘掉，或者遠距離觀察。 ? ??? ??? ??大自然的灰階是無限的，而記錄展示的灰階是有限的 好了，既然上面說到，人眼觀察到的這個世界的線性亮度變化，實際感覺是非線性的，那么怎么利用這點呢，前面說到了因為CRT顯示器的原因，還有一個非常非常重要的原因，就是大自然有無窮無盡的色彩，亮度，需要將這些無窮無盡的色彩全都裝進屏幕里，顯然是不太可能的，那么就需要一個映射關系，正常的計算機顯示的圖片都是8bit的位圖，那么8bit的位圖所能產生的色彩是256^3，而灰階只有可憐的256個。 在攝像機等記錄影響的設備進行記錄畫面的時候，如果不矯正的話，按照線性的去記錄，理論上沒啥問題，實際上牽扯到我們剛剛講了人眼的特性，這就很有問題了。請看下圖
下面的灰階圖表示了正確的線性灰階過度關系，但是上圖才是我們人眼真正感知到的灰階過度關系，如果按照下面的狀態去記錄，那么人眼就會感覺到暗部細節偏少，在人眼的感官里，白色是占了很大一部分的，然而人眼對亮度不那么敏感，所以造成了很大的浪費。 因此，我們就需要用到Gamma矯正來糾正這種關系，說白了就是要讓人感到爽。 因此我們就有了pow(color, 1/2.2)這個gamma encoding操作，通過這個公式，先讓一張圖變亮，來讓暗部細節更豐富（暗部細節得到更多的色階），最后再通過displaygamma輸出到屏幕上，達到還原的目的。 這里補充一個小知識：伽馬校正的公式是：V(out) = V(in) ^ r. 0 < r < 1 時，該 r 稱為 encoding gamma，該過程稱為 gamacompression； 1< r, 該 r 稱為 decoding gamma，該過程稱為gamaexpansion。具體表現如下圖。 好了，上面說了那么多，通過這張圖基本就可以完全理解了

• 綠色的曲線是人眼的感光度的曲線，也就是對光線敏感程度的一條曲線，從圖中藍色的線可以看出，當亮度達到0.218左右的時候，人眼就已經感覺到這是中度亮度了。
• 為了配合這種特性，必須要用相反的一條曲線進行校正，也就是圖中藍色的曲線，可以看到，當進行這樣一個過程之后，可以以用0.729的亮度來表示0~0.5的黑色區域，而那些人眼不敏感的白色區域只占到了0.271，這樣就達到了資源節省的目的。
  

