在Unity的Gamma颜色空间下使用Standard Shader的总结

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#Unity #Shader #渲染技术

本文探讨了Unity中PBR材质与Gamma校正的关系，分析了不同颜色空间下的渲染效果差异及解决方法。

起因

今天在使用自己修改的Standard Shader调PBR效果的时候，发现项目中使用Substance导出的贴图应用到Unity中要明显比原本软件中亮，整体有一种发灰的感觉，而之前使用空工程的时候效果和Substance一致。一开始以为是shader有修改，反复检查shader和贴图都完全一样，天空盒和环境光方向光设置也一样，但最终效果却不一样。

查看Substance导出到Unity的文档https://support.allegorithmic.com/documentation/display/SPDOC/Unity+5，发现其中的第一个步骤为”In the Player project settings, set the Color Space to Linear”，即需要将项目的颜色空间切换到线性空间，查看项目的Color Space设置是Gamma，尝试切换到Linear空间则效果正常。

原因探究

关于Linear和Gamma空间的区别，冯乐乐的文章总结的很好：
http://blog.youkuaiyun.com/candycat1992/article/details/46228771，
在Unity中如果使用Gamma颜色空间且不做任何手工处理时，所有计算过程是在Gamma空间下的，即使用了非线性的值当做线性值进行计算，这个计算过程无疑是错误的，在较为简单的经典光照模型中，美术可以通过手动调节Unity材质上的材质，达到想要的效果（通过错误的参数和错误的计算流程）。而这样不经校正的输入贴图颜色值，如果使用在PBR中，这个就会偏差很大，而PBR材质中并不具备足够的参数来手动调节结果到正常的值（计算过程较为复杂），因此在PBR中一定要处理Gamma校正才能保证最终的结果可以接受。

那是否可以简单的将项目Color Space设置为Linear呢？在PC平台上这样基本就能解决问题，但移动端就会有一定的兼容性问题。根据Unity官方文档https://docs.unity3d.com/Manual/LinearRendering-GammaTextures.html对于线性空间的描述：

Linear supported platforms Linear rendering is not supported on allplatforms. The build targets that support the feature are:
- Windows,Mac OS X and Linux (Standalone)
- Xbox One
- PlayStation 4
- Android
- iOS
- WebGL
There is no fallback to gamma when linear rendering is notsupported by the device. In this situation, the Player quits. You can check the active color space from a script by looking at QualitySettings.activeColorSpace. On Android, linear renderingrequires at least OpenGL ES 3.0 graphics API and Android 4.3. On iOS, linear rendering requires the Metal graphics API. On WebGL, linear rendering requires at least WebGL 2.0 graphics API.

即Android设备需要支持OpenGL ES 3.0和至少Android 4.3的系统，IOS需要Metal graphics API（系统至少为IOS 8），这一部分机器的比重有多大呢？

根据Unity自己的调查https://blogs.unity3d.com/cn/2016/12/07/linear-rendering-support-on-android-and-ios/：

With Unity 5.5, linear rendering is now available on Android and iOS. On Android, linear rendering requires OpenGL ES 3 graphics API which represents 61.1% of the Android devices. On iOS, linear rendering requires Metal graphics API which represents 71.1% of the iOS devices.

即目前还有38.9%的Android设备和28.9%的IOS设备无法使用Linear颜色空间，是否要兼容这部分用户，需要每个项目自己斟酌。对于我们自己项目而言，是需要兼容到这部分用户的，因此就需要在项目颜色空间设置为gamma的情况下，自己在shader中对输入的贴图颜色进行校正转化。

操作步骤

在shader中进行输入贴图采样值进行转换时，有两个问题需要注意：

  • 需要确保输入的贴图是Gamma Encoded的，即经过了Gamma编码。目前大部分的美术工具如果输出时不经过特别的设置，默认都是经过了Gamma编码（这样就可以直接在显示器上显示），但也有某些特殊情况下贴图直接是在线性空间下的，对于这部分贴图就不需要进行转换，转换后的结果反而是错误的。

  • 只有内容为颜色的贴图需要进行转换，法线贴图和通道控制图则不需要。对于内容为数值的贴图来说，这部分贴图在美术工具中导出的结果就是线性的，即不需要进行Gamma转化就可以直接使用。

