计算机图形：gamma校正
Gamma校正是什么
Gamma校正：让显示器的亮度，和人眼感知的亮度保持一致的修正过程.
本质上，是因为人眼对光的感知是非线性的，数字设备（如显示器）显示光强也是非线性的.
当我们计算出场景中所有像素最终颜色后，需要将其显示在显示器上. 大部分显示器（如阴极射线管显示器，CRT）有个物理特性：2倍的输入电压 并不能产生 2倍的亮度. 将输入电压加倍产生的亮度，约为输入电压的2.2次幂，这叫显示器Gamma.
Gamma也叫灰度系数，每种显示设备都有自己的Gamma值，都不相同. 有个公式：
\[设备输出亮度 = 电压的Gamma次幂， \]
几乎任何设备Gamma都不会等于1，1是一种理想状态：如果电压和亮度\(∈[0,1]\)，那么多少电压就等于多少亮度.
对于CRT，Gamma通常为2.2. 于是，
人类感知的亮度，刚好跟CRT所显示的相似指数关系非常匹配. 如下图：
第一行（Perceived (lienar) brightness）是人眼感知亮度. 人眼所感知到的正常的灰阶，亮度增加1倍（如从0.1到0.2），我们才会感觉到比原来亮了1倍，才能感受到明显的颜色变化. 例如，颜色值从0.1到0.2，我们会感受到1倍的颜色变化，而从0.4到0.8 我们才能感受到相同程度的颜色变化（变亮1倍）.
第二行是物理世界的真实亮度. 亮度加倍时，返回的也是真实的物理亮度（光子数量）
注：从0~1的过程中，亮度要增加1倍，我们才会感受到明显的颜色变化（即变亮1倍），即物理亮度.
也就是说，人眼看到颜色的亮度，并非线性亮度；而显示器使用的也是一种指数关系（电压的2.2次幂），所以物理亮度通过显示器能被映射到顶部的非线性亮度. 如此，显示器的亮度变化效果看起来还不错.
下图展示了显示器的非线性颜色、亮度的映射关系：
横轴代表我们定义的颜色（我们想输出的颜色），纵轴是亮度.
从右到左3条线描述的颜色、亮度关系，分别是：CRT显示器（gamma 2.2），理想状态（gamma 1），gamma校正（gamma 1/2.2）
例如，光的颜色\(L=(0.5,0.0,0.0)\)代表半暗红色，如果将其颜色翻倍，那么颜色变成\((1.0,0.0,0.0)\).
对于理想状态（中间的点线），颜色翻倍，则亮度翻倍；
对于显示器，显示的颜色0.5对应亮度0.218，颜色翻倍后，亮度翻倍4.59. 这显然不是我们想要的结果!
于是，我们引入Gamma校正，来修正这种非线性关系.
Gamma校正怎么做
流程
流程：
计算线性颜色（纹理采样、光照计算等）---> Gamma校正 ---> 显示颜色（显示器特性，应用Gamma 2.2曲线）
Gamma校正（Gamma Correction，伽马校正）思路：在最终的颜色输出到显示器之前，将Gamma的倒数作用到颜色上. 即上图最左边的那条虚线（称为逆伽马曲线），作用于显示器的Gamma 2.2曲线相反. 将每个线性输出颜色 乘以 逆伽马曲线，这样，显示器最终显示颜色时，就会变成线性的.
应用伽马校正前，显示器中间颜色偏暗；应用伽马校正后，中间颜色会变亮，整体会平衡.
例如，我们想显示暗红色\((0.5,0.0,0.0)\)，在将颜色显示到显示器前，先对其应用Gamma校正曲线（逆Gamma曲线）.
理想的亮度是0.5（中间点线），在显示器上显示相当于降低了2.2次幂的亮度（右边实线），即\((0.5,0.0,0.0)^{2.2}=(0.218,0.0,0.0)\)
因此，Gamma校正要将倒数\(1/2.2\)次幂作用到该颜色上，即\((0.5,0.0,0.0)^{1/2.2}=(0.5,0.0,0.0)^{0.45}=(0.73,0.0,0.0)\)
所以，最终显示器显示的颜色\((0.73,0.0,0.0)^{2.2}=(0.5,0.0,0.0)\) （颜色0.5，亮度0.5）
具体方法
在我们的场景中，有2种应用Gamma校正的方式：
- 使用OpenGL内建的sRGB帧缓冲；
- 自己在像素着色器中进行Gamma校正.
