sRGB标准与伽马校正

sRGB标准

人眼对亮度的感知不是线性的，其对较暗区域的变化更加敏感   参见：Computer Color is Broken

基于人眼该特点，sRGB标准要求图像（各通道为8bits，最多存储256个亮度值）使用编码伽马，把更多地空间用来存储更多暗部区域，来最大化地利用表示亮度的数据位或带宽

伽马校正（Gamma correction）

在早期，阴极射线管（CRT）显示器是唯一的电子显示设备，但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，使得信号被压暗

巧合地是，sRGB标准的编码伽马是一个将图像变亮的幂率曲线，正好与其形成互补，使得不需要再做调整就可以让sRGB图像在CRT上显示出与现实场景一致的亮度

后来出现的LCD和等离子显示器，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

类似于sRGB标准的编码伽马（encoding Gamma），由于能校正CRT的显示伽马（display Gamma，标准值 γ = 2.2），因此又被称为伽马校正（Gamma correction）

 

对渲染的意义

渲染中用到的光照都是在线性空间的。因为在设计光照的时候都是认为1的亮度是0.5的2倍

光照如此，texture又如何呢？渲染中用到的 texture一般有两个来源，一个是照片，一个是artist手工画的

前文提到了，照片是gamma = 1/2.2的。一般图象处理软件也都是在gamma空间工作的，所以artist画的图一般也可以认为是gamma = 1/2.2的

所以，我们在pixel shader常可以见到这样的代码：

float4 diff = tex2D(diffuse_texture, uv);
return diff * max(0, dot(light_dir, normal));

这样的代码对吗？不对也对。

说其不对，是因为这里没显式地做gamma校正。做校正的话应该是这样的：

float4 diff = pow(tex2D(diffuse_texture, uv), 2.2f); // 对输入的纹理进行display gamma，转到线性空间
return pow(diff * max(0, dot(light_dir, normal)), 1 / 2.2f); // 对输出进行encoding gamma，再次转回gamma = 1/2.2空间

也就是说，gamma校正的过程就是把输入的texture都转换到线性空间，并把输出的调整到gamma = 1/2.2的空间

说其对，是因为如果diffuse texture如果是sRGB格式的，那么再读取的时候硬件会把它自动转到线性空间

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_SRGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, image);

如果render target的texture也是sRGB格式的，在输出的时候硬件也会把它自动转到gamma = 1/2.2空间

glEnable(GL_FRAMEBUFFER_SRGB);

所以，如果输入和输出纹理都是sRGB，那么原先那段shader就是正确的。对于不支持sRGB的老硬件，就必须自己做pow了

除了渲染，另一个需要注意gamma的地方就是mipmap。如果原texture是gamma = 1/2.2空间的，那么在建立mipmap chain的时候，需要将原texture先转到线性空间，来计算各级mipmap；完成计算后，再将各级mipmap转到gamma = 1/2.2空间

另外，gamma变换只作用于RGB通道，Alpha透明度则不受影响

对于normal texture、mask texture等存放的不是颜色信息，这类texture不应勾选为sRGB

总之，计算都要发生在线性空间，所以输入的纹理要先进行display gamma。如果输出的render target是sRGB格式，输出时要进行encoding gamma

输出时encoding gamma，会导致写入color buffer的颜色是非线性的，这样混合就发生在非线性空间中。解决方法是，在中间计算时不要对输出进行encoding gamma，在最后进行一个屏幕后处理操作对最后的输出进行encoding gamma

最佳选择是采用sRGB格式，这样pow是硬件内自动实现，速度更快，代码也简单。鉴于目前很多texture的数据是gamma = 1/2.2的，而纹理格式却被错误地标记成没有sRGB的，所以需要修改它们的格式标记，并重新建立mipmap

如果在gamma空间中进行着色计算，会造成了渲染出来的游戏总是暗沉沉的（如下右图所示），和真实世界不像

参考

klayge：gamma的传说

candycat1992：【图形学】我理解的伽马校正（Gamma Correction）

Unity：LinearRendering-LinearOrGammaWorkflow 

Gamma Correction and Why It Matters 

learnopengl：Gamma Correction