那么來說說，那個CRT是怎么回事，當年CRT的display Gamma是2.5，這個數值接近于人眼的感光的冪率1/0.45=2.2，于是當時的人們很驚訝，我X，真是太巧了，顯示器不需要做額外的工作就能正確顯示我們之前根據人眼的特性矯正過的圖片了，太棒了！這就造成了一個小問題，0.45*2.5最終的結果是1.125，并非是1，但是也沒人管這事啊，直到后來，科技大佬們終于管起了這事：
sRGB （標準紅綠藍）是惠普和微軟 1996年合作創建的用于顯示器，打印機和互聯網的RGB色彩空間 ，隨后由IEC標準化為IEC 61966-2-1：1999。 [1]它通常用作不包含任何顏色空間信息的圖像的“默認”顏色空間，特別是如果圖像存儲為8位整數。
SRGB的display gamma的值為2.2，這樣配合之前根據人眼推算出來的gamma值為0.45，最終的gamma值就為1了。
當然，1這個值也不是絕對的，只是在大部分的情況下比較合適，如果在黑暗的電影院里，1.5是比較好的選擇，而在比較明亮的辦公室里，1.125是比較好的選擇，這就像手機上的自動調節光照一樣，陽光很好的室外，會自動調亮屏幕，夜晚躺在床上看小說，屏幕自動調暗。
那么對于Gamma和Gamma矯正以及人眼什么的，可以用一下幾句話來總結： 韓世麟：灰階有限的前提下，因為人眼對自然的非線性感知特性，我們才需要Gamma校正。 渣渣：gamma校正存在的本質原因是：是受限于有限存儲空間及渲染帶寬，需要在整個圖像的流轉各級轉換中盡可能保留暗部細節，以滿足人眼對暗部敏感的需求。 疾風齒輪：gamma值就是對動態范圍內亮度的非線性存儲/還原算法。
Gamma encoding of images is used to optimize the usage of bits when encoding an image, or bandwidth used to transport an image, by taking advantage of the non-linear manner in which humans perceive light and color.[1] The human perception of brightness, under common illumination conditions (not pitch black nor blindingly bright), follows an approximate power function (note: no relation to the Gamma function), with greater sensitivity to relative differences between darker tones than between lighter ones, consistent with the Stevens' power law for brightness perception. If images are not gamma-encoded, they allocate too many bits or too much bandwidth to highlights that humans cannot differentiate, and too few bits or too little bandwidth to shadow values that humans are sensitive to and would require more bits/bandwidth to maintain the same visual quality.[1][2] Gamma encoding of floating-point images is not required (and may be counterproductive), because the floating-point format already provides a piecewise linear approximation of a logarithmic curve.[3] Although gamma encoding was developed originally to compensate for the input–output characteristic of cathode ray tube (CRT) displays, that is not its main purpose or advantage in modern systems. In CRT displays, the light intensity varies nonlinearly with the electron-gun voltage. Altering the input signal by gamma compression can cancel this nonlinearity, such that the output picture has the intended luminance. However, the gamma characteristics of the display device do not play a factor in the gamma encoding of images and video—they need gamma encoding to maximize the visual quality of the signal, regardless of the gamma characteristics of the display device.[1][2] The similarity of CRT physics to the inverse of gamma encoding needed for video transmission was a combination of luck and engineering, which simplified the electronics in early television sets.[4] 圖像的伽瑪編碼用于通過利用人類感知光和顏色的非線性方式來優化編碼圖像時使用的比特，或者用于傳輸圖像的帶寬。 [1]在普通照明條件下（不是黑色或黑暗），人類對亮度的感知遵循近似的功率函數 （注意：與伽馬函數無關），對較暗的色調之間的相對差異的敏感性比較輕一些，與史蒂文生的亮度感知的冪律一致。 如果圖像沒有伽瑪編碼，它們會分配太多的位或太多的帶寬，以突顯人類無法區分，太少的位或太少的帶寬影響人類敏感的值，并且需要更多的位/帶寬來維護相同的視覺質量。 [1] [2] 浮點圖像的伽馬編碼不是必需的（并且可能適得其反），因為浮點格式已經提供了對數曲線的分段線性近似。 [3] 雖然伽瑪編碼最初是為了補償陰極射線管 （CRT）顯示器的輸入輸出特性而開發的，但這不是現代系統的主要目的或優點。 在CRT顯示器中，光強度隨電子槍電壓而非線性變化。 通過伽瑪壓縮來改變輸入信號可以消除這種非線性，使得輸出圖像具有預期的亮度。 然而，不管顯示裝置的伽馬特性如何，顯示裝置的伽馬特性不會影響圖像和視頻的伽馬編碼，因此它們需要伽馬編碼以使信號的視覺質量最大化。 [1] [2] CRT物理學與視頻傳輸所需伽馬編碼的相反性是運氣與工程的結合，簡化了早期電視機中的電子設備。 [4]
對于CRT黨和人眼黨，我后來又仔細閱讀了下wiki的說明，wiki的意思是，雖然早期gamma的存在是為了補充陰極射線管（CRT），但是這不是現代系統主要的目的，我猜測這里說的現代系統應該就是微軟聯合惠普等科技大佬指定sRGB標準之后的時間，所以對于業界的Gamma&Gamma矯正就不做深究了，下面主要講講中的Color Space。


三、Unity3d中的Gamma和Linear Color Space 在unity中除了選擇渲染路徑外，在“顏色空間”也是很重要的。顏色空間決定了在燈光計算中混合顏色或從紋理中讀取值時，統一所使用的計算方式。這可能會對游戲的畫面真實性產生比較大的影響，在以前Linear Color Space不支持移動平臺，但是在Unity 5.5中已經加入了對和iOS的線性渲染。通過線性渲染，你可以確定你的輸入輸入，輸出和計算都是在正確的顏色空間中完成的。最終圖像的亮度將隨著場景中的光的數量增長而呈現線性增長。 在Android上，線性渲染需要OpenGL ES3??API，市面上61.1%的Android設備都滿足。在iOS上，線性渲染需要Metal API，市面上71.1%的IOS設備都能滿足。 根據最新的消息，Unity2017.2已經開始支持WebGL2.0的線性色彩空間。目前市面上支持的瀏覽器是Chrome和Firefox瀏覽器。 首先明確一點，在Shader中計算顏色一定是在線性空間進行的。使用unity在Gamma空間中創建的紋理可以在線性空間顏色空間中被正確的表現出來。 所有的8位圖片都是經過gamma矯正的，但是shader計算是要在線性空間下的，所以當你選擇線性空間的時候，為了克服gamma空間下貼圖計算不準確的問題，可以讓unity使用RGB采樣而不是sRGB采樣，具體設置如下：

