游戏开发中的坑之二色彩空间（大部分内容为转载）

在游戏引擎内制作美术的时候，特别是手游，往往会发现为什么跟原来的效果差距那么大啊，明明是一样的贴图，一样的模型，主要原因可能就出现在色彩空间上，贴图的压缩方式也会有一定影响。

以Unity为例，当设置为Android平台后，PlayerSettings要进行如下设置，可使模型贴图在灯光下颜色可以保持正确。

这里出现了个Color Space ，选项为Linear（线性）和Gamma（伽马）

接下来分析下线性和伽马的区别

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Gamma矫正

所谓伽玛校正就是对图像的伽玛曲线进行编辑，以对图像进行非线性色调编辑的方法，检出图像信号中的深色部分和浅色部分，并使两者比例增大，从而提高图像对比度效果。计算机绘图领域惯以此屏幕输出电压与对应亮度的转换关系曲线，称为伽玛曲线（Gamma Curve）。以传统CRT（Cathode Ray Tube）屏幕的特性而言，它的输入电压和显示出来的亮度关系不是线性的，而是一个类似幂律（pow-law）曲线的关系，而这个关系又恰好跟人眼对光的敏感度是相反的。这个巧合意味着，虽然CRT显示关系是非线性的，但对人类来说感知上很可能是一致的。

Gamma 校正补偿了不同输出设备存在的颜色显示差异，从而使图像在不同的监视器上呈现出相同的效果。

保存颜色信息本身矫正称为encoding gamma，显示器对颜色的矫正称为display gamma，所以一个完整的图形系统中需要两个Gamma值，两次矫正刚好在一定程度上抵消（但一般不是完全抵消）。

下图展示了Gamma矫正对颜色值的影响。

这里写图片描述

sRGB

个人电脑使用的一个标准叫sRGB，它使用的encoding gamma大约是0.45（1/2.2），这个值为了配合display gamma为2.5的设备工作的，这样两次gamma矫正后产生偏差为0.45 * 2.5 = 1.125，从而在视觉上进行了补偿。

非线性输入

大部分图像文件都进行了提前矫正，就是保存文件时已经使用了encoding gamma对像素值编码，这意味着它是非线性的，如果在shader中直接使用就是在非线性空间计算，使得结果和真实世界结果不一致。

Gamma管线（Gamma Pipeline）

在Gamma渲染管线中，所有颜色和纹理在Gamma空间被采样，在shader应用了之后前，不会对shader输入做任何处理。即使这些值是在Gamma空间中的，所有shader计算对待他们输入都当做在线性空间，此外，当把shader输出写到内存中时，没有对最终像素应用Gamma矫正。很多时候是可以接受两次偏差一定程度上相互抵消。但是这是不正确的。

两种情况：

线性输入输入颜色值在线性空间下，而在shader中按照线性空间下的计算，这些都是正确的，但最终输出的时候也没有做任何处理（主要Gamma矫正），所以在屏幕显示时，屏幕进行了一次display gamma，这样的转换后得到非预期的亮度，通常表现为整个场景比较昏暗。
非线性输入输入颜色值在非线性空间下（通常表现为纹理），而在shader中把该值当成是线性空间下计算的（产生了偏差），这是不正确的，在最终输出的时候也没有做任何处理，但在屏幕显示时，进行了display gamma，虽然这样产生两次偏差会在一定程度上进行抵消，但这样的抵消是不正确的。

为了直接显示时可以正确显示，大多数图像文件都进行了提前的校正，即已经使用了一个encoding gamma对像素值编码。

Gamma是非线性的，Gamma空间就是所谓的非线性空间。

线性管线（Linear Pipeline）

如果开启了线性渲染（Linear Rendering），Unity会背地里把输入纹理设置为sRGB模式，这种模式下硬件在对纹理进行采样时会自动将其转换到线性空间中；并且，也会设置一个sRGB格式的buffer，此时GPU会在shader写入color buffer前自动进行伽马校正。如果此时开启了混合（像我们之前的那样），在每次混合是，之前buffer中存储的颜色值会先重新转换回线性空间中，然后再进行混合，完成后再进行伽马校正，最后把校正后的混合结果写入color buffer中。这里需要注意，Alpha通道是不会参与伽马校正的。

sRGB模式是在近代的GPU上才有的东西。如果不支持sRGB，我们就需要自己在shader中进行伽马校正。
对非线性输入纹理的校正通常代码如下：

float3 diffuseCol = pow(tex2D( diffTex, texCoord ), 2.2 );

在最后输出前，对输出像素值的校正代码通常长下面这样：

fragColor.rgb = pow(fragColor.rgb, 1.0/2.2);
return fragColor;

