什么是伽馬顏色空間

通常物體呈現出來的顏色和我們用眼睛看到屏幕上的最終顏色是不一樣的。

下圖01中有三張圖片。左邊偏亮的才是真實的顏色。這里的真實顏色指的是物體的顏色波長是多長，在光譜中對應的信息是什么樣子的，眼睛對這個顏色的反饋是什么樣子的。實際上我們在屏幕上看到的都是右邊的顏色，顯示器在顯示的時候做了伽馬變換，我們把這個指數叫做伽馬。
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中間的圖，當伽馬值是1的時候，和原來的顏色是一樣的，伽馬從1到2.2的時候，這個顏色是逐漸加深的，但是純黑（0，0，0）和純白（1，1，1）是不會變的，只是讓中間顏色的亮度有變化。因為我們從來沒有見過真實的顏色是什么樣的，都是通過屏幕上看到的，所以我們理所應當地認為右邊是真實的顏色。

再看一個更形象的情況，圖02中有二張圖片。左邊是我們眼睛看到的或者是照相機看到的，右邊是我們實際在顯示器上看到它是什么樣子的。右邊的圖片其實是原始圖，左邊圖片經過了伽馬校正，我們在顯示器里看到的東西比它本身的亮度暗一點，顯示器內部有伽瑪變換。
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那么我們看現在這個圖變暗了，如果想讓它正常一點，為了解決這個問題，我們會怎么辦？我們可以反向做一個伽馬校正，把暗的部分校正到變亮的部分，它們的值是倒數的關系，完全相同的還原回這個亮度本身的值。

這時又出現了另一個問題。例如：當我們輸出到屏幕的時候已經變暗了，這時再做校正，是找不到任何一種方法能在這中間插一個步驟來校正它。我們最后想了一個辦法，如果在輸出的時候沒法把它校正，能不能把之前的顏色提前校正回來？
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如圖03所示，這是一個對比圖，首先它是完全沒有校正過的，最左側是它本身的顏色，中間這個是可以拿照相機或者拿攝像機，或者你自己眼睛看到真實的亮度，照相機把真實亮度存下來，不做任何的處理，這是中間圖的樣子，但是經過屏幕顯示的時候變暗了。
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我們應該怎么做才能讓它不變暗呢? 把最左邊原始的亮度存儲的時候，我們提前做一些反向的伽馬校正，把伽馬校正這個階段提前到圖片存儲的時候，這個時候顯示器又要讓這個畫面變暗，一亮一暗抵消了之后就是原來的亮度了，看到所有的圖片也就正常了，不會普遍的偏暗，我們看著比較舒服的樣子。
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這樣就解決了伽瑪變換產生的問題。示例中伽馬值是2.2，每個顯示器的伽馬值都是可能不一樣的，圖片到底應該用哪個伽馬值做校正？數據預先校正完之后保存在圖片中了，無法對所有的顯示器分別做校正。所以人們發明了Color Profile，可以稱為顏色空間或者色彩空間。
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顏色空間的概念是很大的，在這里我們狹義地理解它為：它解釋了數值到波長的對應關系。當以RGB保存圖片的時候，圖06中的的顏色空間說明了RGB數值如何變換的顏色波長；反過來，顯示器也有Color Profile，它說明了一個特定波長的顏色要怎么樣用它屏幕的RGB亮度表現出來。當顯示一張圖片時，根據圖片的Color Profile把它的顏色變換到波長，顯示器顯示該波長時，也知道應該如何設置它的RGB亮度來表示這個波長的顏色，這樣一張圖片可以在不同的顯示器上看起來都相同。

Color Profile一般也會定義伽馬值，來定義一個伽馬變換，這個伽馬值是多少，也是包含在這個Color Profile里邊的，通過伽馬值就知道它的變換曲線是什么樣子的。這是從顯示器那一端可以拿到當前的Color Profile，甚至可以指定用哪一種Color Profile，你可以看到選不同配置的時候，桌面或者圖片顯示出來的顏色是不一樣的。

