颜色空间，线性和伽马颜色空间

参考：颜色空间 - Unity 手册 

 

为什么要有伽马空间，那是因为人眼对亮度的感知没暗部感知来的敏感，举个例子，黑暗的房间，灯源数量从1增加到2，人眼能明显感知到变化。但从100增加到101，人眼就很难察觉变化，虽然从物理上来说它们的增量是相同的。

如果把真实光照按照线性变化，如0-100亮度对应0-1的像素值（8bit 像素对应 0~255 的线性亮度），则会造成大量的浪费，大部分亮度信息我们感知不明显。所以有伽马空间，就是通过一种矫正，把0-100的亮度映射到合理的范围（举个例子，0-50对应0-0.7，51-100对应0.7-1这样，不太准确的举例，但大概意思差不多） 

把真实世界的线性光照进行非线性映射存储的过程叫伽马编码（sRGB 色彩空间），我们要看到照片：

  • 对于遵循 sRGB 标准的现代显示器（LCD/LED），其物理输出是线性的，因此需要先对 sRGB 图像做伽马解码（线性化），再输出；
  • 对于早期 CRT 显示器，其物理特效很凑巧的跟伽马空间对应上，不需要手动解码，因为显示器的物理特性本身就等效于伽马解码

 

Unity Editor 允许您使用传统的伽马颜色空间以及线性颜色空间。伽马颜色空间是历史悠久的标准格式，但线性颜色空间渲染可提供更精确的结果。

如需进一步阅读这方面的信息，请参阅以下相关文档：

线性和伽马颜色空间

人眼对光强的反应不呈线性。我们在观察光时会发现一些亮度比另一些亮度更容易看到，即从黑到白的线性渐变在我们人眼中不是线性渐变的。

左：线性渐变。右：人眼对该渐变的感知情况。注意每种情况下界限（正好是中灰色）与渐变相融合的位置左：线性渐变。右：人眼对该渐变的感知情况。注意每种情况下界限（正好是中灰色）与渐变相融合的位置

由于历史原因，监视器和显示器具有相同的特性。向监视器发送线性信号会导致看起来像上图右侧的渐变，人眼观察感觉是错误的。为了弥补这一点，需要发送经校正的信号来确保监视器能够呈现出看起来自然的图像。这种校正称为伽马校正。

伽马和线性颜色空间同时存在的原因是，光照计算应该在线性空间中进行，以便确保数学上的正确性，但结果应该在伽马空间中呈现以便让人眼看起来正确。

在帧缓冲格式限制为每通道 8 位的旧硬件上，计算光照时使用伽马曲线可在人类可感知的范围内提供更高的精度。在人眼最敏感的范围内，使用的位数最多。

即使当今的监视器是数字显示器，它们仍然采用伽马编码信号作为输入信号。图像文件和视频文件显式编码到伽马空间（这意味着它们带有伽马编码值，而不是线性强度）。这便是标准；一切数值都在伽马空间内。

伽马空间的公认标准称为 sRGB（请参阅 Wikipedia）。该标准定义了它与线性空间之间的一个映射，使得人眼能充分利用 8 位/通道的精度。

线性渲染指的是渲染场景的过程，此情况下的所有输入都是线性的，也就是说，没有经过伽马校正以适合人眼观察或输出到显示器。

 

Unity里的设置：

  1. 颜色纹理（贴图 / 照片） → 勾选 sRGB (Color Texture)
    Unity 会在采样后自动做伽马解码（线性化），让光照计算在线性空间中进行（光照计算必须线性才准确）；最终输出到显示器前，再做一次伽马编码，匹配显示器的输出特性。
  2. 数据纹理（法线图 / 金属度图） → 不勾选 sRGB
    这类纹理存储的是 “数据” 而非 “亮度”，不需要伽马校正，直接以线性空间参与计算。

image

从左往右分别是（Linear空间下不勾sRGB，Linear空间下勾sRGB，Gamma空间（勾不勾sRGB都一样））

image image image

sRGB 纹理选项的本质：告诉 Unity 该纹理是否是 “伽马编码” 的（比如照片、UI 图），需要在采样时转换为线性空间；而非 sRGB 纹理（比如法线、高度图）是 “线性数据”，不需要转换。
但这个转换仅在线性（Linear）颜色空间生效，伽马空间下的逻辑完全不同：
    1. 线性空间（Linear）：
      • 勾选 sRGB：Unity 采样时自动执行 线性值 = 伽马值^2.2（解伽马），用于光照计算；
      • 取消 sRGB：直接使用原始值（认为是线性数据）。
        👉 此时勾选 / 取消 sRGB 会有明显视觉差异。
    2. 伽马空间（Gamma）：
      • Unity 默认所有颜色计算都在伽马空间完成，不会对 sRGB 纹理做解伽马转换；
      • 无论是否勾选 sRGB，纹理的原始像素值都会被直接采样使用（仅极少数特殊情况例外）；
        👉 因此视觉上几乎无变化。