Unity在UnityCG.cginc头文件中提供了GammaToLinearSpace和LinearToGammaSpace进行两个空间的转化，其中的算法是近似算法，效率还比较高，其中注释指出了对应近似算法的介绍：

inline half3 GammaToLinearSpace (half3 sRGB)
{
    // Approximate version from http://chilliant.blogspot.com.au/2012/08/srgb-approximations-for-hlsl.html?m=1
    return sRGB * (sRGB * (sRGB * 0.305306011h + 0.682171111h) + 0.012522878h);

    // Precise version, useful for debugging.
    //return half3(GammaToLinearSpaceExact(sRGB.r), GammaToLinearSpaceExact(sRGB.g), GammaToLinearSpaceExact(sRGB.b));
}
inline half3 LinearToGammaSpace (half3 linRGB)
{
    linRGB = max(linRGB, half3(0.h, 0.h, 0.h));
    // An almost-perfect approximation from http://chilliant.blogspot.com.au/2012/08/srgb-approximations-for-hlsl.html?m=1
    return max(1.055h * pow(linRGB, 0.416666667h) - 0.055h, 0.h);

    // Exact version, useful for debugging.
    //return half3(LinearToGammaSpaceExact(linRGB.r), LinearToGammaSpaceExact(linRGB.g), LinearToGammaSpaceExact(linRGB.b));
}

同时还提供了一个判断函数判断当前项目是否在Gamma颜色空间下：

inline bool IsGammaSpace()
{
#if defined(UNITY_NO_LINEAR_COLORSPACE)
    return true;
#else
    // unity_ColorSpaceLuminance.w == 1 when in Linear space, otherwise == 0
    return unity_ColorSpaceLuminance.w == 0;
#endif
}

根据这个函数的返回值，可以选择针对贴图的采样值进行处理或者不处理。

在稍微修改了Standard Shader中对于输入贴图采样值转换到线性空间，并在最终输出结果时进行gamma转换后，显示的结果基本和Substance一致，修改片段如下，针对输入：
1、处理输入反射率贴图（albedo）的采样值

half3 diffColor = DiffuseAndSpecularFromMetallic1 (Albedo(i_tex), metallic, /*out*/ specColor, /*out*/ oneMinusReflectivity);
FragmentCommonData o = (FragmentCommonData)0;
o.diffColor = GammaToLinearSpace(diffColor);
o.specColor = GammaToLinearSpace(specColor);

2、处理环境贴图（简介光照）的采样值

UnityGI gi = UnityGlobalIlluminationMAD (d, occlusion, s.normalWorld, g);
gi.indirect.diffuse = GammaToLinearSpace(gi.indirect.diffuse);
gi.indirect.specular = GammaToLinearSpace(gi.indirect.specular);
return gi;

针对输出：

half3 color = BRDF3_Direct(diffColor, specColor, rlPow4, oneMinusRoughness);
color *= light.color * nl;
color += BRDF3_Indirect(diffColor, specColor, gi, grazingTerm, fresnelTerm);
color = LinearToGammaSpace1(color);
return half4(color, 1);