• Gamma Color Space workflow
  

雖然線性工作的計算結果更準確，但確實還是需要存在一個gamma工作流，因為以前線性工作流并不能在移動平臺使用，現在即使支持移動平臺，但為了更大的兼容性，還是需要gamma工作流。 當引擎被設置成了gamma color space之后，渲染管道就會使用它們所存儲的伽馬色空間中的所有顏色和紋理——紋理在使用著色器時，不會從它們中移除伽馬校正。此時不管是是否勾選上面提到的sRGB的選項，這張紋理最終都會得到一個正確的顏色值，原因是即使這些值是在伽馬空間中，Unity編輯器的著色計算仍然把它們的輸入看作是線性空間的。為了確保最終結果正確，編輯器在將著色器輸出寫入framebuffer時進行了調整，并沒有對最終結果應用伽馬校正。

• Linear Color Space workflow
  

使用線性工作流相比gamma工作流能夠獲得更真實的渲染。不管你時在線性空間下還是gamma空間下創建的貼圖都是可以在線性空間下工作的。Gamma空間下創建的貼圖在線性空間下被提交給著色器前可以移除gamma 矯正。

• 線性貼圖
  

當設置了Linear Space，引擎默認你的忒圖是在gamma color space中的，unity使用你GPU的sRGB標準來在兩者間進行交叉使用，如果你的貼圖本身是在linear空間下制作的，你需要忽略sRGB采樣。

• Gamma貼圖
  

從伽馬色彩空間到線性色彩空間的過程，這種轉換是隱式應用的，因為Unity編輯器已經將這些值轉換為浮點數，然后將它們作為常量傳遞給GPU。當采樣紋理時，GPU會自動移除伽馬校正，將結果轉換為線性空間。這些輸入然后被傳遞給Shader，在正常情況下，在線性空間中進行照明計算。當將生成的值寫入framebuffer時，它要么是直接更正，要么是在線性空間中保留，以便稍后進行伽馬校正——這取決于當前的呈現配置。例如，在高動態范圍(HDR)中，渲染結果被保留在線性空間中，而伽馬則稍后修正。 根據上面的解釋，其實可以進行如下的總結：
當選擇Gamma Space時：就是一個“負負得正”的過程，加載貼圖(此時貼圖是校正了的1/gamma),采樣,計算,再寫到緩沖區,顯示在屏幕上，也不會對輸出像素進行任何處理，這意味著輸出的像素會經過顯示器的display gamma轉換后得到非預期的亮度，通常表現為整個場景會比較昏暗。
當選擇Linear Space時：Unity會使用線性計算光照紋理，引擎會創建支持sRGB的緩沖區,替換普通的緩沖區。同時會默認的對紋理進行一次反gamma矯正（就是進行一次pow(x,2.2)），這個過程就是unity在線性空間下對于gamma空間下貼圖的轉換處理的過程。如果此時開啟了混合，在此種緩沖區進行Alpha混合時,先將緩沖區的顏色G(x)^Gamma,變換回線性變化,再進行混合,而后再對得到的結果G(x)^(1/Gamma)到緩沖區,這樣保證Alpha混合時結果也是正確的.此外,如果應用了HDR,創建了浮點緩沖區,寫入和讀取浮點緩沖區時都沒做特殊處理,里面的內容都是線性變化的,在將浮點緩沖區寫入帶sRGB的緩沖區時再一次性進行G(x)^(1/Gamma)。 sRGB模式是在近代的GPU上才有的東西。如果不支持sRGB，我們就需要自己在shader中進行伽馬校正。對非線性輸入紋理的校正通常代碼如下：
float3 diffuseCol = pow(tex 2D( diffTex, texCoord ), 2.2 );??
最后輸出顏色為了配合顯示器的displaygamma一定要進行如下計算：
fragColor.rgb = pow(fragColor.rgb, 1.0/2.2); return fragColor;
最后通過一個實例，來看看在unity中使用 Linear Color Space:

