TA百人计划学习笔记 2.6伽马矫正

伽马矫正的含义，以及工作流中的注意事项

yoi啃码磕了牙

1120人浏览 · 2024-01-16 14:48:42

yoi啃码磕了牙 · 2024-01-16 14:48:42 发布

资料
- 源视频【技术美术百人计划】图形 2.6 伽马校正_哔哩哔哩_bilibili
- PPT 2600_伽马矫正
- 参考笔记
  - 2.6伽马（Gamma）校正 · 语雀
  - 从0开始的技术美术之路（十）伽马校正_线性工作流技术美术-CSDN博客
为什么
- 韦伯定理
  - - 人眼对于暗部是更敏感的
      - 举例
  - 中灰
    - 说明
      - 如果均匀记录物理灰阶，画面的样本分布是下图这样的（绿线为0.5，样本明显往高光区集中）
      - 如果均匀美术灰阶，画面的样本分布是下图这样的（红线为0.5，亮暗部分格式128个灰阶）
      - 在下图中可以看到，如果线性记录像素的物理光强数据，在物理灰阶中，美术暗部只有56个灰阶，这样的结果就是暗部会有明显的色阶断层。
    - 如果做一次非线性映射（就是gamma校正），把美术灰阶中的中灰提到中间，这样亮部和暗部就都能分配到128个样本。这样下来保存的才是人眼看着舒服的/正常的结果。
    - 美术中灰50%=物理中灰21.8%
- 美术与物理的转换
  - 把人感受到的均匀灰阶和自然界线性增长的亮度进行一个映射，就是gamma编码的曲线
- CRT（阴极射线显像管）
  - 这种设备的亮度和电压不成线性关系，而是和gamma值约为2.2类似幂律的关系
  - 由于CRT的这个物理特性，刚好可以把亮度压暗，也就说，左图变亮的情况下，经过右图显示器的压低亮度校正，结果刚好可以显示正常。
  - 值得注意的是，上述所说的前提是，在条件相同的情况下（在明暗不同的环境下，看到的结果可能不同），我们取的中灰值，也不是指特定的一个值。
是什么
- 简单定义
  - Vout = Vingamma
    - 传递函数其实就是伽马校正所使用的函数，我们一般看到的是被简化的幂函数
  - Gamma是指对线性三色值和非线性视频信号之间进行编码和解码的操作。
    - 色彩值与视频信号
      - 知道了颜色的颜色值之后，想要在电子设备上显示，就需要把它转换为视频信号，传递函数就是用来做转换的。
    - 传递函数包括两部分：
      - 分类
        
        光转电传递函数（OETF），把场景线性光转到非线性视频信号值。
        
        电转光传递函数（EOTF），把非线性视频信号值转到显示光亮度。
      - 一个简单理解：拍照时，将照片存储在内存卡中，就是用视频信号存储的，如果要看这个照片，就把视频信号再转换成光信号。
      - 传递函数其实就是Gamma校正所使用的函数。
    - 编码和解码的理解：
      - 当保存为图片时，就用gamma小于1的函数处理，这样一来，物理上0.218的色值，就可以映射到美术上的中灰。
      - 如果这张图片要被打开查看时，如果直接用物理数据，是偏亮的，这个时候又要进行一次校正，也就是显示器要用到一条gamma大于1的下压曲线来校正，把亮度压低，达到符合人眼的美术灰阶。
      - 上述流程如图：
        
        用一张图来举例：
        
        gamma编码：
        目的
        储存更多的暗部信息
        
        左图为存在硬盘中，将捕获到的物理数据做一次gamma值约为0.4的映射，这个过程称为gamma编码
        
        由图中可以看到，此时图像要比实际物理像素更亮（图不一定是实际的情况，只是亮度提高了的直观表示）
        
        gamma校正：
        目的
        适应人眼的感光
        
        中间为显示图像时，需要为每一个像素做一次gamma值约为2.2的校正，来使的最终结果为正确的物理数据。
        
        可以看到经过gamma校正好，之前偏亮的图像亮度降低了。
    - 为什么不用线性的方式存储，而要来回转换呢？
      - 非线性转换为了优化存储空间和带宽
      - 我们用于显示图像数据都是8bit，要充分利用带宽，就需要使用更多位置去存储暗部值。也就是暗部使用高精度保存，亮部使用相对较低精度保存。
这么用
- 不规范产生的问题
  - 亮度叠加
    - - 可以看到非线性空间下亮度叠加出现了过曝（亮度>1的）的情况
      - 因为Gamma空间经过gamma编码后的亮度值相对之前会变大。
  - 颜色混合
    - - 如果在混合前没有非线性的颜色进行转换，就会在纯色的边界出现一些硬边。
  - 光照计算
    - - 在光照渲染结算时，如果我们把非线性空间下（视觉上的）的棕灰色0.5当做实际物理光强为0.5来计算时，就会出现左边这种情况
      - 在显示空间下是0.5，但在渲染空间下它的实际物理光强为0.18（如右图）
- 确保线性工作流的规范
  - 在生产的各个环节，正确使用Gamma编码及解码，使最终的到的颜色数据与最开始输入的物理数据一致；如，若是使用Gamma空间的贴图，在传给着色器前需要从Gamma空间转到线性空间；
  - unity前
    - Substance Painter到unity过程
    - PS到Unity
      - PS会读取显示器的Color Profile 反向补偿回去，即不会经过显示器伽马变换；
        
        PS有名为Document Color的第二个Color Profile，其默认值就是SRGB COLOR Profile，和显示器的一致，颜色因此被压暗，所以PS中看到结果和unity一样；
      - 关于PS和Unity中的混合：
        Unity混合为线性混合；
        
        PS图层间混合，则是每个上层图层经过伽马变换后，再做混合，故而会显得较暗。设置中更改，“用灰度系数混合RGB颜色”，参数为1，结果才为直接混合结果。
      - 绘制时
        在32位通道下完成操作（计算），最后再切换为8位通道保存
        目的
        确保trl+t缩小、柔边笔刷涂抹、高斯模糊等操作所得图片的准确性
  - unity中
    - 设置部分
    - 目前支持线性空间的平台
      - Unity硬件特性支持，主要由两个硬件特性支持：SRGB Frame Buffer，SRGB Sampler；
        SRGB Frame Buffer：
        将shader计算结果输出到显示器前进行Gamma校正；
        
        作为纹理被读取时，自动把存储的颜色从sRGB空间转换到线性空间；
        
        调用ReadPixels(),ReadBackImage()时，直接返回sRGB空间下的颜色；
        
        sRGB Frame Buffer仅支持每通道为8bit的格式，不支持浮点；
        
        HDR开启后，会先把渲染结果绘制到浮点格式的FB中，最后绘制到sRGB FB上输出；
        
        SRGB Sampler：将sRGB贴图进行线性采用转换；
        利用硬件特性进行sRGB贴图线性采样和shader计算结果Gamma校正，比起在shader中对贴图采样和计算结果校正要快；
    - 手动修改
      - 《Shader入门精要》
      - 利用Unity CG.cgnic中封装的函数
        GammaToLinearSpace
        采样贴图时使用
        
        LinearToGammaSpace
        最后输出