通過這種配置，圖片中的數據對應到顏色亮度的變換是可以不一樣的。系統設置里一般會把伽馬值翻譯成響應曲線，你可以看到RGB分別有響應曲線，下面是對應的曲線，這個值不同的時候，這個曲線有變化，和剛才看到的現象是一樣的。
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sRGB是一種最常用的Color Profile，是由微軟和惠普聯合制定的一個規范，它的使用如此廣泛以至于我們經常把sRGB等同于了伽馬顏色空間。如果顯示一個顏色，所有的顯示設備都用了sRGB的顏色空間，存儲一個圖片或者保存一個視頻也好或者其它圖片工具也使用sRGB的編碼，因為都在一個顏色空間下，所以輸入和顯示是可以免去轉換的。

在不同設備上顯示顏色要把圖片顏色轉成波長，再把波長放在顯示器上，根據顯示器的Color Profile可以得出顯示器應該怎么顯示這個值，才能體現出它的原本顏色，這中間有一個計算過程，如果我們都使用同一種Colo Profile，例如：sRGB，就沒有這個過程了，圖片存的時候就是sRGB的顏色空間，顯示器接收的時候已經是同樣的顏色空間了，RGB數值可以直接輸出，省略了轉換的過程。

sRGB也有伽瑪變換，它的伽馬值近似等于2.02。圖07中右邊圖顏色部分解釋了它的伽馬值，伽馬值其實不是一個固定值，而是一條曲線。

下面我們看一下Unity里邊用伽馬顏色空間時到底做什么？如果不做任何的伽馬校正，一般的流程是什么樣子的？
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如圖08所示，最左邊是貼圖，大家看著可能覺得有點暗，這是正常的，因為顯示端做了伽瑪變換。這張圖在Unity里參與光照計算，計算結果保存到Frame Buffer，這也是正常的結果。但是顯示器輸出Frame Buffer的時候，結果看起來變暗了，我們看到后覺得這不是我們想要的結果。

如圖09所示，這就是我們提到的保存圖片時的伽瑪校正，可以看到，原始的這張圖經過伽馬校正提亮，傳到Unity里面做光照計算。通過Frame Buffer可以看到它的計算結果是特別亮的，經過顯示器的伽馬變換之后，這個亮度被壓了下來，你就會覺得這個效果是正常的。但是這個亮度是讓人覺得正常的，代表它的結果是正確的嗎？其實不是這樣的，后面我們再來詳談。
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什么是線性顏色空間

什么是線性顏色空間呢？這里要提到二個底層圖形API：sRGB Frame Buffer和sRGB Sampler。

我們拿剛才的渲染流程對比一下，上面分支的流程里輸出是偏暗的，正常的亮度被顯示器壓低了，我們沒有辦法在顯示器輸出前進行校正。但是sRGB Frame Buffer可以，如果使用sRGB Frame Buffer，它能夠在結果輸出到顯示器這個階段做sRGB伽瑪校正，如圖10所示，最后的顯示是正常的。
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sRGB Frame Buffer是由硬件支持的，就像剛才所做的變換用Shader也可以實現，sRGB Frame Buffer的轉換速度要比它快。安卓手機只有OpenGL ES3.0才可以支持它，所以你會看到開啟線性空間必須指定Graphics API為OpenGL ES3.0。需要要注意的是Alpha值不做任何變換的，它只支持每通道8位的格式。為什么只支持8位格式？我們后面會說到。
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你目前能用到的大部分作圖軟件都是在sRGB的空間下制作的，軟件內的預覽和圖片的保存都經過了伽瑪校正。這個在伽瑪顏色空間下沒問題，但是在線性顏色空間里，貼圖的顏色應該是線性的。所以當使用線性空間時，經過sRGB校正的貼圖應該被還原。有二種方法，可以把圖退回給美術重做，或者你可以使用sRGB Sampler。
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sRGB Sampler也是硬件支持的一個特性，如果勾選sRGB選項，買二手手游賬號硬件會認為圖是sRGB編碼的，在采樣顏色的時候會先做一次sRGB反向轉換，再把結果返回，所以Shader讀到的顏色是校正之前的顏色。

如果貼圖是線性存儲的，則不需要勾選sRGB選項，采樣得到的顏色值就是直接從貼圖中取得。
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為什么要用伽馬顏色空間？

那么為什么我們之前要用伽馬顏色空間？

有一個歷史原因，以前的顯示器是模擬信號，電子打到顯示屏上，就能看到像素發光。它的電壓和亮度并不是線性的增長關系，而是近似于調伽馬曲線，所以以前的顯示器自帶伽馬變換的。

