Unity - 杂 - 使用Linear还是Gamma

概述

线性渲染就是渲染场景所有输入都是线性的。一般来说存在的纹理都是经过Gamma矫正了的，也就是说当纹理被采样到一个材质上时，颜色值已经不是线性的了。如果这些纹理用通常的计算方式去计算光照和图片效果，在非线性空间计算，这将导致轻微的偏差。（而这种偏差就是需要Gamma矫正的原因）

线性渲染保证了在shader中输入与输出都是在正确的颜色空间得出更正确的结果。

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）。

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。

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。