【光照】UnityURP为什么要[Gamma矫正]？

news/2025/10/18 16:14:04/文章来源:https://www.cnblogs.com/SmalBox/p/19149864

【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

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

示例2：Unity颜色空间设置

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

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

Shader "Custom/GammaCorrection"
{Properties{_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}_GammaValue ("Gamma Value", Range(0.1, 3.0)) = 2.2}SubShader{Tags { "RenderType"="Opaque" "RenderPipeline"="UniversalRenderPipeline" }Pass{HLSLPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"struct Attributes{float4 positionOS : POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;};struct Varyings{float2 uv : TEXCOORD0;float4 positionHCS : SV_POSITION;};TEXTURE2D(_MainTex);SAMPLER(sampler_MainTex);float _GammaValue;Varyings vert(Attributes IN){Varyings OUT;OUT.positionHCS = TransformObjectToHClip(IN.positionOS.xyz);OUT.uv = IN.uv;return OUT;}half4 frag(Varyings IN) : SV_Target{// 采样纹理（自动处理sRGB到线性转换）half4 col = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, IN.uv);// 手动伽马校正（线性空间计算）half3 linearColor = col.rgb;half3 processedColor = linearColor * 2.0; // 示例光照计算// 应用伽马校正输出half3 gammaCorrected = pow(processedColor, 1.0/_GammaValue);return half4(gammaCorrected, col.a);}ENDHLSL}}
}

GammaCorrectionSettings.cs

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;public class GammaCorrectionSettings : MonoBehaviour
{[Range(0.1f, 3.0f)]public float gammaValue = 2.2f;void Start(){// 确保项目使用线性颜色空间if (QualitySettings.activeColorSpace != ColorSpace.Linear){Debug.LogWarning("建议在Player Settings中将颜色空间改为Linear");}}void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest){// 后处理方式应用伽马校正Material mat = new Material(Shader.Find("Hidden/Universal Render Pipeline/GammaCorrection"));mat.SetFloat("_GammaValue", gammaValue);Graphics.Blit(src, dest, mat);}
}