Gamma传说

Gamma校正对于图形和图像来说是个常提的概念，但对于gamma的缘由和使用方法，却存在着很多传说。本文将尽可能解析gamma校正来源，破解各种迷思。

Gamma校正从何而来

有一种常见的说法，gamma来源于眼睛对光感受。我也曾经错误地采用了这种说法。在wikipedia上查到了gamma的真正来源：

开发gamma编码是用来抵消阴极射线管（CRT）显示器的输入和输出特性。电子枪的电流，也就是光的亮度，与输入的正极电压的变化是非线性的。通过gamma压缩来改变输入信号抵消了这个非线性，因此输出图像就能有预期的亮度。

所以，gamma校正和人眼特性无关，仅仅和CRT有关。更新的显示方法，比如LCD和等离子之类，为了保证兼容，也都选择了和当年CRT一样的非线性特性。（其实和系统有关，Mac OS X 10.6就用的1.8，其他系统，包括电视，都用的2.2）

Gamma计算很简单，只是个power而已，也就是：

其中的γ就是用来校正的gamma值。

输入和输出

现在让我们来看看一个输入输出的例子。假设相机是线性的，显示器也是线性的，那么输入和输出的关系就是：

也就是通过相机拍照后，在显示器上看到的和真实场景的色彩一样。

可惜，现实是残酷的，显示器的gamma为2.2，所以如果相机仍然是线性的，那么结果就会变成：

这样在显示器上看到的就会有明显的色彩失真。解决方法是把相机的gamma设成1/2.2，这样两次调整之后又能得到真实场景的色彩了：

其实从这个过程也可以看出，gamma校正是为了在输入和输出的环节中保证能和真实场景一致，而眼睛不在这个环节中，所以和眼睛对亮度的感受没有直接关系了。

对渲染的意义

前面讲的输入是对相机拍的照片而言。而对渲染来说，情况又如何呢？渲染中用到的光照都是在线性空间的。因为在设计光照的时候都是认为1的亮度是0.5的2倍。光照如此，texture又如何呢？渲染中用到的 texture一般有两个来源，一个是照片，一个是artist手工画的。前文提到了，照片是gamma = 1/2.2的。一般图象处理软件也都是在gamma空间工作的，所以artist画的图一般也可以认为是gamma = 1/2.2的。所以，我们在pixel shader常可以见到这样的代码：

1
2

float4 diff = tex2D(diffuse_texture, uv);
return diff * max(0, dot(light_dir, normal));

这样的代码对吗？不对也对。

说其不对，是因为这里没显式地做gamma校正。做校正的话应该是这样的：

1
2

float4 diff = pow(tex2D(diffuse_texture, uv), 2.2f);
return pow(diff * max(0, dot(light_dir, normal)), 1 / 2.2f);

也就是说，gamma校正的过程就是把输入的texture都转换到线性空间，并把输出的调整到gamma = 1/2.2的空间。

说其对，是因为如果diffuse texture如果是sRGB格式的，那么再读取的时候硬件会把它自动转到线性空间。如果render target的texture也是sRGB格式的，在输出的时候硬件也会把它自动转到线性空间。所以，如果输入和输出纹理都是sRGB，那么原先那段shader就是正确的。对于不支持sRGB的老硬件，就必须自己做pow了。

除了渲染，另一个需要注意gamma的地方就是mipmap。如果原texture是gamma =1/2.2的，那么在建立mipmap chain的时候，每一层都必须和渲染一样，先转到线性空间，计算之后再转到gamma = 1/2.2的。否则，255和0混合得到的是51，而不是128。

总结

总之，计算都要发生在线性空间，所以输入和输出需要进行gamma校正。最佳选择是采用sRGB格式，这样pow是硬件内自动实现，速度更快，代码也简单。鉴于目前很多texture的数据是gamma = 1/2.2的，而纹理格式却被错误地标记成没有sRGB的，所以需要修改它们的格式标记，并重新建立mipmap。