Unity Gamma校正转为线性空间

Unity Gamma校正转为线性空间

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相信大部分了解图形学的人,都听说过Gamma校正或者Gamma空间,线性空间这些词。这里不对Gamma Space形成的历史原因做过多描述。Gamma和Linear空间的一些原理,文章也很多,包括Unity官网的描述,都可以看看。

显示器显示的Gamma空间的颜色变化规律,对应了下图中的黄色曲线。当美术在Gamma空间中,RGB(255,255,255)的颜色单位上,增加了1的颜色亮度,最后输出显示的亮度,其实是低于1的。这个差距,在特别暗的地方更加明显,也就容易让场景因为太暗,而看不清细节。我们公司的美术也表示,线性空间的效果其实更加直观,而Gamma空间的颜色有可能会越叠越深。所以为了更好的美术效果,尤其是让贴图的阴暗处有更多的细节,将Gamma Space转换为Linear Space还是相当有必要的。

基本思路,一般来说就是通过pow(1/Gamma)将颜色强度提高。下图中的蓝色曲线是pow(1/2.2)的近似数,pow(0.45),这样就可以抵消掉黄色曲线的变化,使颜色变化可以趋于线性。


三种函数的曲线

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Infinite 3D Head Scan by Lee Perry-Smith, licensed under a Creative Commons Attribution 3.0 Unported License (available from www.ir-ltd.net)

虽然Unity 5.5开始,已经提供转换工程为线性空间的功能,但是仅对OpenGLES 3.0及以上的设备进行支持。详细数据可以参考这篇Unity的Blog,可以看到,还有两成左右的设备是不具备这个条件的。所以如果项目组需要考虑低端机,尤其是考虑海外发行的话,就不能直接改变整个渲染空间。

因此替代的方法,是手动在Shader中,修改Colour Space。转换空间用到的相关函数,Unity其实已经在Unity CG.cgnic中提供了,可以直接使用。

函数如下:

inline float GammaToLinearSpaceExact (float value)
{
        if (value <= 0.04045F)
            return value / 12.92F;
        else if (value < 1.0F)
            return pow((value + 0.055F)/1.055F, 2.4F);
        else
            return pow(value, 2.2F);
}
inline half3 GammaToLinearSpace (half3 sRGB)
{
        // Approximate version from http://chilliant.blogspot.com.au/2012/08/srgb-approximations-for-hlsl.html?m=1
        return sRGB * (sRGB * (sRGB * 0.305306011h + 0.682171111h) + 0.012522878h);

        // Precise version, useful for debugging.
        //return half3(GammaToLinearSpaceExact(sRGB.r), GammaToLinearSpaceExact(sRGB.g), GammaToLinearSpaceExact(sRGB.b));
}
 inline float LinearToGammaSpaceExact (float value)
 {
        if (value <= 0.0F)
             return 0.0F;
        else if (value <= 0.0031308F)
            return 12.92F * value;
        else if (value < 1.0F)
            return 1.055F * pow(value, 0.4166667F) - 0.055F;
        else
           return pow(value, 0.45454545F);
}
inline half3 LinearToGammaSpace (half3 linRGB)
{
        linRGB = max(linRGB, half3(0.h, 0.h, 0.h));
        // An almost-perfect approximation from http://chilliant.blogspot.com.au/2012/08/srgb-approximations-for-hlsl.html?m=1
        return max(1.055h * pow(linRGB, 0.416666667h) - 0.055h, 0.h);

        // Exact version, useful for debugging.
        //return half3(LinearToGammaSpaceExact(linRGB.r), LinearToGammaSpaceExact(linRGB.g), LinearToGammaSpaceExact(linRGB.b))
}

其中主要用到的是GammaToLinearSpace() 和LinearToGammaSpace() 。下面将说一下,到底怎么用这两个函数。

主要的思路是,把从贴图中读取进来的颜色,同时也是Gamma Space下的颜色,进行一次转换,转换到Linear Space。之后对这些颜色数据进行原本要进行的处理。处理结束后,在输出的时候,进行一次逆转换,将这些颜色数据,从Linear Space转换回Gamma Space。

以下是我实际使用的一段代码:

 half4 color = UNITY_SAMPLE_TEX2D(_MainTex, i.uv);
 color.rgb = GammaToLinearSpace(color.rgb); // 转换到Linear Space
 bakeGI += DecodeLightmap(UNITY_SAMPLE_TEX2D(unity_Lightmap, i.ambientOrLightmapUV.xy)).rgb; // 不要忽略预烘焙的Light Map
 
 // 中间省略一些计算过程
 
 colLit += color.rgb * bakeGI;
 color.rgb = colLit;
 
 color.rgb = LinearToGammaSpace(color.rgb * unity_ColorSpaceDouble); //转回Gamma Space
 return color;

补充一点,由于通道图,一般来说,其实已经是线性的了,所以是不需要参与到这个转换中的,直接用就好。但这段代码里特别注意的一点是,最后转换回Gamma Space的时候,我在Color上乘了一个Unity_ColorSpaceDouble。

最开始,我只进行了一个转换回Gamma Space的方法,然后发现,场景不仅没有变亮,反而变得更暗了。随后查阅到一篇文章提到了,需要在最后转回Gamma Space的时候,乘上一个值。

“与此相关的有,一个Unity提供的与色彩空间相关的值,Unity_ColorSpaceDouble。这个值在Gamma Color Space时为2,在Linear Color Space时为4.594(2的2.2次方)。对于这个值可以这样来理解。一般在Gamma Color Space中将两个Color值相乘后,为了避免颜色变得很暗,会在后面乘以2。”

也就是说,为了避免颜色变暗,应该扩大两倍,但同时因为是在线性空间下,所以这个2要变成Unity_ColorSpaceDouble。

最后来看一下效果吧~

上图为Gamma Space时的效果,下图为做完一系列变换后的结果。可以看到,整体颜色变亮,尤其是暗部的亮度和细节都有明显的提升。

可以看到特别暗的地方,在进行Gamma校正之后的变化也相对较大。所以这里也需要注意一点,如果是项目已经进行了一段时期之后,想要进行Gamma校正,一定要同时修改光照等一系列参数,以避免一些地方的光照效果过曝。

文末,再次感谢Luisa的分享,如果您有任何独到的见解或者发现也欢迎联系我们,一起探讨。
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