Gamma correction and Linear workfkow 伽瑪校正與線性

工作流程

VRay算出來的效果圖

譯者序:

上圖左是用不正確的Gamma算出來的效果圖,右圖是在正確的Gamma環(huán)境調(diào)出的結(jié)果. VRay在預設(shè)的狀況很容易算出艷麗飽和的色調(diào) 這樣的色 調(diào)跟mental ray的細緻的清色調(diào)有很大的差別. 其實色調(diào)感的關(guān)鍵是gamma, 反而不是渲染器本身.

伽瑪(Gamma)是舊時代的產(chǎn)物 由於當時CRT螢幕輸入一單位電壓並不會產(chǎn)生等量的亮度(非線性) 所以為了正確顯示畫面 就刻意產(chǎn)生一個曲線關(guān) 係(輸入與輸入) 讓最終輸出的影像為線性影像. 即使是現(xiàn)代 能夠製造出線性反應的螢幕(例如液晶) 這種現(xiàn)象仍然深深的影響影像處理 不管是後至 合成調(diào)色 或是3D算圖渲染.

過去因為數(shù)位相機拍攝的影像因為一定會放在螢幕上觀看 而數(shù)位相機發(fā)展的年代 當時仍然是CRT 所以數(shù)位相機會自動在照片中內(nèi)嵌Gamma的 資訊 讓照片能正常地顯示在CRT螢幕. 然而到現(xiàn)代這反而成為一個大問題 因為所有渲染引擎VRay, mental ray, Finalrender, Maxwell,..都是以線 性環(huán)境來計算物體與光的反應 所以如果輸入一個帶有Gamma資訊的貼圖 會造成輸出影像的錯誤（誤差） 甚至產(chǎn)生某種色彩調(diào)性（比方說VRay

似乎比mental ray更艷麗)的誤解.

mental ray算出來的效果圖

這裡翻譯了幾篇不同來源的文章， 可以把趁機會把觀念搞懂 因為線性工作流程（linear workflow)是未來的趨勢. 當浮點運算（16或32bit)的後 製剪輯軟體變成主流時 每個專業(yè)領(lǐng)域的人每天都會與LDR, HDR, Gamma這些東西搏鬥.

這是Autodesk 3ds max 2010 Help裡面的說明圖 這個流程幾乎把所有觀念都講到了, 關(guān)鍵在於在你餵給算圖器（renderer)圖檔之前 一定要把

圖檔改為線性資料 這時圖檔就能夠在算圖器這個黑盒子中以正確的數(shù)學式計算結(jié)果 最後在輸出的時候即使結(jié)果是正確的 你沒有調(diào)整到跟螢幕相 對的gamma值 那也會看起來是錯的影像！

---以下文章翻譯自MY MENTAL RAY 網(wǎng)站---

標題: Gamma

伽瑪校正（Gamma correction）是一個經(jīng)常被誤解的觀念。簡單來說，伽瑪描述了相機或螢幕的非線性反應的現(xiàn)象。當一個相機（模擬或數(shù) 字）接收到兩倍的光源時，相機並不會把這個資料存成兩倍的RGB數(shù)值。有很多原因為什麼相機的記錄系統(tǒng)會有這種記錄方式----這種現(xiàn)象稱為 伽瑪。其中一個原因是顯示器感光本身的問題，例如底片具有非線性的感光曲線，另外CRT螢幕也有同樣問題：像素的亮度跟輸入的電壓強度並 不是呈現(xiàn)線性關(guān)係。

另外一個原因，因為人眼對於黑暗中的細節(jié)比明亮中的細節(jié)還要更敏感（人眼的感光曲線其實是對數(shù)曲線，稱為Weber-Fechner定律）所以人 眼視覺是以非線性的方式記錄訊號的。而現(xiàn)代液晶顯示器(TFT)本身雖然沒有先天上的伽瑪問題, 但是為了要迎合傳統(tǒng)的工作流程 TFT螢幕會刻意 模擬出伽瑪?shù)男Ч?/p>

建議讀者也可以讀讀這篇關(guān)於線性色彩空間 你就會知道位何在處理HDRI資料時伽瑪校正的重要性。如果你仍然不明白正確處理伽瑪是很重要 的，請繼續(xù)往下讀。

伽瑪?shù)幕居^念(Gamma 101)

1. 所有的螢幕都有非線性的輸出輸入反應。這是故意的.

