Gamma、Linear、sRGB 和Unity Color Space，你真懂了嗎？

“為什么我渲染出來的場景，總是感覺和真實世界不像呢？”

游戲從業者或多或少都聽過Linear、Gamma、sRGB和伽馬校正這些術語，互聯網上也有很多科普的資料，但是它們似乎又都沒有講很"清楚"。

游戲界（特別是中小團隊）很容易忽略這些概念造成的影響。長遠來看，作為游戲從業者的你應該理解這些術語的含義，理解它們的本質聯系，理解選擇Linear或Gamma 空間帶來的工作流變化。

本文將會簡單介紹Gamma、Linear、sRGB和伽馬校正的概念。接着通過實例解析統一到線性空間的步驟，最后介紹如何在Unity中實施相應的工作流。

什么是Linear、Gamma、sRGB和伽馬校正？

在物理世界中，如果光的強度增加一倍，那么亮度也會增加一倍，這是線性關系。

而歷史上最早的顯示器(陰極射線管)顯示圖像的時候，電壓增加一倍，亮度並不跟着增加一倍。即輸出亮度和電壓並不是成線性關系的，而是呈亮度增加量等於電壓增加量的2.2次冪的非線性關系：

2.2也叫做該顯示器的Gamma值，現代顯示器的Gamma值也都大約是2.2。

這種關系意味着當電壓線性變化時，相對於真實世界來說，亮度的變化在暗處變換較慢，暗占據的數據范圍更廣，顏色整體會偏暗。

如圖，直線代表物理世界的線性空間（Linear Space），下曲線是顯示器輸出的Gamma2.2空間（Gamma Space）。

橫坐標表示電壓，縱坐標表示亮度

好了，正常情況下，人眼看物理世界感知到了正常的亮度。而如果顯示器輸出一個顏色后再被你看到，即相當於走了一次Gamma2.2曲線的調整，這下子顏色就變暗了。如果我們在顯示器輸出之前，做一個操作把顯示器的Gamma2.2影響平衡掉，那就和人眼直接觀察物理世界一樣了！這個平衡的操作就叫做伽馬校正。

在數學上，伽馬校正是一個約0.45的冪運算（和上面的2.2次冪互為逆運算）：

左(Gamma0.45) 中(Gamma2.2) 右(線性物理空間)

經過0.45冪運算，再由顯示器經過2.2次冪輸出，最后的顏色就和實際物理空間的一致了。

 

最后，什么是sRGB呢？1996年，微軟和惠普一起開發了一種標准sRGB色彩空間。這種標准得到許多業界廠商的支持。sRGB對應的是Gamma0.45所在的空間。

為什么sRGB在Gamma0.45空間？

假設你用數碼相機拍一張照片，你看了看照相機屏幕上顯示的結果和物理世界是一樣的。可是照相機要怎么保存這張圖片，使得它在所有顯示器上都一樣呢？ 可別忘了所有顯示器都帶Gamma2.2。反推一下，那照片只能保存在Gamma0.45空間，經過顯示器的Gamma2.2調整后，才和你現在看到的一樣。換句話說，sRGB格式相當於對物理空間的顏色做了一次伽馬校正。

還有另外一種解釋，和人眼對暗的感知更加敏感的事實有關。

如圖，在真實世界中（下方），如果光的強度從0.0逐步增加到1.0，那么亮度應該是線性增加的。但是對於人眼來說（上方），感知到的亮度變化卻不是線性的，而是在暗的地方有更多的細節。換句話說，我們應該用更大的數據范圍來存暗色，用較小的數據范圍來存亮色。這就是sRGB格式做的，定義在Gamma0.45空間。而且還有一個好處就是，由於顯示器自帶Gamma2.2，所以我們不需要額外操作顯示器就能顯示回正確的顏色。

以上內容，看完后還是不懂也沒關系，在繼續之前你可以先死記住以下幾個知識點：

• 顯示器的輸出在Gamma2.2空間。
• 伽馬校正會將顏色轉換到Gamma0.45空間。
• 伽馬校正和顯示器輸出平衡之后，結果就是Gamma1.0的線性空間。
• sRGB對應Gamma0.45空間。

統一到線性空間

現在假設你對上文的概念有一定認識了，我們來講重點吧。

在Gamma 或 Linear空間的渲染結果是不同的，從表現上說，在Gamma Space中渲染會偏暗，在Linear Space中渲染會更接近物理世界，更真實：

左（Gamma Space），右（Linear Space）

為什么Linear Space更真實？

你可以這么想，物理世界中的顏色和光照規律都是在線性空間描述的對吧？（光強度增加了一倍，亮度也增加一倍）。 而計算機圖形學是物理世界視覺的數學模型，Shader中顏色插值、光照的計算自然也是在線性空間描述的。如果你用一個非線性空間的輸入，又在線性空間中計算，那結果就會有一點“不自然”。

換句話說，如果所有的輸入，計算，輸出，都能統一在線性空間中，那么結果是最真實的，玩家會說這個游戲畫質很強很真實。事實上因為計算這一步已經是在線性空間描述的了，所以只要保證輸入輸出是在線性空間就行了。

所以為什么你的游戲畫面不真實呢？因為你可能對此混亂了，你的輸入或輸出在Gamma Space，又沒搞清楚每個紋理應該在什么Space，甚至也不知道有沒用伽馬校正，渲染結果怎么會真實呢？

現在假設我們的目標是獲得最真實的渲染，因此需要統一渲染過程在線性空間，怎么做呢？

注：統一在Linear空間是最真實的，但不代表不統一就是錯的。一般來說，如果是畫質要求高的作品（如3A）等，那么都是統一的。沒這方面要求的則未必是統一的，還有一些項目追求非真實的渲染，它們也未必需要統一。

