GPU Gems 1 · Chapter 22. Color Controls

色彩校正不是渲染完成后的静态修图，而是把像素从一个可见的颜色关系映射到另一个关系。它可以把不同资产的色彩统一到同一场景，也可以制造褪色胶片、交叉冲洗、红外和游戏 UI 的风格。关键是把艺术家熟悉的控制，转换成 pixel shader 能稳定执行的资源。

color correction 的共同接口是逐像素输入和逐像素输出。输入可以来自 2D 纹理、3D 场景的 back buffer 或中间 render target；输出通常在 pixel shader 中完成，因此可以实时作用于完整画面。

1. 逐通道控制：Levels 先建立可解释的基线

Levels 用少量参数描述每个通道的输入输出范围。将输入归一化后，可以先把 inBlack 到 inWhite 映射到零到一，再施加 gamma，最后恢复到目标输出范围：

float LevelChannel(float value, float inBlack, float inWhite, float gamma,
                   float outBlack, float outWhite) {
  float normalized = saturate((value - inBlack) / max(inWhite - inBlack, 0.0001));
  float shaped = pow(normalized, gamma);
  return lerp(outBlack, outWhite, shaped);
}

这里把颜色先放到零到一的 shader 表示；若工具以零到二百五十五的整数工作，就在 CPU 端预先归一化参数，避免每个像素重复做无意义的缩放。gamma 不同于黑白点：若三个通道的 gamma 不同，就不能把所有幂运算合并成一个共享标量，必须保留三条通道路径。

Levels 适合做曝光、对比度和动态范围的基础调整。它也适合作为资产校验的第一层：给输入 ramp，检查黑点是否真的变黑、白点是否真的到达目标、gamma 是否只改变曲线而没有偷偷改变端点。

2. Curves 与一维查找纹理：把艺术操作变成数据

1D lookup texture 是 Curves 的运行时表示。Curves 工具可以让艺术家绘制任意的输入到输出关系；shader 不必重现 spline，而是读取这条已经烘焙好的 ramp。通常准备一张一乘二百五十六的 RGB 图：黑到白的初始 ramp 经过 Curves 调整后，R、G、B 三个分量分别成为三个通道的映射。

float3 inputColor = tex2D(inSampler, IN.UV).xyz;
float3 outputColor;
outputColor.r = tex1D(colorCorrMap, inputColor.r).r;
outputColor.g = tex1D(colorCorrMap, inputColor.g).g;
outputColor.b = tex1D(colorCorrMap, inputColor.b).b;
return float4(outputColor, 1.0);

查表的工程契约需要明确纹理格式、寻址模式、采样过滤和颜色空间。对于连续的颜色映射，线性过滤能在相邻 texel 之间插值；对于需要精确分段的风格化 map，则应验证过滤不会制造不想要的中间色。工具导出的 ramp 还要和运行时读取的通道顺序一致。

3. 通道混合：灰度、矩阵与三维映射

当输出通道依赖多个输入通道时，逐通道一维 map 不再够用。color-space conversion 可以用每个输出通道一个 dot product 表示；把三个 dot product 放在一起，就是一个三乘三矩阵乘法。

灰度是最小的例子。按照官方章节给出的 Rec 709 权重，可以写成：

float grayscale = dot(float3(0.222, 0.707, 0.071), inputColor);
float3 grayColor = float3(grayscale, grayscale, grayscale);

权重总和为一，通常能保持整体能量尺度，但它也意味着纯蓝可能被压到很暗的灰度。游戏风格不一定要服从这个默认结果，因此应把权重作为显式艺术参数，而不是把它藏在 shader 常量里。

3D color map 能表达最一般的 RGB 到 RGB 映射：

float3 outputColor = tex3D(colorSpaceSampler, inputColor);

代价是三维纹理的内存、滤波和制作管线。若转换关系是线性的，优先把它写成三乘三矩阵：

float3x3 conversionMatrix;
float3 outputColor = mul(conversionMatrix, inputColor);

矩阵不仅可以表达 RGB 到其他工业色彩空间，也可以表达饱和度、亮度和色轮旋转等控制。将多个线性操作预先在 CPU 端串接，可以减少 shader 中的中间值和纹理访问；但要记录矩阵乘法顺序，因为矩阵通常不满足交换律。

4. 运行时控制与验证策略

艺术家需要看到参数改变后的完整画面，程序员则需要知道每个参数改变的是哪条通道。建议把控制分成三层：先用 Levels 处理输入范围，再用一维 map 处理风格化的 per-channel remap，最后用 dot product 或矩阵执行需要通道混合的操作。若要做 grayscale，就在混合阶段明确写出权重；若要做 3D map，就将其视为独立资源并记录版本。

实验中的示意像素不是完整色彩管理系统，但它能暴露三个高频错误：黑白点反转造成所有输出饱和，gamma 方向写反造成中间调过亮或过暗，以及 saturation 与 grayscale 顺序不清造成预览和 shader 不一致。发布前至少用黑、白、灰、纯红、纯绿、纯蓝和一条灰阶 ramp 验证，并在目标 framebuffer 的颜色空间中重复检查。

小结：把艺术控制编码成可验证的像素映射

• color correction 先区分逐通道 remap 与通道混合，再选择 shader 公式或纹理资源。
• Levels 用黑白点和 gamma 提供可解释的动态范围控制；Curves 更自由，适合烘焙到一维 lookup texture。
• 灰度可用加权 dot product；线性的色彩空间转换可用三乘三矩阵；任意 RGB 到 RGB 关系才值得考虑 3D color map。
• 运行时必须记录颜色空间、采样过滤、通道顺序和操作顺序，并用极端颜色与灰阶 ramp 回归。