2. 大多數(shù)的2D軟體都會以線性的顏色模型來處理，所以它假定，255數(shù)值的亮度是128數(shù)值的兩倍。但由於顯示器對於訊號的輸出輸入是非 線性的，所以產(chǎn)生的亮度會是不正確的。事實上，大多數(shù)螢幕（gamma=2.2），如果你想要顯示出255數(shù)值亮度的50％亮度的話 那你就 必須要輸入（0.5 ^（1/2.2））* 255 = 186的數(shù)值。如果你不考慮gamma的問題 輸入128數(shù)值 就只會產(chǎn)生大約（128/255）^ 2.2 = 22％

的亮度。

3. 數(shù)位相機基本上具有線性的輸出入效果，但因為通常我們會在電腦螢幕上面看拍出來的照片，所以數(shù)位相機會故意在照片裡面嵌入 gamma。 （所以。JPG格式是帶有g(shù)amma的，但是RAW的格式是即線性資料，當你把RAW檔轉(zhuǎn)成JPG格式時就會產(chǎn)生非線性的照片了）

4. 因此，如果你用2D軟體去開你照片拍出的jpg圖檔時，您必須要把gamma補償回來(去gamma)。

5. 如果你的圖片是在2D軟體產(chǎn)生的(基本上這張圖是線性的)，當你把這張照片顯示在帶伽瑪?shù)奈災?nbsp;你也要做gamma補償。

更多關(guān)於伽瑪

 Gamma不是bug，它是一個功能，因為人的眼睛對光線的亮度具有非線性的感光反應。如果你每個顏色只有8 bit來記錄顏色資料， 很重要地利用這8 bit正確地重現(xiàn)人眼的感光效果很重要 它必須要是非線性的編碼方式。即使是新一點的螢幕仍然有伽瑪：同常顯卡 會用8位元來處理每種顏色避免色帶問題，這8位元必須每個強度看起來間距是等距的。螢幕的廠商有能力製造線性反應曲線的螢 幕，但如果你用8位元來顯示圖片，效果會很糟。

 現(xiàn)今大多數(shù)電腦螢幕都以sRGB的標準來顯示，也就是伽馬2.2。

 大多數(shù)數(shù)位相機也以sRGB紀錄相片。如果是掃描進來的圖或是合成圖像就不會帶有伽馬2.2。

 幾乎所有的浮點紀錄HDR資料是線性的，即與伽瑪為1.0。

 對於圖片而言，“伽馬”代表了強度是如何被記錄的。換句話說：圖檔的gamma是為了要讓圖片在螢幕上能正確地顯示出來。

 有些圖片會帶有g(shù)amma的標籤，但這是不可靠的，因為很多繪圖軟體會忽略這個標籤。因此，要正確知道圖檔的gamma數(shù)值並不 容易。

 如果您的螢幕有2.2的伽瑪而顯示的圖片看起來有很正常，那該圖片可能本身就帶有伽瑪2.2。

 3D算圖引擎會假定光線是以線性的模式來記錄。所以，你丟給算圖引擎任何不是線性紀錄的圖檔(帶有g(shù)amma)，嚴格說起來這個圖 檔呈現(xiàn)出的效果是錯誤的（儘管它可能仍然好看）。

