【光照】UnityURP为什么要[Gamma矫正]？

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

伽马校正的定义与原理

伽马校正是对颜色值进行非线性变换的过程，其核心是通过幂函数（γ函数）调整亮度值，使人眼感知更均匀。数学表达式为：输出 = 输入^γ，其中γ=0.45用于编码（sRGB到线性空间），γ=2.2用于解码（线性空间到sRGB）。
人眼对亮度的感知是非线性的——对暗部变化敏感，对亮部变化不敏感。例如从1根蜡烛增加到2根蜡烛的变化很容易察觉，而从100根增加到101根则难以察觉。
为什么需要伽马校正

伽马校正主要解决三个问题：

• ‌存储优化‌：8位色深(0-255)下，通过伽马编码为暗部分配更多值域，亮部分配较少值域，更符合人眼感知特性。
  
• ‌显示一致性‌：补偿早期CRT显示器电压-亮度非线性关系(γ≈2.2)，现代显示器通过硬件模拟保持兼容。
  
• ‌渲染准确性‌：在线性空间计算光照和混合（如PBR），避免亮度计算错误。
  

历史发展

伽马校正起源于CRT时代，当时显示器物理特性导致输入电压与亮度呈γ≈2.2的幂关系。随着LCD等新技术出现，虽然物理特性改变，但为保持兼容性仍沿用该标准。现代图形管线（如URP）已将其整合为标准化流程。
Unity URP中的实现机制

URP默认使用线性空间（Linear Space），其工作流程为：

• ‌输入转换‌：对sRGB纹理自动应用γ=2.2转换到线性空间。
  
• ‌计算阶段‌：所有光照和混合在线性空间执行。
  
• ‌输出转换‌：最终输出应用γ=0.45转换回sRGB空间。
  

实现原理是通过着色器内置的GammaToLinearSpace()和LinearToGammaSpace()函数完成转换。URP强制使用线性空间是因为：

• 物理正确性：光照计算符合能量守恒
  
• 混合准确性：如半透明叠加效果更真实
  
• 跨平台一致性：避免不同设备显示差异
  

实际应用示例

示例1：手动伽马校正

1. csharp
2. // 在Shader中手动校正
3. float3 linearColor = pow(sRGBColor, 2.2);// sRGB转线性
4. float3 processedColor = DoLightingCalculation(linearColor);
5. float3 gammaCorrected = pow(processedColor, 1/2.2);// 线性转sRGB

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示例2：Unity颜色空间设置

1. csharp
2. // 检查当前颜色空间
3. if (QualitySettings.activeColorSpace == ColorSpace.Linear) {
4. // 在线性空间下自动处理伽马校正
5.     material.color = Color.red;// Unity会自动处理转换
6. }

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示例3：解决PS与Unity混合差异

当PS（Gamma空间）与Unity（线性空间）混合结果不一致时：

• 在PS中工作于线性空间（编辑→颜色设置→RGB工作空间改为"显示器RGB"）
  
• 或Unity中临时切换至Gamma空间（不推荐）
  

完整伽马校正的示例

代码与示例

• Shader部分‌：
  
  
  
  • 包含完整的URP Shader结构，使用HLSL语法
    
  • 通过pow(processedColor, 1.0/_GammaValue)实现伽马校正
    
  • 自动处理sRGB纹理到线性空间的转换
    
  
  
• ‌脚本部分‌：
  
  
  
  • 提供运行时伽马值调整
    
  • 检查线性空间设置
    
  • 可选的后处理实现方式
    
  
  
• ‌Unity设置‌：
  
  
  
  • 在Project Settings > Player > Other Settings中：
    
    
    
    • 将Color Space设为Linear
      
    • 确保URP Asset的Post Processing开启
      
    
    
  • 对非颜色纹理(如法线贴图)取消sRGB选项
    
  
  
• GammaCorrection.shader
  1. Shader "Custom/GammaCorrection"
  2. {
  3.     Properties
  4.     {
  5.         _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
  6.         _GammaValue ("Gamma Value", Range(0.1, 3.0)) = 2.2
  7.     }
  9.     SubShader
  10.     {
  11.         Tags { "RenderType"="Opaque" "RenderPipeline"="UniversalRenderPipeline" }
  13.         Pass
  14.         {
  15.             HLSLPROGRAM
  16.             #pragma vertex vert
  17.             #pragma fragment frag
  19.             #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
  21.             struct Attributes
  22.             {
  23.                 float4 positionOS : POSITION;
  24.                 float2 uv : TEXCOORD0;
  25.             };
  27.             struct Varyings
  28.             {
  29.                 float2 uv : TEXCOORD0;
  30.                 float4 positionHCS : SV_POSITION;
  31.             };
  33.             TEXTURE2D(_MainTex);
  34.             SAMPLER(sampler_MainTex);
  35.             float _GammaValue;
  37.             Varyings vert(Attributes IN)
  38.             {
  39.                 Varyings OUT;
  40.                 OUT.positionHCS = TransformObjectToHClip(IN.positionOS.xyz);
  41.                 OUT.uv = IN.uv;
  42.                 return OUT;
  43.             }
  45.             half4 frag(Varyings IN) : SV_Target
  46.             {
  47.                 // 采样纹理（自动处理sRGB到线性转换）
  48.                 half4 col = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, IN.uv);
  50.                 // 手动伽马校正（线性空间计算）
  51.                 half3 linearColor = col.rgb;
  52.                 half3 processedColor = linearColor * 2.0; // 示例光照计算
  54.                 // 应用伽马校正输出
  55.                 half3 gammaCorrected = pow(processedColor, 1.0/_GammaValue);
  56.                 return half4(gammaCorrected, col.a);
  57.             }
  58.             ENDHLSL
  59.         }
  60.     }
  61. }

  复制代码
• GammaCorrectionSettings.cs
  1. using UnityEngine;
  2. using UnityEngine.Rendering;
  4. public class GammaCorrectionSettings : MonoBehaviour
  5. {
  6.     [Range(0.1f, 3.0f)]
  7.     public float gammaValue = 2.2f;
  9.     void Start()
  10.     {
  11.         // 确保项目使用线性颜色空间
  12.         if (QualitySettings.activeColorSpace != ColorSpace.Linear)
  13.         {
  14.             Debug.LogWarning("建议在Player Settings中将颜色空间改为Linear");
  15.         }
  16.     }
  18.     void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest)
  19.     {
  20.         // 后处理方式应用伽马校正
  21.         Material mat = new Material(Shader.Find("Hidden/Universal Render Pipeline/GammaCorrection"));
  22.         mat.SetFloat("_GammaValue", gammaValue);
  23.         Graphics.Blit(src, dest, mat);
  24.     }
  25. }

  复制代码

使用场景

• ‌PBR材质‌：确保光照计算在线性空间
  
• ‌UI混合‌：避免颜色叠加出现亮度异常
  
• ‌后处理效果‌：如Bloom、Tonemapping前需要正确伽马空间
  

注意事项

• 移动平台需注意GLES 3.0支持，部分设备可能回退到Gamma空间
  
• 透明通道(alpha)不参与伽马转换
  
• 法线贴图等非颜色纹理应标记为"Bypass sRGB"避免错误转换
  

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