方式1最简单，缺点是会丧失一些控制权. 开启 GL_FRAMEBUFFER_SRGB选项，告诉OpenGL每个后续的绘制命令，在颜色存储到颜色缓冲之前，先校正sRGB颜色. sRGB颜色空间大致对应Gamma 2.2，也是大多数设备的标准. 开启该选项后，每次像素着色器运行后续帧缓冲，OpenGL自动执行Gamma校正，包括默认帧缓冲.
开启 GL_FRAMEBUFFER_SRGB：
glEnable(GL_FRAMEBUFFER_SRGB);
注意：所有的工作由OpenGL自动完成，我们无需添加额外的Gamma校正相关操作.
方式2灵活，但需要我们做更多工作. 我们在每个相关的像素着色器运行结束之前应用Gamma校正，最终颜色发送到显示器之前就结束了Gamma校正.
// 片段着色器
void main()
{
// 计算光照等
...
// 输出颜色前的最后一步
// 应用Gamma校正
float gamma = 2.2;
fragColor.rgb = pow(fragColor.rgb, vec3(1.0/gamma));
}
注意：Gamma校正将颜色从线性空间转换为非线性空间. Gamma校正必须在输出颜色前的最后一步进行，如果在这之前进行，就不是在线性空间操作颜色值.
sRGB纹理
sRGB纹理 是指纹理图像的颜色数据被存储在 sRGB 色彩空间（而非 线性RGB色彩空间）中的纹理. sRGB空间就是经过 Gamma 校正后的颜色空间，是非线性的.
平时，我们看到的普通图片，如jbg、png等，几乎都是已经自带 Gamma 压缩的图片，即sRGB纹理
为什么会存在sRGB纹理？
为了在有限的 8bit 存储空间里，让人眼看到的颜色尽可能均匀、好看、不浪费精度.
具体来说，体现在这几点：
- 人眼对亮度感知并非线性
- 亮度从 0 → 0.1：人眼觉得变化巨大
- 亮度从 0.9 → 1.0：人眼几乎看不出区别
如果不用sRGB，而用线性RGB存储颜色，那么0–1 平均分配 256 级（0~255），结果就是：暗部只有很少几级，容易出现色带、断层；亮部一大堆精度，完全浪费.
- 显示器也不是线性输出的
CRT显示天然特性：电压 -> 亮度 呈现非线性曲线特性，\(γ≈2.2\)
电压0.5，显示亮度不是0.5，而是\(0.5^{2.2}≈0.218\)，会更暗.
- 于是，专家设计了sRGB标准
提前将图片颜色做一次Gamma压缩（Gamma编码），即颜色的\(1/2.2\)次幂.
RGB空间和sRGB空间关系示意图：
┌─────────────────────────────────────┐
│ 物理/线性空间 │
│ (光照计算、渲染方程、物理模拟) │
│ 数值与光子数量成正比 │
└───────────────┬─────────────────────┘
│
┌────────────────────────┼────────────────────────┐
│ │ │
▼ ▼ ▼
┌────────────────┐ ┌────────────────┐ ┌────────────────┐
│ 相机传感器 │ │ 渲染输出 │ │ GPU 采样时 │
│ 线性响应 │ │ (帧缓冲) │ │ 自动解码 │
└───────┬────────┘ └────────────────┘ │ sRGB→Linear │
│ └───────┬────────┘
│ 编码 (1/2.2) │
▼ │
┌────────────────┐ │
│ sRGB 图像文件 │ ◀─────────────────────────────────────┘
│ (PNG/JPG) │ 采样时硬件自动转回线性
│ 存储优化 │
│ 显示器兼容 │
└───────┬────────┘
│
│ 显示时，显示器天然 Gamma (~2.2)
│ (sRGB 显示器已校准，输出正确亮度)
▼
┌────────────────┐
│ 人眼感知 │
│ (非线性) │
└────────────────┘
在我们的OpenGL程序中，如果要计算高级光照，流程是这样的：
- 加载 sRGB 图片，
stbi_load - 转成线性空间（用 GL_SRGB 纹理格式），
glTexImage2D - 在线性空间计算光照，片段着色器中，用户自定义程序
- 最后输出时做 gamma 校正（^1/2.2），片段着色器输出颜色前的最后一步
- 显示器再 \(γ 2.2\) → 最终正确，显示器自动完成
注意：现代液晶（LCD / LED / OLED）显示器，全都在刻意模拟 CRT 那套～2.2 的 Gamma 曲线，因为标准强制要求，否则CRT Gamma 2.2条件下生成的内容都会过亮、发白、完全看不清.
浙公网安备 33010602011771号