 請注意，NVIDIA顯卡驅(qū)動程式把gamma複雜性隱藏起來，當你在NVIDIA控制面板中看到：“1.0”，其實就代表是伽瑪2.2。因 此，“NVIDIA公司的γ= 1.0”，其實是標準的sRGB伽瑪2.2

什麼時候忽略gamma問題時會產(chǎn)生恐怖的錯誤

基本上當你要去編輯像素混合時就會有差。例如：

 反鋸齒，特別是在做wireframe渲染或是渲染有高對比的影像

 縮小圖片。所以，高對比度的影像，會產(chǎn)生更明顯的錯誤

 半透明物體

Gamma in 3ds Max

在Preferences選單中可以控制伽瑪。基本上有三個伽瑪值可以調(diào)：

 顯示描述了您顯示器的  gamma 通常，這個會設(shè)定成2.2。

 當讀取貼圖時自動載入Gamma。這個功能能把圖片線性化(譯注:去gamma)。通常，這個有設(shè)定為2.2。 注意：如果您打開一張圖 檔，這張圖檔嵌入伽瑪資訊，3ds Max會套用固定的gamma數(shù)值，而不是用你圖檔的gamma數(shù)值！當然你可以改變這個設(shè)定 當你 開啟圖檔的時候。

 輸出伽馬會處理當你儲存圖檔時。這數(shù)值應該是1.0，如果你要儲存線性浮點圖檔格式。如果你只是希望這張圖檔再螢幕顯示，那就 用2.2吧。

當您打開一張bitmap圖檔 而這張圖檔內(nèi)嵌gamma，當你開啟圖檔時 你可以選擇是要套用通用gamma數(shù)值 還是要讀取圖檔的gamma。有一點

很重要的是 bump 或 displacement貼圖你gamma一定要設(shè)定為1.0 因為這些是線性資料！

請注意，一些舊的3ds Max算法已調(diào)整為“好看”不伽瑪校正，並因此將看起來很有趣，如果你正確的伽瑪。

render farm會遇到的伽瑪問題

 當你的render slaves(算圖奴工)不認識你送出的max場景檔裡面的gamma資料時 算圖就會出現(xiàn)問題 所以 你可以在每臺算圖奴工中 設(shè)定respect the gamma state 這樣當讀到max場景檔時就會自動載入gamma。

 在3ds Max 2009當中使用分散式算圖Distributed Bucket Rendering (DBR)會有某個bug, 他會強制載入固定的nput Gamma. 這是 因為分散式算圖會自動啟動mr Map Manager 它會忽略"per bitmap" gamma的設(shè)定, 所以 當你在場景中有使用HDR檔案 HDR會受 到gamma=2.2影響 所以最後會產(chǎn)生太暗的影像 目前解決的辦法是將global input gamma設(shè)為1.0 然後使用mr's "Utility Gamma/Gain" shader把貼圖去gamma.

伽瑪常被誤解的觀念

錯誤觀念: 我已經(jīng)校正螢幕了-所以我不需要管gamma

錯。當你校正完螢幕，通常代表你校準到標準的sRGB曲線，通常會是伽瑪2.2。當你的螢幕做過校正，這表示你的所有圖檔都必須要做伽瑪2.2 的補償

錯誤觀念: 我的數(shù)位相機會記錄“線性”的照片

有可能 你如果是用RAW檔來存檔的話 它是線性格式?jīng)]錯。但當你把RAW檔轉(zhuǎn)成JPG格式時就會自動套用gamma，通常這個數(shù)值是2.2

---以下文章翻譯自MY MENTAL RAY 網(wǎng)站---

作者是: Zap Anderson (mental ray作者之一)

標題: 為何算圖整個都過曝?

答案是：在你設(shè)定正確的色彩空間之前 算出來的圖很容易過曝

 你之前設(shè)定過的場景都是錯的.

 你之前算過的圖都是錯的.

 你以前輸入的(材質(zhì) 燈光)都是錯的.