但是，手工对输出像素进行伽马校正在使用混合的时候会出现问题。这是因为，校正后导致写入color buffer的颜色是非线性的，这样混合就发生在非线性空间中。一种解决方法时，在中间计算时不要对输出进行伽马校正，在最后进行一个屏幕后处理操作对最后的输出进行伽马校正，但很显然这会造成性能问题。还有一些细节问题，例如在进行屏幕后处理的时候，要小心我们目前正在处理的图像到底是不是已经伽马校正后的。

总之，一切工作都是为了“保证所有的输入都转换到线性空间，并在线性空间下做各种光照计算，最后的输出（最最最最后的输出）进行伽马校正后再显示”。

Linear Rendering 和 Gamma Rendering的区别

Linear Rendering就是在shader中所有计算会在线性空间下进行，Gamma Rendering就是在shader中不进行转换到线性空间下，直接计算。然就是计算方程式不同，也就意味例如光照表面会有不同的响应曲线和图片效果，表现不相同。

Light Falloff
光照表现一般受光源的距离和法线两个因素影响（在同等光强下）。首先当我们用Linear Rendering时，执行Gamma矫正将会使光照范围变大。第二种会使边缘模糊，分不清界限。这更准确的表现了表面光照强度下降。
表面响应强度

随着光强的增加，非线性方式计算的表面会更亮一些。这导致了光照在表面很多地方曝光过度，而且给场景模型一个褪色（变白色了）的感觉。当你用线性渲染时，表面颜色仍然随着光照强度线性增加的，这样就使表面材质和颜色更接近现实

å¾çæ¥æºunity doc

1.RGB是RED（红），Green（绿），Blue（蓝）这三种基色的首字母缩写。

2.“RGB色彩空间”是泛指在硬件和软件里用到的“所有颜色”

3.sRGB是RGB的一种特定类型。

4.sRGB很流行，但它的色域很有限。

5.Adobe RGB是包含sRGB与CMYK的色彩空间。

6.prophoto RGB是一种色彩更为广阔的色彩空间模式，一般用于色彩管理。

（一）渲染时使用的颜色空间

在下刚学Unity，所以只能拿Unity举例：
在Unity渲染中，存在两个颜色空间

Gamma（非线性）颜色空间
Linear（线性）颜色空间
现在再来看这两个颜色空间应该不陌生了吧，至少我们知道他们表达的是什么意思。
Gamma颜色空间里使用的是一个进过校正（阉割）过的颜色表。
Linear颜色空间里使用的是一个线性的完整的颜色表。

（二）渲染

渲染是一个很复杂的过程，涉及步骤有许多，不在此展开讨论。
但无论多复杂的过程，多复杂的灯光、材质等等乱七八糟的东西，它始终离不开图片，颜色。
图片是通过颜色空间中的颜色创作出来的，那它就一定存在着一个问题，是否经过Gamma校正。

Linear颜色空间

在Unity中，如果使用Linear颜色空间，除非对指定图片选择了ByPass sRGB(忽略sRGB,你理解为忽略Gamma校正)，否则所有的图片都会默认变成sRGB格式。
这样做的目的是把你在Gamma颜色空间里创作的图片里面的颜色给校正到正确的32位颜色，再参与GPU渲染计算。
ByPass sRGB的意思就是直接使用这个0.5，不用再校正了，除非你是在线性颜色空间里创作的图片，否则不建议这么干。
然后，GPU再把结果Gamma校正一次，0.2-0.5，这样做的目的是：显示器不管你到底干了什么，他老人家是一定要在最后Gamma校正一次的（0.5-0.2）。
显示器按照接受到的值进行Gamma校正（0.5校正到0.2）给你看。
在这个空间里进行渲染，因为使用的是线性的颜色空间，因此你会得到非常真实的表现效果。
但是，因为色彩丰富的同时，带来的各项成本，如硬件渲染能力的需求也会增加。

Gamma颜色空间

在这个颜色空间内渲染，GPU不会再Gamma校正，而是直接使用存储的值参与渲染计算，因为大家使用的都是阉割版的颜色嘛。
但是在这个空间里进行的渲染，因为使用的是阉割过的Gamma颜色空间，因此你会得到不符合真实表现的效果。
在最终输出到显示器的时候，仍然会经过Gamma校正，将渲染后的0.5，表现成0.2给你看。
因为使用了较少的颜色（相对于线性颜色空间），因此会得到比较好的渲染效率以及较低的渲染能力需求。但是图像会存在失真（偏暗，因为亮部细节表现不够）等一系列问题。