标签：校正 非线性 颜色 显示器 亮度 伽马 gamma

颜色空间

​ 在介绍伽马校正前，我们先了解了解必要的知识——颜色空间

​ 颜色空间有几种，分别是sRGB、CIE XYZ等，他们都有颜色匹配函数，但不同颜色空间表示的色域范围不同

CIE XYZ

​ CIE XYZ是人造的颜色空间，他并不是由实验得出的，用XYZ表示颜色，其中Y可以表示亮度

​ CIE XYZ的颜色匹配表达式如下：

​ 能不能将其可视化呢？也就是转化为一个2d图像。因为y表示亮度，所以把y固定为一个亮度，然后让XZ变化，结果如图所示

​ 上图中这块带颜色的就是色域，它有一个中心，中心是白色(最不纯的)，而边界时单色(最纯的)

sRGB

​ sRGB是一类应用非常广泛的标准系统，比如显示器，但sRGB的色域是有限的

​ 由于人眼对亮度的感知是非线性的，对较暗区域的变化更加敏感，基于这一特点，sRGB要求图像将更多地空间用于存储更多较暗的区域

显示器非线性的颜色空间

​ 在早期的CRT显示器，像素点得到的电压值和该值对应的光强并不是线性的;在如今的LCD显示器，为了保证兼容，在硬件上也都选择了和当年CRT一样的非线性特性。显示器的电压和亮度的关系曲线类似一个指数函数，这个指数称为gamma。如下图所示，一个典型的gamma值2.2，它表示像素点在50%的强度下发出的亮度不到100%强度的1/4

gamma校正

​ Gamma对于不同的显示设备，其具体的值不尽相同，通常在 [2.0,2.4]。根据这个非线性性质做校正的过程，称作gamma 校正。值得注意的是，在0和1处对应的值是不变的，我们需要校正的是(0,1)的值

​ 对于渲染而言，它所用的光照都是线性模型，因此这种情况下100%的亮度是50%的两倍，但这一切有个前提，那就是反射比与物体表面的反射特性是一个线性关系,也就是说，视点看到的光照强度，与保存在 Frame Buffer 里的值是成固定比例的

更多的，若拍摄是在Gamma颜色空间下进行，在线性空间下渲染，没有经过 Gamma 校正而直接输出，这时结果可能反而第一眼看起来像是对的，这是为什么呢？因为非线性的拍摄和非线性的显示，会在某种程度上相互抵消，但这也会存在许多瑕疵，如光照、blend、mipmaps，也就是说关乎颜色的计算都会出问题

不进行gamma校正会出现的问题

非线性输入纹理(Nonlinear Input Textures)

​ 大部分用户不会用到校准后的显示器，因此很多图片格式会自动进行一个预校正，如JPEG格式会将Gamma 值校正为 2.2 ，该值虽然并不精确匹配所有显示器，但能适配绝大部分显示器。这也说明，输入的纹理并不是线性的，因此这种进行了预校正的图片在渲染前，需要进行一下反 Gamma 校正

Mipmaps

​ 创建 Mipmap 的经典操作就是将原图缩小。假设在一张高分辨率的图上，有一条边(周围像素色值相差较大)上有 4 个相邻的像素，分别是2 个 1.0，2 个 0.0，在低分辨率的mipmap上，这四个像素会合为1个像素，按理说该像素应该为0.5，但若处在一个gamma值为2.0的非线性颜色空间中，该像素点的亮度只有最高亮度的25%，因此mipmaps的计算将会出错

光照

​ 如下图所示，假设我们使用Lambertian模型,假设光源的反射向量L和法线的夹角是60°，按理说反射光强度是原来的一半，但若处在一个gamma值为2.0的非线性颜色空间中,实际的反射光强度是原来的1/4

也许你会想，我不可以直接将亮度拉高吗？这是不行的，因为处于不同亮度范围需要被校正的值是不同的，明暗交界处会变得更锐利——从亮到暗的过渡会变得更快

校正方法

​ Gamma 校正是指在图片显示之前，应用一个与显示器颜色变换相反的变换到图片上.也就是说，对于一个像素，先将其色值转换为原来的 1/γ

​ 对于动画来说,常见的处理方法是程序使用一份颜色校准查找表（color-correction lookup tables），校准后可以让渲染操作使用线性数学正确显示渲染图像

​ 对于游戏来说，常见的处理方法是使用一个较为通用的 Gamma 值(2.2)，去匹配大多数普通的显示器

​ 现代的GPU都支持sRGB 贴图格式,这个格式的图片虽然像素经过了gamma校正，但文件里保存了校正的gamma值，作为贴图传给GPU时，GPU硬件会预先取出该gamma值，将贴图还原到线性空间后再传给shader，这被称为自动校准。而所有8-bit 格式的贴图都支持 sRGB，这些格式包括 RGB、RGBA、luminance、luminance alpha 、 DXT compressed。而手动校正会使用pow指令，该指令只能在抗锯齿后使用,这会导致抗锯齿的操作是在非线性空间下的，且自动校准不仅效率更快，而且能避免转换过程中造成的精度损失

• 手动校正实例

   float3 diffuseCol = pow( f3tex2D( diffTex, texCoord ), 2.2 );
  // Or (cheaper, but assuming gamma of 2.0 rather than 2.2)    
  float3 diffuseCol = f3tex2D( diffTex, texCoord ); 
  diffuseCol = diffuseCol * diffuseCol; 
  

• 将输出进行校正

  float3 finalCol = do_all_lighting_and_shading(); 
  float pixelAlpha = compute_pixel_alpha(); 
  return float4(pow(finalCol, 1.0 / 2.2), pixelAlpha); 
  // Or (cheaper, but assuming gamma of 2.0 rather than 2.2)    return float4( sqrt( finalCol ), pixelAlpha ); 
  

reference

Chapter 24. The Importance of Being Linear | NVIDIA Developer

GAMES101

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From： https://www.cnblogs.com/chenglixue/p/17274627.html