幾年前，所有的材質(zhì)shader都是用錯誤的色彩空間在做計算。常見的問題包括，當使用燈光衰減 接近燈光的地方或過亮（因此有任會避免是用 燈光衰減）在高光的邊界的地方出現(xiàn)醜陋的過亮問題，就好像2 +2 = 10的效果）

由於這一點，很多人會用某些秘技來解決此問題。方法是把高光與diffuse做單純的add混色 （像photoshop那樣），或只要diffuse強度 。

所有這些技巧是錯的，但最後的效果看啟示真實的，即使這時候的gamma=1。

可悲的是，很多人就是因為這樣反而看慣了不正確的gamma算出來的效果。

請看這兩張CG圖（一個是用Mentalray算的 另外一個是用finalrender算的）。Mentalray的效果是把tonemapper的作用法揮到極致（把過亮 的部位去飽和度 增加視覺美感），而finalrender算出來的是難看的gamma=1結(jié)果。

你可能會認為finalrender的效果才是正確的 但事實並非如此。你可以看到finalrender把反射算的太亮 產(chǎn)生不真實的感覺。

現(xiàn)在的問題是，當您轉(zhuǎn)換到正確的色彩空間（finalrender或Mentalray），你輸入的圖檔是錯的 出來的結(jié)果當然也是錯的。

請看這篇 關(guān)於XSI 解釋的很清楚

重點是，當你在最後套用伽瑪校正，這就表示你接下來做的每件事也要考慮到伽瑪。

顏色不會因為某些錯誤而看起來過亮。顏色之所以會看起來過量是因為你把整個環(huán)境弄的過亮....或者因為你將gamma=1的顏色顯示在gamma 2.2的螢幕所以結(jié)果反而讓顏色不會過亮！

例如 你看到所有未校正的顏色都是錯的 。他不會是最後會顯示的顏色。

貼圖也有一樣的問題，如果你有一張gamma 1.0的貼圖透過gamma 2.2的螢幕來看 但是看起來卻是正確的顏色 為何呢？ 因為其實每張圖片有 史以來 都會把伽瑪數(shù)值燒到圖片裡面。所以這意味著...這些圖片通通都錯了（...在這樣的歷史原因下。我們可以理解為何要把伽瑪數(shù)值燒到圖片 裡面，因為這樣的圖片放到當時的CRT螢幕 反而會讓我們認為這張圖片顯示是正確的！）

是的，每一張再看到的數(shù)位相機拍出來的照片，你在網(wǎng)上看到，都是錯的（在以上的觀念下）。

錯。所有的圖片都錯了。

那又是為什麼這些圖看起來是正確的呢? 因為你以錯誤的gamma去算圖 然後以錯誤的gamma螢幕來觀看。因此，儘管你最終的貼圖看起來 是“正確的”，但是所有的計算式 “光學的計算”過程都是錯誤的。

某些算圖軟體具有色彩校正的功能，當它讀入圖檔的時候 它會自動去gamma（un-gammaed）產(chǎn)生現(xiàn)性色彩空間的貼圖 每套算圖引擎的這類 功能不太一樣 很不幸的是某些的作用不正確 某些有bug。

因此，最好的辦法是自己做顏色校正的節(jié)點轉(zhuǎn)換。

mia_exposure_simple就是這樣的節(jié)點，它是一種簡單tonemapper。 （它其實只具有亮度/對比度/伽馬控制工具 外加過亮區(qū)域的壓縮功能 避 免clip現(xiàn)象;））

要知道，當你做了伽瑪校正後 你就會改變原本圖片的紅，綠，藍通道的權(quán)重，這就相當於改變了顏色的飽和度。 所以你一開始的時候就必須輸入正確的顏色。

過亮(Overbrights )

tonemappers的最重要工作就是要處理過亮問題。 mia_exposure_simple使用一個簡單的壓縮演算法，把顏色推到'門檻'以上，直到把它漸漸 地clip成純白，否則它會直接頂?shù)郊儼咨兂呻y看的硬clip。