另一個重要的原因和精度有關，就像我們剛才說，RGB 8位的貼圖才有sRGB格式，sRGB格式的精度會更高。
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那么同樣是8位的表示方式，為什么精度會有區別呢？這和人眼有關系，并不是說絕對精度會變高，而是說人眼對不同亮度的區域的反應是不一樣的。

例如：圖15中的漸變圖是經過伽馬變換的，下邊那一個是沒有經過任何校正的，也就是說下面這個圖從左到右亮度是均勻變化的。你會發現下面這張圖右邊基本上是純白，但是它其實是有均勻變化的，這說明我們人眼對亮部的識別特別差，對暗部的識別高一些。

假如說對右邊這部分區域也用8位做編碼的話，亮度值的漸變對人眼來說是看不到任何變化的，人眼識別不了那么清晰的漸變過程，位數少一些沒有關系。對暗度反而有比較高的敏感度，需要更多的位數。這就是為什么說sRGB精度高，是因為我們可以從圖像中看到更多信息。

精度如何變高的呢？如圖16所示，這是經過伽馬校正以后的曲線，縱軸是sRGB格式的數據，橫軸是原始數據。原始值和編碼后的值基本是一樣的，原始數據較小的區間，編碼后的閾值變得比較大。
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這是我們期望的，同樣跨度的編碼值可以表示更細微的過渡。這就是為什么要用伽馬顏色空間非常重要的原因，我們制作貼圖時對精度就是有要求的。

那么線性空間的好處在哪里？是因為光照計算會出錯，在伽馬顏色空間下做光照計算分兩步。舉個簡單乘法的例子，第一步：Shader計算結果，計算方式為貼圖顏色×光照系數，貼圖顏色是經過伽瑪校正的，所以它要帶著冪運算。第二步：輸出計算結果到屏幕，屏幕顏色等于是輸出的顏色。
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我們想要的正確的結果是什么樣子？我們并不是要在貼圖顏色上做校正，貼圖顏色就是直接乘以光照系數得到輸出的顏色，只有在輸出到屏幕的時候，把輸出顏色做伽馬校正。
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這二種方式比較相似，做一個對比，你就能看到，左邊是做貼圖上的伽馬校正，并且在伽馬顏色空間下的計算結果，右邊是正確的計算結果，二者是不一樣的。線性顏色空間的計算是和正確的計算方法一致的。
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圖20中的這幾張圖片更能說出問題。貼圖一般都不是灰度圖，RGB通道間的差異是不一樣的，比如任的皮膚貼圖，紅通道的值會高于其它二個通道。經過伽馬校正之后，紅通道和其他通道的差異就會被放大，用它做光照計算，會發現紅通道會提升得異常的高。
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二張圖中左邊是線性正確值，右邊的曝光結果不對，因為這種色溫比較溫和的顏色，會迅速的曝光，存的這個值在經過sRGB變換了之后已經比原來的值大了。注意右邊上眼皮輪廓應用的地方，你會發現有一些黑、有一些藍色，也是一樣的問題，當你做光照計算的時候，冷色調和暖色調的差別已經拉開了，把光照系數加上去，差異變得更大，這就是你發現結果不對的原因。

選擇顏色空間

你剛才看到只有在光照計算的時候，伽馬空間的弊端會暴露的特別明顯，什么時候分別采用合適的顏色空間呢？

在光照效果來說，只有要求真實光照的話，才要考慮線性空間，真實光照并不是說看起來好，而是說數值上就是正確的。要求數值正確是指要求在不同的光照環境下光照結果都正常。
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如果要求的是物理寫實的效果，才只能考慮使用線性空間。其實在其他的情況下，二種方式都是可以的，用伽馬空間也是可以的。
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2D游戲推薦使用伽馬空間，這不是Unity的考慮，而是美術工作流的考慮，需要花很長時間培訓美術，轉到線性空間做圖方式做圖，這是成本比較高的，所以推薦伽馬空間。3D游戲推薦使用線性空間，尤其使用PBR時線性空間是前提，伽馬空間是做不了的。
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常見問題

下面是我們收集反饋整理的一些常見問題。

Substance Painter的效果和Unity中不一樣

首先這是肯定的，Substance Painter中的光源信息是從環境貼圖中得到的，Unity沒辦法這么做，因為環境貼圖中的光源在Unity中不夠強。一些精度的處理SP也做得更好，因為它對性能的要求不苛刻。我們只能做到盡量讓二者效果接近，而且現在的效果也確實很接近了。