統一到線性空間的過程是看起來是這樣的，用圖中橙色的框表示（現在看不懂圖沒關系，跟着后面的步驟來一步步看）：

我們從橙色框的左上角出發。

第一步，輸入的紋理如果是sRGB（Gamma0.45），那我們要進行一個操作轉換到線性空間。這個操作叫做Remove Gamma Correction，在數學上是一個2.2的冪運算  。如果輸入不是sRGB，而是已經在線性空間的紋理了呢？那就可以跳過Remove Gamma Correction了。

注：美術輸出資源時都是在sRGB空間的，但Normal Map等其他電腦計算出來的紋理則一般在線性空間，即Linear Texture。詳見后文！

第二步，現在輸入已經在線性空間了，那么進行Shader中光照、插值等計算后就是比較真實的結果了（上文解釋了哦~），如果不對sRGB進行Remove Gamma Correction直接就進入Shader計算，那算出來的就會不自然，就像前面那兩張球的光照結果一樣。

第三步，Shader計算完成后，需要進行Gamma Correction，從線性空間變換到Gamma0.45空間，在數學上是一個約為0.45的冪運算  。如果不進行Gamma Correction輸出會怎么樣？那顯示器就會將顏色從線性空間轉換到Gamma2.2空間，接着再被你看到，結果會更暗。

第四步，經過了前面的Gamma Correction，顯示器輸出在了線性空間，這就和人眼看物理世界的過程是一樣的了！

 

我們再舉個例子，我們取sRGB紋理里面的一個像素，假設其值為0.73。那么在統一線性空間的過程中，它的值是怎么變化的？

第一步，0.73(上曲線) * [Remove Gamma Correction] = 0.5(直線)。（  ）

第二步，0.5(直線) * [Shader] = 0.5(直線)（假設我們的Shader啥也不干保持顏色不變）

第三步，0.5(直線) * [Gamma Correction] = 0.73(上曲線)。（  ）

第四步，0.73(上曲線) * [顯示器] = 0.5(直線)。（  ）

如果不進行Gamma Correction，就會變暗，因為第三步不存在了，第四步就會變成：

0.5(直線) * [顯示器] = 0.218(下曲線)。（  ）

再對照上面的圖琢磨琢磨？

Unity中的Color Space

我們回到Unity，在ProjectSetting中，你可以選擇Gamma 或 Linear作為Color Space：

這兩者有什么區別呢？

如果選擇了Gamma，那Unity不會對輸入和輸出做任何處理，換句話說，Remove Gamma Correction 、Gamma Correction都不會發生，除非你自己手動實現。

如果選了Linear，那么就是上文提到的統一線性空間的流程了。對於sRGB紋理，Unity在進行紋理采樣之前會自動進行Remove Gamma Correction，對於Linear紋理則沒有這一步。而在輸出前，Unity會自動進行Gamma Correction再讓顯示器輸出。

怎么告訴Unity紋理是sRGB還是Linear呢？對於特定用途的紋理，你可以直接設置他們所屬的類型：如Normal Map、Light Map等都是Linear，設置好類型Unity自己會處理他們。

還有一些紋理不是上面的任何類型，但又已經在線性空間了（比如說Mask紋理、噪聲圖），那你需要取消sRGB這個選項讓它跳過Remove Gamma Correction過程：

到底什么紋理應該是sRGB，什么是Linear？

關於這一點，我個人有一個理解：所有需要人眼參與被創作出來的紋理，都應是sRGB（如美術畫出來的圖）。所有通過計算機計算出來的紋理（如噪聲，Mask，LightMap）都應是Linear。

這很好解釋，人眼看東西才需要考慮顯示特性和校正的問題。而對計算機來說不需要，在計算機看來只是普通數據，自然直接選擇Linear是最好的。

 

除了紋理外，在Linear Space下，Shaderlab中的顏色輸入也會被認為是sRGB顏色，會自動進行Gamma Correction Removed。

有時候你可能需要想讓一個Float變量也進行Gamma Correction Removed，那么就需要在ShaderLab中使用[Gamma]前綴：

[Gamma]_Metallic("Metallic",Range(0,1))=0

如上面的代碼，來自官方的Standard Shader源代碼，其中的_Metallic這一項就帶了[Gamma]前綴，表示在Lienar Space下Unity要將其認為在sRGB空間，進行Gamma Correction Removed。

擴展：為什么官方源代碼中_Metallic項需要加[Gamma]？這和底層的光照計算中考慮能量守恆的部分有關，Metallic代表了物體的“金屬度”，如果值越大則反射(高光)越強，漫反射會越弱。在實際的計算中，這個強弱的計算和Color Space有關，所以需要加上[Gamma]項。

雖然Linear是最真實的，但是Gamma畢竟少了中間處理，渲染開銷會更低，效率會更高。上文也說過不真實不代表是錯的，畢竟圖形學第一定律：如果它看上去是對的，那么它就是對的。

注：在Android上，Linear只在OpenGL ES 3.0和Android 4.3以上支持，iOS則只有Metal才支持。

在早期移動端上不支持Linear Space流程，所以需要考慮更多。不過隨着現在手機游戲的發展，越來越多追求真實的項目出現，很多項目都選擇直接在Linear Space下工作。

一旦確定好Color Space，那么就需要渲染工程師、技術美術和美術商量和統一好工作流了。在中小團隊或項目中，這些概念很容易被忽略，導致工作流混亂，渲染效果不盡人意。現在你懂了嗎？