实验 Unity Linear Color Space 发现结果不符合预期
美术前上个礼拜找我问光照图总是烘焙过暗的问题,一时兴起我在 Gamma 和 Linear 两个颜色空间切换了下,发现一个 Shader 明暗不同,另一个 毫无变化,于是激发了我去研究下在 Unity 里使用 Linear 的细节。(虽然最后发现美术的问题跟这个不太有关系)
这里不想在过多冗长的去复述关于所有 Gamma 校正的历史和概念,假设已经阅读过相关资料,比如以下(包括但不限于):
https://www.cnblogs.com/murongxiaopifu/p/9001314.html
https://blog.csdn.net/candycat1992/article/details/46228771
https://developer.nvidia.com/gpugems/GPUGems3/gpugems3_ch24.html
https://www.qiankanglai.me/2014/12/24/gamma-correction/
https://docs.unity3d.com/Manual/LinearLighting.html
这里仅仅讨论下 Unity 平台下 Linear 空间下渲染出现的和预期不一致的错误(姑且先叫错误,着实还不明白的地方),和所理解然后预期的结果不一致。测试场景也很简单,制作三张红色贴图A, B 和 C,其中 A 和 B 一样:(127,0,0),C 为(187,0,0),其中187=((127/255)^0.45)*255。A 导入选项为 Linear,不勾选 sRGB,B 勾选 sRGB,C勾选 sRGB。
A B C
可以发现,A 保持颜色不变,B 和 C 的颜色都变暗,都被做了 Gamma 校正 2.2,所以更暗;尤其是 C,原本 187 的颜色被矫正后,正好变成127,这是符合预期的。
接下来在场景中创建三个材质,使用 Shader:Unit/Texture 来显示贴图本身颜色,贴图分别使用 A, B, C;然后创建一个 Sphere 分别使用这三个材质在 Linear 空间下渲染查看颜色。显示效果如下:
A B C
然而预期结果为:球 A 和 C 均为 (127,0,0),B 为(55,0,0)。根据:A 贴图为 Linear,采样后不会被硬件 Gamma 2.2 而维持原样,Shader 计算输出到 ColorBuffer 时 Gamma 0.45 提亮,最终输出到显示器再 Gamma 2.2,最终输出颜色(127,0,0);B 贴图为 sRGB,采样后被硬件 Gamma 2.2 为 ((127/255)^2.2)*255=55,然后 Shader 中计算输出 ColorBuffer 时 Gamma 0.45 变回到127,最终被显示器 Gamma 2.2,输出颜色(55,0,0);
以上可以看到实际渲染结果和预期结果的差异:实际渲染结果都被“提亮“了,都额外的被多增加了一个 Gamma 0.45。可是至少 Linear 的图片是什么颜色就应该输出什么颜色。于是将以上三种情况分别在手机上使用 RenderDoc 抓帧分析下。
场景 A:
以上分别显示了 A 场景中,图片的格式,以及纹理缓存的格式:
Red127_Linear 格式:GL_COMPRESSED_RGB8_ETC2,颜色为(127,0,0);
Color Buffer 格式:GL_SRGB8_ALPHA8,颜色为(187,0,0),
由于写入 ColorBuffer 会做 Gamma 0.45 的校正,所以 ColorBuffer 这个颜色是正确的,配合显示器的 Gamma 2.2 校正,应该正好为(127,0,0)。可是实际上显示器输出的就是 ColorBuffer 的内容(187,0,0),像是没有经过 Gamma 2.2 校正;抑或是因为 sRGB 格式的 ColorBuffer 再次被 Gamma 0.45,然后再被显示器 Gamma 2.2,否则如何解释呢?暂时不明白。
那么再看下场景 B:
Red127_sRGB 格式:GL_COMPRESSED_SRGB_ETC2 颜色为(55,0,0),因为 sRGB 图片做了 Gamma 2.2 校正;
ColorBuffer 格式:GL_SRGB8_ALPHA8,颜色为(127,0,0),
所以当 Color 输出到显示器做了 Gamma 2.2 校正后,实际颜色应该为 (55,0,0),然而貌似也少了这一步,跟情况 A 一样。
最后来看下场景 C:
Red187_sRGB 格式:GL_COMPRESSED_SRGB_ETC2 颜色为(127,0,0),因为 sRGB 图片做了 Gamma 2.2 校正;
ColorBuffer 格式:GL_SRGB8_ALPHA8,颜色为(187,0,0),
最后 ColorBuffer 输出经过显示器的 Gamma 2.2 矫正后应该输出颜色 (127,0,0),然而实际却是(187,0,0),同场景 A 和 B 的情况一模一样。
以上测试使用 Unity 2018.1.2f1。
综上,以上三种结果和过程分析都指向一个事实:Unity 在 Linear 颜色空间下直接将 sRGB 格式的 ColorBuffer 输出到了显示器,缺少了 Gamma 2.2 这一步,使得颜色都变亮了,无法得出预期的结果,或许有什么地方理解的还不到位,也或者我缺少了过程中的某个设置,目前还不得而知,如果有哪位大牛知道,还请指点下。
【本文固定地址:https://www.cnblogs.com/yaukey/p/unity_linear_color_space_unexpected_results.html】
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