在Unity中一定要用線性空間，Substance Painter中導出的貼圖都是經過sRGB編碼的，所以每張圖都要勾選sRGB選項。Unity中的環境貼圖也非常重要，可以把SP的環境貼圖導入到Unity中使用，Substance從環境貼圖里面拿到的主光源是特別強的，在Unity里面沒有那么多，所以Unity中的主光源是用來模擬環境貼圖上面的那個光源方向，你需要調整到光源方向一致。然后調整環境光的強度到合適的值。
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圖25是Substance Painter和Unity中制作流程的說明，我們可以看一下，當你在Substance設置一個顏色，比如說(0.5、0.5、0.5)，如果仔細觀察調色板，我們會發現它并不在調色板正中間，而是偏上的位置，是因為你看到這個預覽顏色的時候，它已經經過sRGB編碼了。當Substance的貼圖導出時，線性的顏色值經過伽馬變換，顏色被提亮了，所以你需要在Unity中勾選sRGB選項，讓它在采樣時能還原回線性值。
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PhotoShop中導出的圖片應該如何設置

PhotoShop導出的圖片應該怎么設置？PhotoShop對顏色管理特別精確。在Photoshop看到的顏色，比Unity里面看到的顏色更亮，因為Unity里看到的顏色要經過顯示器的伽瑪變換，而PhotoShop不會。PhotoShop會讀取顯示器的Color Profile，反向補償回去，也就是說，在Photoshop里邊如果輸到128，看到的就是128。

然而實際上經常不是這樣的，因為PhotoShop有第二個Color Profile，叫做Document Color Profile。通常它的默認值就是sRGB Color Profile，和顯示器的Coor Profile一致，顏色是被這個Color Profile壓暗了，所以PhotoShop中看到的結果才和Unity中一樣。
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如果使用線性空間，一般來說Photoshop可以什么都不改，導出的貼圖只要勾上sRGB就可以了。你也可以調整PhotoShop的伽瑪值為1，導出的貼圖在Unity中也不需要勾選sRGB了。二種流程都可以，因為我們要求它的預覽效果和實際效果是一樣的，所以只要保證Photoshop Unity兩邊的變換結果是一致的就可以。
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線性空間中的半透明圖片怎么制作

線性空間中的半透明圖片應該制作呢？我們需要知道Photoshop的圖層和圖層之間做混合的時候，每個上層圖層都經過了伽馬變換，然后才做了混合，這個方式是設置中的默認值。
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你需要在設置中更改它，選擇“用灰度系數混合RGB顏色”，參數設置為1，這樣圖層直接就是直接混合的結果。但是如果你修改了這個選項，你可能只有選擇上面的Linear流程制作貼圖了。
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記得我們之前提到的，sRGB編碼是為了增加8位顏色的精度，如果你是用了32位浮點數的貼圖格式，PhotoShop自動使用的是線性空間，沒有做任何伽瑪變換的。
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伽瑪空間下Lightmap和實時光照效果不一樣

這個是一個已知問題，暫時還沒有明確的修復時間，對于這個問題可能大家只能不斷地烘焙然后調整結果了。

線性空間下截圖和游戲畫面有差異

這是因為ReadPixels()這樣的函數是通過CPU端讀取Frame Buffer的，這種方式返回的顏色是經過sRGB編碼的數據被直接返回，而沒有還原到線性值。所以這一點要注意，當你得到返回顏色之后，保存貼圖要以線性方式保存，但是目前默認的保存方式是又經過一次伽瑪校正的。
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HDR和線性空間同時開啟的結果

因為像我們之前提到的，32位浮點格式的Frame Buffer是沒有sRGB擴展的。這一點Unity已經為你做好了處理，浮點格式的Frame Buffer在輸出前會先繪制在8位的sRGB Frame Buffer上，然后輸出到屏幕，伽瑪校正在這個階段自動完成。
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小結

關于伽瑪和線性顏色空間就為大家介紹到這里，更多Unite Beijing 2018技術演講內容的分享盡在Unity官方中文技術論壇(UnityChina.cn) !

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Unite 2018 | 浅谈伽玛和线性颜色空间的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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