線性渲染（Linear Rendering）和Gamma Correction

概述
線性渲染就是渲染場景所有輸入都是線性的。一般來說存在的紋理都是經過Gamma矯正了的，也就是說當紋理被采樣到一個材質上時，顏色值已經不是線性的了。如果這些紋理用通常的計算方式去計算光照和圖片效果，在非線性空間計算，這將導致輕微的偏差。（而這種偏差就是需要Gamma矯正的原因）

線性渲染保證了在shader中輸入與輸出都是在正確的顏色空間得出更正確的結果。

Gamma矯正
所謂伽瑪校正就是對圖像的伽瑪曲線進行編輯，以對圖像進行非線性色調編輯的方法，檢出圖像信號中的深色部分和淺色部分，并使兩者比例增大，從而提高圖像對比度效果。計算機繪圖領域慣以此屏幕輸出電壓與對應亮度的轉換關系曲線，稱為伽瑪曲線（Gamma Curve）。以傳統(tǒng)CRT（Cathode Ray Tube）屏幕的特性而言，它的輸入電壓和顯示出來的亮度關系不是線性的，而是一個類似冪律（pow-law）曲線的關系，而這個關系又恰好跟人眼對光的敏感度是相反的。這個巧合意味著，雖然CRT顯示關系是非線性的，但對人類來說感知上很可能是一致的。

Gamma 校正補償了不同輸出設備存在的顏色顯示差異，從而使圖像在不同的監(jiān)視器上呈現(xiàn)出相同的效果。

保存顏色信息本身矯正稱為encoding gamma，顯示器對顏色的矯正稱為display gamma，所以一個完整的圖形系統(tǒng)中需要兩個Gamma值，兩次矯正剛好在一定程度上抵消（但一般不是完全抵消）。

下圖展示了Gamma矯正對顏色值的影響。



sRGB
個人電腦使用的一個標準叫sRGB，它使用的encoding gamma大約是0.45（1/2.2），這個值為了配合display gamma為2.5的設備工作的，這樣兩次gamma矯正后產生偏差為0.45 * 2.5 = 1.125，從而在視覺上進行了補償。

非線性輸入
大部分圖像文件都進行了提前矯正，就是保存文件時已經使用了encoding gamma對像素值編碼，這意味著它是非線性的，如果在shader中直接使用就是在非線性空間計算，使得結果和真實世界結果不一致。

Gamma管線（Gamma Pipeline）
在Gamma渲染管線中，所有顏色和紋理在Gamma空間被采樣，在shader應用了之后前，不會對shader輸入做任何處理。即使這些值是在Gamma空間中的，所有shader計算對待他們輸入都當做在線性空間，此外，當把shader輸出寫到內存中時，沒有對最終像素應用Gamma矯正。很多時候是可以接受兩次偏差一定程度上相互抵消。但是這是不正確的。

兩種情況：

線性輸入 輸入顏色值在線性空間下，而在shader中按照線性空間下的計算，這些都是正確的，但最終輸出的時候也沒有做任何處理（主要Gamma矯正），所以在屏幕顯示時，屏幕進行了一次display gamma，這樣的轉換后得到非預期的亮度，通常表現(xiàn)為整個場景比較昏暗。

非線性輸入 輸入顏色值在非線性空間下（通常表現(xiàn)為紋理），而在shader中把該值當成是線性空間下計算的（產生了偏差），這是不正確的，在最終輸出的時候也沒有做任何處理，但在屏幕顯示時，進行了display gamma，雖然這樣產生兩次偏差會在一定程度上進行抵消，但這樣的抵消是不正確的。