這個方法很重要，其實在底片，數(shù)位相機，CCD中也是這樣處理地。

用老的shader，specular highlights很容易就爆光，看起來很難看 由於hard-clipping色彩通道的關(guān)係。

這會讓調(diào)顏色的人會把顏色條的太弱（相對於真實的物理強度），因為即使是最“弱”的數(shù)值相加起來 也會很容易過曝 為什麼？因為這些顏色 的加法是建立在非線性的色彩空間

請想想如果“2 +2”不等於“4”，而是“10”！

因此，如果“2 +2 = 10”，你希望效果看起來是“4”（因為你眼睛認為看起來正確），透過試誤法 你發(fā)現(xiàn)"2+0.5"的結(jié)果看起來像 “4”，所 以原本正確應該要用2，你改用0.5 然後你就對這樣的結(jié)果滿意。

但是當你把最後的結(jié)果，放到正確的tone operator（甚至只使用老式正確伽瑪），它的結(jié)果還是會看起來像“2.5”而不是“4”。

這就是為什麼很多人會投降 說gamma真是個爛東西 我以前沒用gamma算圖都不會有這種錯誤，幹！放棄gamma！

而真正的錯誤是你的specular highlight數(shù)值太小的。

mia_material能夠正確地處理這類問題的，你會發(fā)現(xiàn)，如果你在用它的時候沒有使用伽瑪校正或tonemapping，你會發(fā)現(xiàn)最後的highlights太 亮。這是因為shader本身是正確的 但是你觀看它的方式是錯的。

根據(jù)物理的算圖是很困難的，主要是因為有很多根深蒂固錯誤流程 還有軟體本身的錯誤。

很多人誤以為Maxwell 是神奇的渲染器，而且遠遠優(yōu)於mental ray，其實原因很簡單這類渲染器一開始的時候就是以physical rendering的流程 來寫的，它並沒有陳舊的軟體包袱 與錯誤的流程要煩惱。

Maxwell可以讓所有的顏色正確顯示，然後自動修正所有輸入的圖檔，因為算圖引擎確定最終的輸出方式一定是以物理正確的色彩環(huán)境來顯示， 透過physical tone mapper來與螢幕觀看！

---以下文章翻譯自http://3dlight.blogspot.com ---

作者是：Andrew Weidenhammer

標題: 線性工作流程介紹(Linear Workflow Introduction)

讓我們開始談?wù)劸€性色彩工作流程吧。

你可能已經(jīng)知道什麼是線性工作流程，但對於那些來不懂的 以下是簡短解釋：

線性工作流程是因為你算圖器本身就是以浮點 （線性）空間來運算的。它會產(chǎn)生8-bit的輸出，而這個圖檔會加入gamma 為了要在螢幕上顯 示。真是可惜阿。本來浮點的圖片對於後製合成是很方便的 卻在輸出的時候轉(zhuǎn)成8-bit。

如果你不了解8-bit, 與32-bit（浮點）圖片的差別，或是螢幕的gamma，那你可能要先爬文。有些好書我可以推薦你讀。The HDRI Handbook 這本寫的很不錯，我高度推薦。網(wǎng)路上也有很多關(guān)於hdri的資料，hdri在計算機圖形學中，就是利用線性工作流程的概念。了解hdri，你就會更 了解線性工作流程。

你可能認為線性工作流程有什麼大不了，因為你已經(jīng)利用8-bit的方式算出好多年的美麗圖檔。其實只主要的差別，我想 可以歸結(jié)為以下：

1。物理正確性 你可以以真實的單位來創(chuàng)建場景，例如使用真實的燭光亮度。

2。真實光照 這說來話長，但在CG燈長久以來是以線性衰減來欺騙觀眾，或是根本就沒有衰減。這是因為燈光的線性衰減並沒有套用正確的伽瑪。這就是為 什麼我們的CG前輩phong與 blinn要去研究光線是如何反應的 利用shader模擬光線效果。我們必須跨出歷史 進化到使用物理精確的材質(zhì)。這就 是為什麼現(xiàn)在有這麼多MR (architectural) shaders。它們都是針對物理精確線性流程來設(shè)計的。

