什么是伽馬顏色空間

通常物體呈現(xiàn)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(shù)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?shù)卣J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(jīng)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(nèi)部有伽瑪變換。
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那么我們看現(xiàn)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(shù)的關系，完全相同的還原回這個亮度本身的值。

這時又出現(xiàn)了另一個問題。例如：當我們輸出到屏幕的時候已經(jīng)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(cè)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(jīng)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(chǎn)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(shù)據(jù)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(fā)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(shù)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(shù)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(xiàn)出來。當顯示一張圖片時，根據(jù)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(shù)據(jù)對應到顏色亮度的變換是可以不一樣的。系統(tǒng)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(xiàn)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(lián)合制定的一個規(guī)范，它的使用如此廣泛以至于我們經(jīng)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(zhuǎn)換的。

在不同設備上顯示顏色要把圖片顏色轉(zhuǎn)成波長，再把波長放在顯示器上，根據(jù)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(xiàn)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(jīng)是同樣的顏色空間了，RGB數(shù)值可以直接輸出，省略了轉(zhuǎn)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(jié)果保存到Frame Buffer，這也是正常的結(jié)果。但是顯示器輸出Frame Buffer的時候，結(jié)果看起來變暗了，我們看到后覺得這不是我們想要的結(jié)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(jīng)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(jié)果是特別亮的，經(jīng)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(jié)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(jié)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(xiàn)，sRGB Frame Buffer的轉(zhuǎn)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(nèi)的預覽和圖片的保存都經(jīng)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(jīng)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(zhuǎn)換，再把結(jié)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(fā)光。它的電壓和亮度并不是線性的增長關系，而是近似于調(diào)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(qū)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(qū)域的反應是不一樣的。

例如：圖15中的漸變圖是經(jīng)過伽馬變換的，下邊那一個是沒有經(jīng)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(fā)現(xiàn)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?nèi)搜蹖α敛康淖R別特別差，對暗部的識別高一些。

假如說對右邊這部分區(qū)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(shù)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(shù)。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(jīng)過伽馬校正以后的曲線，縱軸是sRGB格式的數(shù)據(jù)，橫軸是原始數(shù)據(jù)。原始值和編碼后的值基本是一樣的，原始數(shù)據(jù)較小的區(qū)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(jié)果，計算方式為貼圖顏色×光照系數(shù)，貼圖顏色是經(jīng)過伽瑪校正的，所以它要帶著冪運算。第二步：輸出計算結(jié)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(jié)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(shù)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(jié)果，右邊是正確的計算結(jié)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(jīng)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(fā)現(xiàn)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(jié)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(jīng)過sRGB變換了之后已經(jīng)比原來的值大了。注意右邊上眼皮輪廓應用的地方，你會發(fā)現(xiàn)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(diào)和暖色調(diào)的差別已經(jīng)拉開了，把光照系數(shù)加上去，差異變得更大，這就是你發(fā)現(xiàn)結(jié)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(shù)值上就是正確的。要求數(shù)值正確是指要求在不同的光照環(huán)境下光照結(jié)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(zhuǎn)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(huán)境貼圖中得到的，Unity沒辦法這么做，因為環(huán)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(xiàn)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(jīng)過sRGB編碼的，所以每張圖都要勾選sRGB選項。Unity中的環(huán)境貼圖也非常重要，可以把SP的環(huán)境貼圖導入到Unity中使用，Substance從環(huán)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(huán)境貼圖上面的那個光源方向，你需要調(diào)整到光源方向一致。然后調(diào)整環(huán)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(diào)色板，我們會發(fā)現(xiàn)它并不在調(diào)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(jīng)經(jīng)過sRGB編碼了。當Substance的貼圖導出時，線性的顏色值經(jīng)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(jīng)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?shù)?28，看到的就是128。

然而實際上經(jīng)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(jié)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(diào)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(jié)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(jīng)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(shù)混合RGB顏色”，參數(shù)設置為1，這樣圖層直接就是直接混合的結(jié)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(shù)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(diào)整結(jié)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(shù)是通過CPU端讀取Frame Buffer的，這種方式返回的顏色是經(jīng)過sRGB編碼的數(shù)據(jù)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(jīng)過一次伽瑪校正的。
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HDR和線性空間同時開啟的結(jié)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(jīng)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(jié)

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(nèi)容的分享盡在Unity官方中文技術論壇(UnityChina.cn) !

總結(jié)

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(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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