為了直接顯示時可以正確顯示，大多數(shù)圖像文件都進行了提前的校正，即已經使用了一個encoding gamma對像素值編碼。

Gamma是非線性的，Gamma空間就是所謂的非線性空間。

線性管線（Linear Pipeline）
如果開啟了線性渲染（Linear Rendering），Unity會背地里把輸入紋理設置為sRGB模式，這種模式下硬件在對紋理進行采樣時會自動將其轉換到線性空間中；并且，也會設置一個sRGB格式的buffer，此時GPU會在shader寫入color buffer前自動進行伽馬校正。如果此時開啟了混合（像我們之前的那樣），在每次混合是，之前buffer中存儲的顏色值會先重新轉換回線性空間中，然后再進行混合，完成后再進行伽馬校正，最后把校正后的混合結果寫入color buffer中。這里需要注意，Alpha通道是不會參與伽馬校正的。

sRGB模式是在近代的GPU上才有的東西。如果不支持sRGB，我們就需要自己在shader中進行伽馬校正。
對非線性輸入紋理的校正通常代碼如下：

float3 diffuseCol = pow(tex2D( diffTex, texCoord ), 2.2 );
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在最后輸出前，對輸出像素值的校正代碼通常長下面這樣：

fragColor.rgb = pow(fragColor.rgb, 1.0/2.2);
return fragColor;
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但是，手工對輸出像素進行伽馬校正在使用混合的時候會出現(xiàn)問題。這是因為，校正后導致寫入color buffer的顏色是非線性的，這樣混合就發(fā)生在非線性空間中。一種解決方法時，在中間計算時不要對輸出進行伽馬校正，在最后進行一個屏幕后處理操作對最后的輸出進行伽馬校正，但很顯然這會造成性能問題。 還有一些細節(jié)問題，例如在進行屏幕后處理的時候，要小心我們目前正在處理的圖像到底是不是已經伽馬校正后的。

總之，一切工作都是為了“保證所有的輸入都轉換到線性空間，并在線性空間下做各種光照計算，最后的輸出（最最最最后的輸出）進行伽馬校正后再顯示”。

Linear Rendering 和 Gamma Rendering的區(qū)別
Linear Rendering就是在shader中所有計算會在線性空間下進行，Gamma Rendering就是在shader中不進行轉換到線性空間下，直接計算。然就是計算方程式不同，也就意味例如光照表面會有不同的響應曲線和圖片效果，表現(xiàn)不相同。

Light Falloff
光照表現(xiàn)一般受光源的距離和法線兩個因素影響（在同等光強下）。首先當我們用Linear Rendering時，執(zhí)行Gamma矯正將會使光照范圍變大。第二種會使邊緣模糊，分不清界限。這更準確的表現(xiàn)了表面光照強度下降。



表面響應強度

隨著光強的增加，非線性方式計算的表面會更亮一些。這導致了光照在表面很多地方曝光過度，而且給場景模型一個褪色（變白色了）的感覺。當你用線性渲染時，表面顏色仍然隨著光照強度線性增加的，這樣就使表面材質和顏色更接近現(xiàn)實



混合

混合是在幀緩沖區(qū)發(fā)生的，當使用Gamma Rendering，這表示顏色之間混合是在非線性空間下計算的。然而這是不正確的。



上圖是在Linear Space中混合結果，顏色之間過度不是很明顯。



上圖是Gamma Space中混合結果，顏色交界處出現(xiàn)了明顯的其它顏色，顏色更亮，出現(xiàn)褪色的現(xiàn)象。

Mipmaps

計算紋理Mipmap是種線性計算，需要對某個方形區(qū)域內像素取平均值，如果紋理存儲在非線性空間，那么計算時也是在非線性空間里計算，這樣就會得到錯誤的結果。正確的做法是先轉換到線性空間在計算mipmap。

Lightmapping

切換linear 和gamma方式，需要重新烘焙相關的Lightmapping。

寫在最后
總結了最近學習的gamma correction，圍繞unity中l(wèi)inear和gamma討論，參考了大神們寫的文章，加上自己學習的理解，就當做自己的學習筆記，可能有些地方翻譯或理解不夠準確，希望能和大家交流討論。