 

需要在Shder里手动进行颜色空间的转换吗？

一、核心逻辑：sRGB 对 Shader 的影响本质

sRGB 勾选的本质是给 Unity 一个 “纹理数据类型” 的标记：
  • ✅ 勾选 sRGB：告诉 Unity“这是伽马编码的颜色图（如贴图、UI），需要在采样时转线性空间”；
  • ❌ 取消 sRGB：告诉 Unity“这是线性数据（如法线、高度图），无需转换”。
这个标记的作用分为两种场景，直接决定 Shader 是否需要手动转换：

二、场景 1：Unity 全局颜色空间 = 线性（Linear）

这是 3D 项目的主流选择，sRGB 勾选会直接影响 Shader 的采样结果，且 Unity 会自动处理转换（无需手动写）：

1. 勾选 sRGB 的纹理（颜色图）

  • Unity 在采样时自动执行：线性值 = pow(纹理采样值, 2.2)（解伽马）；
  • Shader 中直接采样即可，无需手动转换： 
    // 正确写法：直接用，Unity已自动转线性
fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv); 
// ❌ 错误：手动再转一次会导致颜色过亮
// fixed4 col = pow(tex2D(_MainTex, i.uv), 2.2);

2. 取消 sRGB 的纹理（数据图）

  • Unity 直接返回原始线性值，Shader 中无需任何转换： 
    // 法线图：直接采样，无需转换
fixed3 normal = UnpackNormal(tex2D(_NormalTex, i.uv));

关键例外：手动控制采样转换

如果需要强制覆盖 Unity 的自动转换（比如特殊效果），可通过 SamplerState 手动指定：
// 强制将sRGB纹理按线性采样（跳过自动转换）
SamplerState sampler_MainTex_Linear
{
    Filter = Bilinear;
    AddressU = Repeat;
    AddressV = Repeat;
    sRGB = false; // 关闭自动转换
};

fixed4 col = tex2D(sampler_MainTex_Linear, _MainTex, i.uv);
// 此时需要手动解伽马：
col = pow(col, 2.2);

三、场景 2：Unity 全局颜色空间 = 伽马（Gamma）

这是 2D/UI 项目的主流选择，sRGB 勾选对 Shader 采样结果无自动影响，是否手动转换看需求：

1. 勾选 / 取消 sRGB 的纹理

  • Unity 都会直接返回原始像素值（无自动转换），Shader 中采样结果完全一致；
  • 仅当你需要在 Shader 中做 “物理正确的光照计算”（比如 PBR）时，才需要手动转线性： 
    // 伽马空间下，手动将sRGB颜色图转线性（用于光照计算）
fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
col.rgb = pow(col.rgb, 2.2); // 手动解伽马

// 光照计算（线性空间下更准确）
fixed3 finalColor = col.rgb * _LightColor0.rgb;

// 输出前转回伽马空间（可选，伽马空间下Unity会自动做，但手动更可控）
finalColor = pow(finalColor, 1/2.2);

2. 数据图（法线 / 高度等）

  • 无论是否勾选 sRGB，都无需手动转换，和线性空间逻辑一致： 
    fixed roughness = tex2D(_RoughnessTex, i.uv).r; // 直接用

四、关键总结：Shader 编写的通用原则

全局颜色空间纹理 sRGB 状态Shader 是否需要手动转换正确写法示例
线性 ✅ 勾选 ❌ 不需要 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
线性 ❌ 取消 ❌ 不需要 normal = UnpackNormal(tex2D(_NormalTex, i.uv));
伽马 ✅ 勾选 ✅ 仅光照计算时需要 col.rgb = pow(tex2D(_MainTex, i.uv).rgb, 2.2);
伽马 ❌ 取消 ❌ 不需要 roughness = tex2D(_RoughnessTex, i.uv).r;

 

posted @ 2025-12-03 20:47  JeasonBoy  阅读(20)  评论(0)    收藏  举报