GPU Gems 3 · Chapter 24. The Importance of Being Linear

先问：为什么同一个数字不一定代表同样多的光

想象两把刻度看起来一样的尺子：一把每一格都代表相同的长度，另一把把更多刻度挤在起点附近。你拿第二把尺子做加法，结果看似整齐，实际距离却会越来越不对。

数字图像也有类似问题：保存和显示时为了适应人的眼睛，常把中间明暗重新编码。若把这种“显示刻度”直接拿去做光照、混合或缩小，画面会变暗、颜色会漂移，远处的纹理还会忽明忽暗。

本章给出一条稳定边界：颜色进入计算前先还原，所有光照和过滤在同一把“真实光强刻度”上完成，最后一步才重新编码给屏幕。

1. 先把三种工作分开

在一条完整的图像链路中，保存图片、进行光照和送到显示器是三件不同的工作。图片文件常使用方便观看的编码，着色器却假设输入是可做加法的光强；显示器又会把写出的数值按自己的响应曲线变成光。

因此不要把“看起来像一半亮”的数值当作“发出一半的光”。正确的管线是：输入颜色先解码到线性空间，shader 在线性空间中做加法、乘法与过滤，最终结果只在显示边界编码一次。

2. gamma 是显示刻度的弯曲程度

数学上可以把显示近似成 light = code^gamma。所以编码值 0.5 并不等于光强 0.5；黑和白仍在两端不动，最容易出错的是中间调。反向过程就是在显示前使用 code = light^(1/gamma)，让显示器的响应把它抵消回来。

3. 颜色纹理要在读取处回到线性

JPEG、照片和许多美术颜色贴图通常是为普通显示器预先编码的。它们直接显示看起来正常，但若 shader 把它们当作线性反射率，就会在乘灯光时把颜色比例改变。明暗变化越大，偏色越明显。

把纹理声明为 sRGB 格式，读取时让硬件完成逆变换；这比每次采样后手写 pow(color, gamma) 更不容易漏掉过滤顺序。若资源本来就是线性的 HDR、法线或高度数据，就不要再走颜色解码。

4. 过滤和 mipmap 也必须在线性光上做

缩小纹理看起来只是取平均，但平均的是光还是显示刻度，结果完全不同。黑白各占一半时，线性光的平均确实是 0.5；如果先把两个非线性编码值直接平均，得到的 0.5 会被显示成远低于一半的光，边缘因此过暗。

这也是为什么“我已经离线生成过 mipmap”仍可能出错：GPU 在运行时会在相邻 mip 之间过滤和混合，如果这些 mip 或采样值仍处于非线性空间，LOD 切换时就会出现亮度脉动。先解码、在线性空间生成和过滤、最后才编码，才能让距离变化稳定。

5. 最后一个输出边界才做显示编码

如果 shader 已经在线性空间算完结果，最后写入 sRGB framebuffer 可以让硬件负责输出编码；支持正确混合的实现会在混合前把已有 RGB 还原到线性空间，混合完成后再编码。这样不会把“显示刻度”当成光强相加。

没有 sRGB 帧缓冲时，可以在最终输出处使用 pow(linearColor, 1.0 / gamma)。但不要在中间后处理 pass 就编码：后面的模糊、叠加、色调映射仍然需要线性输入，否则每个 pass 都会重复制造误差。

// WebGL2-style pseudocode: color texture enters linear math.
vec3 diffuseLinear = pow(texture(uDiffuse, uv).rgb, vec3(uGamma));
vec3 shadedLinear = diffuseLinear * lightContribution;
outColor = vec4(shadedLinear, texture(uDiffuse, uv).a);

这段伪代码表达的是边界，而不是鼓励每个采样都手写指数：实际项目优先用 sRGB 纹理格式，让采样、过滤和缓存路径保持一致。

6. alpha 不代表光，不能一起变换

alpha 描述的是“这个样本覆盖了多少”，不是“它发出了多少光”。同理，法线、粗糙度、金属度、位移和高度等通道也表达方向、比例或几何数据。它们通常已经是线性的，重复做 gamma 会破坏插值与合成。

把颜色与数据通道分开管理，是比“整张 RGBA 一起 pow”更可靠的工程边界：RGB 在颜色格式边界转换，alpha 继续参与线性覆盖率计算，最终显示编码只作用于颜色。

动手走一遍：从输入到显示

小结

• 颜色输入与显示输出可以是非线性编码，shader 的光照与合成应在线性空间完成。
• gamma 描述编码值到显示光强的弯曲关系，中间灰最容易暴露错误。
• sRGB texture 在读取时解码，sRGB framebuffer 在最终写入时编码。
• mipmap、过滤和混合都要平均与相加线性光，而不是直接平均显示值。
• alpha、法线、高度等数据通道保持线性，不能跟 RGB 一起 gamma 变换。

练习