3。後製的可調(diào)性大增 32位元浮點或16位元浮點有能力應付龐大的色彩和曝光調(diào)整。當你使用真實浮點的後製軟體如Fusion，大多數(shù)的濾鏡都能真實的產(chǎn)生效果。運 動模糊效果，光暈，會表現(xiàn)的更真實與自然。

---以下文章翻譯自http://www.creativecrash.com 網(wǎng)站---

作者是 throb

你有沒有想過，為什麼你的GI算圖結(jié)果如此黑暗？那麼，事實上，其實結(jié)果不是這麼深。問題在於顯示設(shè)備（CRT或LCD）及該軟件是沒有作出 調(diào)整的伽瑪是把我們的顯示圖像。這是伽瑪明確要求sRGB。技術(shù)信息sRGB可在該網(wǎng)站上。

讓我們看一下顯示器會如何顯示你輸入的圖檔。這是非線性顯示器。虛線是你輸入的圖檔資料 實線是螢幕根據(jù)輸入的強度所輸出的強度 因為這 條實線是直線所以這個螢幕是正確地顯示。

要知道 這個螢幕校正並不是跟底片有關(guān)。事實上，這跟底片沒什麼關(guān)係。它本質(zhì)上是為了要校正螢幕。

好了，現(xiàn)在我們來看怎樣解決這個問題。是的，這是一個問題：）嗯，朋友，我們只要再套用另外一條反向的曲線，就可以把原本的曲線變成 直線了（線性化）。你看到這次實線因為我們套用的曲線而變直了。

再解釋一下，... sRGB是繪圖軟體對螢幕的校正。數(shù)位相機會對你的照片套用sRGB 但是你不會察覺這件事. 所以當你利用此照片在真正的線性工 作環(huán)境中時 事實上你的操作可能會比真實世界的光線反應還要更劇烈一點。我用以下的漸層圖來說明

這是一張漸層圖 圖中是個0到1的數(shù)值 共有32階。請注意0.5數(shù)值正好在中間。這張是你輸入到螢幕的圖檔。這是一個線性圖檔！

這是你的顯示器顯示出來的樣子。在0.5的位置顯然不是在中間了。這代表螢幕是非線性的。

這是校正後的影像 沒錯 看起來比較亮了 但是這個校正讓你播放在非線性的螢幕上時 圖片顯示的是線性的 以上說明希望讀者能明白

我們再舉一個例子。

這裡有兩張圖。再中間的灰色具有0.18的數(shù)值（中間灰色點）。左邊是以sRGB編碼 右邊透過sRGB螢幕校正的影像。這會讓灰色變成.46的數(shù) 值。

Gamma編碼的圖形會導致灰階的細節(jié)消失

線性圖形會保有細節(jié)

讓我們將以上觀念以3D軟體進行實戰(zhàn)吧：3DS Max 7.0與VRay的1.46

以上是我們算第一張的結(jié)果：

現(xiàn)在，我們必須將這張圖線性化，如果我們希望畫面更逼真。

首先到Customize -> Preferences -> Gamma tab 將數(shù)值改變

這樣我們才能在材質(zhì)編輯器看到正確數(shù)值。

 Brazil的用戶，你就快完成了 接下一步吧。

 Mental Ray的用戶 到這裡算是完成了！你本來就是用線性方法在算圖。

 Scanline render用戶-到這裡算是完成了。以後的操作都是線性流程了。

(譯者註:VRay的部份 就請直接這個網(wǎng)站的參考圖片 文字內(nèi)容不翻譯了)