《從UnityURP探索伽馬校正：原理與實現》摘要：伽馬校正是通過冪函數對顏色值進行非線性變換的過程（γ=0.45編碼/2.2解碼），解決人眼非線性感知與顯示設備特性的匹配問題。其核心價值體現在：優化8位色深存儲分配、保持跨設備顯示一致性、確保PBR等光照計算的物理準確性。現代渲染管線（如URP）默認采用線性空間工作流，通過內置函數自動完成sRGB與線性空間的轉換。專欄詳細解析了伽馬校正的歷史淵源、數學原理，并提供了URP中的Shader實現代碼與工程設置要點，包括紋理空間標記、移動平臺兼容性等實踐注意事項

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達

伽馬校正的定義與原理

伽馬校正是對顏色值進行非線性變換的過程，其核心是通過冪函數（γ函數）調整亮度值，使人眼感知更均勻。數學表達式為：輸出 = 輸入^γ，其中γ=0.45用于編碼（sRGB到線性空間），γ=2.2用于解碼（線性空間到sRGB）。

人眼對亮度的感知是非線性的——對暗部變化敏感，對亮部變化不敏感。例如從1根蠟燭增加到2根蠟燭的變化很容易察覺，而從100根增加到101根則難以察覺。

為什么需要伽馬校正

伽馬校正主要解決三個問題：

• ?存儲優化?：8位色深(0-255)下，通過伽馬編碼為暗部分配更多值域，亮部分配較少值域，更符合人眼感知特性。
• ?顯示一致性?：補償早期CRT顯示器電壓-亮度非線性關系(γ≈2.2)，現代顯示器通過硬件模擬保持兼容。
• ?渲染準確性?：在線性空間計算光照和混合（如PBR），避免亮度計算錯誤。

歷史發展

伽馬校正起源于CRT時代，當時顯示器物理特性導致輸入電壓與亮度呈γ≈2.2的冪關系。隨著LCD等新技術出現，雖然物理特性改變，但為保持兼容性仍沿用該標準。現代圖形管線（如URP）已將其整合為標準化流程。

Unity URP中的實現機制

URP默認使用線性空間（Linear Space），其工作流程為：

• ?輸入轉換?：對sRGB紋理自動應用γ=2.2轉換到線性空間。
• ?計算階段?：所有光照和混合在線性空間執行。
• ?輸出轉換?：最終輸出應用γ=0.45轉換回sRGB空間。

實現原理是通過著色器內置的GammaToLinearSpace()和LinearToGammaSpace()函數完成轉換。URP強制使用線性空間是因為：

• 物理正確性：光照計算符合能量守恒
• 混合準確性：如半透明疊加效果更真實
• 跨平臺一致性：避免不同設備顯示差異

實際應用示例

示例1：手動伽馬校正

csharp
// 在Shader中手動校正
float3 linearColor = pow(sRGBColor, 2.2);// sRGB轉線性
float3 processedColor = DoLightingCalculation(linearColor);
float3 gammaCorrected = pow(processedColor, 1/2.2);// 線性轉sRGB

示例2：Unity顏色空間設置

csharp
// 檢查當前顏色空間
if (QualitySettings.activeColorSpace == ColorSpace.Linear) {
// 在線性空間下自動處理伽馬校正
    material.color = Color.red;// Unity會自動處理轉換
}

示例3：解決PS與Unity混合差異

當PS（Gamma空間）與Unity（線性空間）混合結果不一致時：

• 在PS中工作于線性空間（編輯→顏色設置→RGB工作空間改為"顯示器RGB"）
• 或Unity中臨時切換至Gamma空間（不推薦）

完整伽馬校正的示例

代碼與示例

• Shader部分?：

  • 包含完整的URP Shader結構，使用HLSL語法
  • 通過pow(processedColor, 1.0/_GammaValue)實現伽馬校正
  • 自動處理sRGB紋理到線性空間的轉換

• ?腳本部分?：

  • 提供運行時伽馬值調整
  • 檢查線性空間設置
  • 可選的后處理實現方式

• ?Unity設置?：

  • 在Project Settings > Player > Other Settings中：
    • 將Color Space設為Linear
    • 確保URP Asset的Post Processing開啟
  • 對非顏色紋理(如法線貼圖)取消sRGB選項

• 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
              {
                  // 采樣紋理（自動處理sRGB到線性轉換）
                  half4 col = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, IN.uv);
  
                  // 手動伽馬校正（線性空間計算）
                  half3 linearColor = col.rgb;
                  half3 processedColor = linearColor * 2.0; // 示例光照計算
  
                  // 應用伽馬校正輸出
                  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()
      {
          // 確保項目使用線性顏色空間
          if (QualitySettings.activeColorSpace != ColorSpace.Linear)
          {
              Debug.LogWarning("建議在Player Settings中將顏色空間改為Linear");
          }
      }
  
      void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest)
      {
          // 后處理方式應用伽馬校正
          Material mat = new Material(Shader.Find("Hidden/Universal Render Pipeline/GammaCorrection"));
          mat.SetFloat("_GammaValue", gammaValue);
          Graphics.Blit(src, dest, mat);
      }
  }
  

使用場景

• ?PBR材質?：確保光照計算在線性空間
• ?UI混合?：避免顏色疊加出現亮度異常
• ?后處理效果?：如Bloom、Tonemapping前需要正確伽馬空間

注意事項

• 移動平臺需注意GLES 3.0支持，部分設備可能回退到Gamma空間
• 透明通道(alpha)不參與伽馬轉換
• 法線貼圖等非顏色紋理應標記為"Bypass sRGB"避免錯誤轉換

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