• 首先在unity中設置成linear空間，Edit -> Project Settings -> Player -> Other Settings
• 然后再PS里面制作一張128度灰的貼圖（這里可以制作兩張，一張是8bit的128度灰，還有一張是32bit的128度灰）導入Unity
• 新建一個不接受光照的Shader，最終顏色呈兩倍輸出
  

• 新建一個Sphere和一個材質，然后先把8bit的圖貼在球上，觀察球的顏色，再把引擎的顏色空間切換成Gamma空間，你會得到如下圖所示的結果：
  

很神奇，對不對，Linear空間下的顏色表現竟然是錯的！，反而gamma是對的，原因在與，這張圖默認進入引擎是被標記了sRGB采樣的，那么在線性空間下，就會發生這樣的計算(pow(0.5, 2.2) * 2, 1/2.2)最終顏色值結果只有0.68處理辦法就是去除sRGB采樣：

• 而對于32位編輯的紋理，不管是linear還是gamma空間，不管是否勾選srgb采樣都能獲得最正確的結果。
  

• Linear 和 Gamma 的區別、
  

當使用線性呈現時，光照方程的輸入值與伽馬空間中的值不同。這意味著不同的結果取決于顏色空間。例如，光線突出的表面有不同的響應曲線，而圖像效果的表現則不同。

• 光的衰減度
  

距離和普通光照的衰減有兩種不同的地方：

• 
  
  
  • 當在線性模式下渲染時，額外的伽馬矯正使得光的半徑顯得更大。
  • 燈光的邊緣也顯得更加清晰。這更正確地表現了在表面上光照的衰減。
    

• 光強度的響應
  

當你使用伽瑪渲染時，提供給一個著色器的顏色和紋理已經有了伽馬校正。當它們被用在一個著色器上時，高亮度的顏色實際上比線性照明的亮度要高。這意味著當光強度增加時，表面會以非線性的方式變得更亮。這就導致了很多地方的照明過于明亮。整個場景的表現就會變得非常糟糕。當你使用線性渲染時，當光強度增加時，表面的響應仍然是線性的。這就產生了更現實的表面陰影和更漂亮的表面效果。具體可以看上面的圖。

• Linear 和 Gamma 混合
  

當混合到幀緩沖器中時，混合發生在幀緩沖區的顏色空間中。 當你使用伽瑪空間渲染時，非線性的顏色會混合在一起使用。這在數學計算上不是一種正確的混合顏色的方法，甚至有可能得到意想不到的結果，但是這是在一些圖形硬件上混合的唯一方法。 當你使用線性空間渲染時，混合會出現在線性色彩空間中，這在數學計算上是正確的并且能得到比較精確的結果。

• 內置轉換代碼
  

四、參考資料 https:// unity3d.com/cn/learn/tutorials/topics/graphics/choosing-color-space
https://www.zhihu.com/question/43574033?sort=created
http://blog.csdn.net/zhaoguanghui2012/article/details/54016868
https://blogs.unity3d.com/cn/2016/12/07/linear-rendering-support-on- android-and-ios
https://docs.unity3d.com/Manual/LinearLighting.html?_ga=2.149938495.806633104.1499837304-570944340.1493705545
http://blog.csdn.net/candycat1992/article/details/46228771
http://blog.csdn.net/golden_shadow/article/details/40183561
https://docs.unity3d.com/Manual/LinearRendering-LinearOrGammaWorkflow.html
https://docs.unity3d.com/Manual/LinearLighting.html
https://docs.unity3d.com/Manual/LinearRendering-GammaTextures.html
https://docs.unity3d.com/Manual/LinearRendering-LinearTextures.html
https://en.wikipedia.org/wiki/SRGB
https://www.w3.org/Graphics/Color/sRGB.html
http://www.klayge.org/2011/02/26/gamma%E7%9A%84%E4%BC%A0%E8%AF%B4/
https://forum.unity3d.com/threads/bug-with-bypass-srgb-sampling.282469/
http://qiankanglai.me/2014/12/24/gamma-correction/
https://www.zhihu.com/question/27467127
https://zhuanlan.zhihu.com/p/26644788
https://www.slideshare.net/ozlael/hable-john-uncharted2-hdr-lighting?from_action=save
http://www.poynton.com/notes/colour_and_gamma/GammaFAQ.html By,Alpha 2017-07-21
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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Unity Gamma Linear Color Space的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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