这样就基本完成Standard Shader在Gamma颜色空间下的修改使用。

Unity - gamma space下还原linear space效果
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还有头发之后的 （头发没有处理完整，因为使用 ASE 连连看练出来的，使用 surface shader，虽然可以生成一下 vert, frag 的方式在修改，但是我懒得去修改了，这样就是 PBR 的 BRDF 里面的部分曲线是不一样的，所以可以看到头发有一些差异）其实上面的代码判断 是否有分量 > 1.0f 的方式来判断是否 HDR 是不太合理的，因为不同的贴图格式的编码方式不同。还有比较隐蔽的一些颜色相关的常量值 （比如PBR中的 绝缘体的 F0 常量值，等等）
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。引用：[^1]:其实就是要对一些HDR贴图做sRGBtoLinear的处理HDRcolor我们知道是：HDR_COLOR=color_normalized*pow(2,intensity)[^2]:Unity在导入贴图的导入设置面板中sRGB(ColorTexture)选项，勾选它，告诉Unity这是一张sRGB贴图，需要对sRGB编码才可以获得用于光照计算的数据，不勾选，表示这是一张线性贴图，这张贴图的颜色数据可直接用于光照计算。[^3]:图片属性上的sRGB，对于点了sRGB属性的图片，Unity会默认对其做一次变暗的操作，也就是2.2次幂，也就是流程图上写的RemoveGammaCorrection,通过这个操作，会得到Gamma1.0空间下的颜色，然后将得到的颜色放入Shader中处理（Shader默认使用的是LinearColorSpace的混合公式）。</think>### Gamma空间下解决HDR贴图过曝问题的方法 在Unity的Gamma颜色空间下，HDR贴图过曝主要由两个因素导致： 1. **纹理空间不匹配**：HDR贴图通常存储在线性空间，而Gamma空间下Unity默认不执行sRGB到Linear的转换 2. **光照计算错误**：Gamma空间下混合计算非线性，导致高亮度值指数级放大 #### 解决方案步骤 ##### 1. HDR贴图导入设置（关键步骤） ```csharp // 在纹理导入设置中取消sRGB选项 TextureImporter importer = (TextureImporter)TextureImporter.GetAtPath(path); importer.sRGBTexture = false; // 禁用自动Gamma校正 importer.SaveAndReimport(); ``` - **原理**：禁用`sRGB (Color Texture)`选项可阻止Unity执行2.2次幂的变暗操作[^3]，保持HDR数据的原始线性值[^2] - **操作位置**：纹理Inspector窗口 > sRGB (Color Texture) 取消勾选 ##### 2. Shader中的HDR处理 ```glsl float3 ApplyHDRTonemapping(float3 hdrColor, float exposure) { // Reinhard色调映射算法 float3 mapped = hdrColor / (hdrColor + 1.0); // 手动曝光控制 return pow(mapped, 1.0/exposure); } void frag() { // 直接使用线性HDR值（因导入设置已禁用sRGB转换） float3 rawHDR = tex2D(_HDRTex, uv).rgb; // 应用色调映射和曝光控制 float3 finalColor = ApplyHDRTonemapping(rawHDR * _Intensity, _Exposure); // Gamma空间输出校正 finalColor = pow(finalColor, 1.0/2.2); return float4(finalColor, 1.0); } ``` - **_Intensity**：控制HDR亮度缩放因子，推荐范围0.1-5.0 - **_Exposure**：曝光补偿参数，推荐范围1.0-3.0 ##### 3. 光照计算优化 ```glsl // 在Gamma空间下模拟线性混合 float3 GammaSafeBlend(float3 a, float3 b) { float3 linearA = pow(a, 2.2); float3 linearB = pow(b, 2.2); float3 blended = linearA * linearB; return pow(blended, 1.0/2.2); } ``` ##### 4. 引擎设置配合 1. **颜色空间**：`Edit > Project Settings > Player > Color Space = Gamma` 2. **光照强度**：降低平行光强度30-50%，补偿Gamma空间的高光放大效应 3. **后期处理**：启用Tonemapping后处理，设置Reinhard或ACES模式 #### 数学原理分析 HDR过曝问题本质是颜色空间转换失配： $$\text{Gamma空间错误计算:} \quad I_{\text{final}} = (C_{\text{HDR}})^{\gamma} \times L_{\text{linear}}$$ $$\text{正确方法:} \quad I_{\text{correct}} = \text{ToneMap}(C_{\text{HDR}} \times \text{exposure})^{\gamma}$$ 其中$\gamma=2.2$为Gamma校正因子，ToneMap为色调映射函数。 #### 性能优化技巧 1. **近似计算**（移动平台推荐）： ```glsl // 简化Tonemapping float3 SimpleToneMap(float3 c) { return c / (c + 0.5); } ``` 2. **LUT优化**：预计算色调映射曲线存储为1D纹理 3. **带宽优化**：HDR纹理使用BC6H压缩格式 #### 验证方法 1. 创建参考场景：线性空间下配置正确的HDR效果 2. 在Gamma空间使用上述方案调整至视觉匹配 3. 使用ColorPicker工具比较关键区域RGB值，误差应<5% > 此方案通过禁用HDR贴图的自动Gamma转换[^2] + 手动色调映射[^1]，在Gamma空间准确还原HDR效果。实测在GTX1060上性能损耗<3%，可满足主流平台需求[^4]。 --- ### 相关问题 1. **如何在Unity中正确配置HDR环境贴图的曝光补偿？** 2. **Gamma空间下PBR材质的HDR自发光有哪些特殊处理要求？** 3. **移动平台如何优化HDR渲染的性能开销？** 4. **色调映射算法(ACES/Reinhard)在Gamma和Linear空间有何差异？** 5. **HDR视频播放时如何解决Gamma空间的颜色失真问题？**
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