Gamma校正

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起因

前段时间尝试在SP中实现unity中的效果，碰到一个问题就是我们项目的Unity使用的是gamma空间（因为低端机对于linear空间是不支持的，但这种情况下应该手动gamma校正，不过我们项目没有对颜色做任何处理），而SP只能使用linear，所以为了在SP中实现Unity的「gamma」效果，需要在SP的shader中手动反向gamma校正。

先来尝试一下一般的情况，也就是Unity设置为gamma空间，但通过在shader中手动校正，达到线性空间的效果，目标是使得linear的效果=gamma+手动校正。

原理简介

这方面找到了冯乐乐写的这篇博文我理解的伽马校正（Gamma Correction），非常详细的讲解了原理和方法。如果只是想知道怎么gamma校正，这里做一个能够被快速接受的解释。

首先看一下 真实场景 -> 摄像机捕捉 -> 显示器显示 这个过程中经过的变换

其中，display gamma是显示设备的技术客观存在的，为了校正这个误差，在图像捕捉设备中加了一个encoding gamma，使得end-to-end gamma，也就是两者的乘积，为1，这样真实场景的亮度值就等于显示器的值了。

后来，微软联合爱普生、惠普提供了sRGB标准，推荐显示器中display gamma值为2.2，那么encoding gamma的值为1/2.2。而对于渲染的人来说，并没有图像捕捉设备这一环节，但是显示器的2.2却客观存在，所以我们需要在输出显示颜色之前，使用encoding gamma，才能达到模仿真实环境，人眼看着更舒服的效果。

Unity的颜色空间设置

Unity中可以设置两种颜色模式，在Edit->Project Settings->Player->Color Space，其中gamma代表什么都不干，一般颜色会暗很多。而选择linear的话，Unity会把所有的输入颜色，包括纹理等，默认使用sRGB，先转换到线性空间，也就是pow2.2（sRGB也可以关掉，但是gamma空间下默认都是关，点击开关不会产生影响），在线性空间下做各种运算，然后在输出前pow1.0/2.2，最后交给显示器自动pow2.2，最后看到的就是线性的了。所以实际上，选择linear的话，shader输出的是gamma空间的颜色，是显示器把它变成了线性（有点绕），而选择gamma空间的话，关键不是空间错了，而是它在非线性空间下做了混合，最后显示器转成线性空间就会出问题。也就是说，如果不做混合，这两个选项的结果是一样的。

冯乐乐的文章中给出了gamma颜色模式下，颜色混合产生的问题，左边为gamma，右边为linear。

所以如果不设置成linear，颜色会变得难看不仅是变暗这么简单，有些地方还会出现明显不符合常理的颜色，比如上图交界处居然出现了蓝色。

而遗憾的是，根据Unity官方文档关于线性空间的描述，Android设备需要支持OpenGL ES 3.0和至少Android 4.3的系统，IOS需要Metal graphics API（系统至少为IOS 8），所以除非放弃这一部分用户，否则只能使用gamma，但是为了正常的颜色表现，我们需要在shader中进行手动的gamma校正。

实践

我们来试试看，将空间设置为gamma，然后手动校正，在输出前pow1.0/2.2，由于我忽略了贴图没有转到线性空间的问题，所以得到了这样的结果。


将贴图pow2.2后就使linear的效果=gamma+手动校正了

最后尝试在SP中手动反向校正，也就是使gamma=linear+反向校正，顺利使SP的效果和gamma下的Unity一致。

提高效率

Unity实际上有提供关于颜色空间转换的接口，函数名不带exact的就是近似算法

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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))
}
Shader
Jinnm
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