OpenGL（十八）Gamma校正色域与 HDR

通常来说，在不同设备上看到的颜色是不同的。其中最常提及的概念是高动态光照渲染（High-Dynamic Range，简称 HDR ）。它可以使图像在亮度的表现上更丰富。这篇文章讨论设备颜色和校正的相关概念。

眼前的黑不是黑

人眼对亮度的敏感程度不是线性的，因此我们我们更容易看到亮的区域。

上图中左侧是线性渐变的图，右侧是我们实际看到的。在显示器上，输入线性信号就会显示出右图的效果。为了解决这个问题，在显示时会加入一个颜色校正，来保证图片看起来正确，这就是 Gamma Correction，具体说来，这个算法是 pow(color, 1/2.2)。所有的图片和视频都被编码到伽马空间中。可以这样理解，你所看到的一切都不是真的。

伽马校正

通过pow(color, 1/2.2)这个Gamma-encode操作，可以使灰度部分得到更多的色值，得到一张比较“亮”的图片并存储起来。这张图片虽然暗部细节都保留下来了，但是不能直接看这张“亮”的图片，那只是一个中间产物而已。我们需要显示器做一个pow(color, 2.2)的Gamma-decode操作把它压暗。

从上图可以看出当gamma值为2.2时，曲线会上拱，输出值大于实际值，也就使得暗部获得更多的色彩。至于2.2是怎么来的，我只能说是经验数字，没什么科学依据。因此这个值也可以根据自己的实际体验进行调整，不过工业标准就是2.2哦。

虽然这个方案比较完美，但有了伽马校正之后，事情并没有变得简单。因为只有取到线性色值，光线计算才能在正确的线性空间(linear space)中进行，最终显示效果又需要应经过伽马校正。

sRGB

为了规范显示的颜色。微软联合HP、三菱、爱普生等厂商联合开发的sRGB(standard Red GreenBlue)通用色彩标准，绝大多数的数码图像采集设备厂商都已经全线支持sRGB标准，如：数码相机、数码摄像机、扫描仪、显示器等都能看到sRGB的选项。而且几乎所有的打印、投影等成像设备也都支持了sRGB标准。有了这套标准，从理论上保证了各种影音设备上经过校正的颜色显示效果相同。它的校正方式如下图所示：

其中蓝线为经过Gamma-encode的色值，红线为sRGB的值。

Unity中的Gamma

对于PC平台上的程序可以直接设置颜色空间

但移动平台并没有，所以意义并不大。而对于默认的Gamma模式，渲染时shader中读到的颜色和贴图已经应用了gamma-encode。所以它会比实际更亮一些。这也使得模型和场景有种褪色的感觉。对比图如下：

解决它的办法，是在shader中进行Gamma校正：

//input
float3 diffuseCol = pow(tex2D( diffTex, texCoord ), 2.2 );
//output
fragColor.rgb = pow(fragColor.rgb, 1.0/2.2);
return fragColor;

但这也不是万全之策。当混合时，需要用到framebuffer，这时取到的已经是encode的色值。那么两种颜色空间的值（线性和非线性），就会在一起混合。虽然这不是正确的做法，但也只能将就了。

另外也可以通过PostEffect来统一处理颜色校正。这能避免在每个shader中都加入Gamma校正。但其实它是在错误的计算结果上进行修正，并没从根本上还原色彩，而且还产生了性能消耗，因此效果也需要衡量。

由于手机硬件只支持Gamma格式的资源，所以需要使用Gamma工作流。在这种模式下，图和颜色都是Gamma-encode之后的，而引擎将其作为线性输入来处理。为了保证一个合理的输出结果，编辑器在输出结果时也不加Gamma-encode。（错上加错，能是对？我也是醉了，可能是因为图形学第一定律吧）

另一方面，在Unity中还可以直接使用Linear space图元，只要勾选Texture面板中的Bypass sRGB Sample即可。

这样设置后，在线性模式中可以防止其被重复解码。在Gamma模式中，没找到相关记载，我觉得要不就在输出时会对其进行一次encode，要不压根就没什么用。

对于LightMap都是在线性空间下计算，以Gamma color存储的，可以不用担心移动端上色值的问题，记得选中TextureType为Lightmap即可。

最后你要是问Android、IOS支持不支持线性空间？官方表示：

On Android, linear rendering requires at least OpenGL ES 3.0 graphics API and Android 4.3.
On iOS, linear rendering requires the Metal graphics API.

所以基本GG。而且Android机器屏幕也不全是sRGB的，比如华为Mate9就是NTSC。而且有些是1600w色，有些是1670w色，有些厂商偷偷摸摸在后面改个颜色偏向。我觉得只能通过动态调整PostEffect中的Gamma来达到相同的显示效果。

你说的白是什么白

归根到底，出现伽马校正的原因是存储颜色时灰阶色值不够，24位色图片每个通道只有2^8个色阶，总共只能显示2^24种颜色。如果能很精细的映射灰度，就不需要伽马校正。拿白色来说，如果必须用8位色值，白色只能保存为(255,255,255)。但如果用16位浮点数，白色就可以保存为（255.0,255.0,255.0)。这时就可以精确的映射灰度。另一方面，由于有了足够的色值，也可以表现出更亮的白色，具体说就是允许rgb中的值超过1，这就是高动态光照渲染。

HDR

这项技术的核心就在于使用了float16存储颜色数据。在OpenGL中使用

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, dataType, width, height, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_SHORT, NULL);

即可增加图片的存储精度。

它的优点在于：

强光部分颜色不会损失
bloom和glow效果支持更好
Reduction of banding in low frequency lighting areas

劣势在于：

浮点数渲染会更慢，并且需要更多显存。
不支持硬件抗锯齿。
不是所有硬件都支持。

Unity中的配置

通过在Camera上勾选可以开启：

总结

总的说来，如果感觉褪色严重，就需要进行Gamma校正。在制作流程中，如果希望规避，就改对应的shader，在这个过程中注意性能消耗与视觉效果的性价比。如果性能允许，就打开HDR。如果要使用bloom或glow，也要打开哦，反正都要费性能了，就不差这点显存啦。

参考文献：

https://docs.unity3d.com/Manual/LinearLighting.html
https://docs.unity3d.com/Manual/HDR.html
https://www.zhihu.com/question/27467127/answer/111973548
https://www.zhihu.com/question/20602284
http://blog.csdn.net/candycat1992/article/details/46228771