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Gamma Correct
Gamma校正的核心原因
人眼对暗部的感知能力远强于亮部。计算机颜色仅有256个色阶，若亮色与暗色数值均匀分布，会出现明显精度分配问题：亮色部分精度过剩、暗色部分精度严重不足，暗部色彩过渡断层、细节丢失。
Gamma校正通过数值映射优化色阶分布：将原颜色值 0-0.5 的区间扩展至 0-0.73，同时将大于 0.5 的亮部区间压缩至原有一半左右。在不增加数据量、不占用额外显存的前提下，大幅提升人眼敏感的暗部颜色可辨识精度，贴合人眼视觉特性。
Gamma值固定为2.2的原因与sRGB空间
老式CRT阴极射线管显示器的输入亮度与屏幕实际输出亮度呈指数幂次关系，默认指数为2.2。简单来说：显示器会对输入图像的亮度执行 pow(2.2) 运算后再输出画面。
为抵消显示器的幂次失真，图像存储阶段会预先做一次 pow(1/2.2) 伽马校正。图像输出时，两次幂次运算相互抵消，最终画面呈现线性、真实的亮度效果。
因此伽马校正指数需与显示器指数互为倒数。2.2是绝大多数显示器的通用Gamma值，基于gamma=2.2 校准的颜色空间，即为sRGB颜色空间（线性图像经 pow(1/2.2) 转换得到的非线性空间）。
不做Gamma校正的渲染缺陷
计算机图形学的所有光照、混合、插值算法，均基于线性颜色空间计算。 日常读取的图片素材、纹理资源，默认是适配显示器输出的Gamma非线性空间。若直接在非线性Gamma空间中执行光照渲染、颜色运算，会出现亮度偏差、光照失真、色彩不准确等错误效果。
Gamma校正的实现
Gamma校正的核心原则：仅在渲染最后一步执行，将线性空间转为非线性输出空间。若提前校正，后续所有渲染运算都会基于错误的非线性颜色值计算，结果全部失真。
两种实现方式
方式一：使用OpenGL内建sRGB帧缓冲 多帧缓冲渲染场景中，可灵活控制校正时机：多个帧缓冲之间的中间渲染结果，可始终保留在线性空间，仅对最终输出至显示器的帧缓冲开启sRGB校正，避免中间计算失真。 方式二：片元着色器手动校正 需在每一个参与最终输出的片元着色器最后一步执行Gamma校正。若场景存在多个物体、多个自定义片段着色器，需要逐个添加校正代码，操作繁琐且易遗漏。 最优简化方案：新增全局后处理阶段，统一在后处理绘制的四边形着色器中执行一次Gamma校正，全局生效，无需修改各个物体着色器。
sRGB纹理
sRGB纹理是贴合人眼视觉特性的纹理格式，也是美工编辑贴图的常用空间。这类纹理的亮度值，已经预先执行过一次 pow(1/2.2) 伽马校正。
若直接将sRGB纹理当作线性纹理使用，会出现双重校正问题：光照计算基于非线性数值出错，且最终渲染输出会再次执行一次Gamma校正，导致纹理画面整体过亮、严重失真。
解决方案
方案一：要求美工在线性空间内制作纹理素材；
方案二：纹理参与渲染计算前，手动执行 pow(2.2)，将sRGB非线性纹理还原为线性空间纹理。
手动逐纹理转换繁琐低效，OpenGL提供原生支持：创建纹理时直接声明为 sRGB 或sRGB_ALPHA 格式，GPU会自动将纹理像素值校正为线性空间，无需手动处理。
sRGB与非sRGB纹理
并非所有纹理都适配sRGB格式，强行转换会导致纹理数据损坏、渲染异常。
sRGB空间纹理（存储颜色信息）
漫反射颜色贴图、镜面反射颜色贴图、自发光颜色贴图等，用于记录色彩、亮度的视觉类贴图。
非sRGB空间纹理（存储数值信息）
法线贴图、高度图、金属度粗糙度图、光照贴图等，用于渲染计算、存储数学数值的功能性贴图，严禁做Gamma校正转换。
Gamma校正对光照衰减的影响
光照衰减分为两种常用公式，Gamma校正会彻底改变两者的视觉表现：
两种衰减公式
- 二次衰减（物理真实）：
attenuation = 1 / (distance * distance)，光照强度随距离平方衰减 - 线性衰减：
attenuation = 1 / distance，光照强度随距离线性衰减
无Gamma校正时
最终输出亮度会叠加显示器的2.2次幂运算：
- 二次衰减：
(1/(distance*distance))^2.2，分母大幅增大，衰减强度过高，灯光快速变暗 - 线性衰减：
(1/distance)^2.2，视觉效果贴合现实光照规律
开启Gamma校正后
视觉效果完全反转：线性衰减的光照效果过弱、不自然；二次函数衰减效果贴合真实物理光照，表现最佳。
example1:实现gamma校正并对于校正前、校正后的效果
设置gamma校正的状态变量，gammaEnabled和gammaKeyPressed，检测用户按键行为，赋值gammaEnabled，并传递到纹理加载函数和片元着色器。
对于纹理加载函数，新增参数接收gammaEnabled，表示是否开启gamma校正。这里使用OpenGL内置函数处理sRGB纹理，在开启gamma校正之后，设置加载纹理的空间为sRGB或SRGB_ALPHA，这样在使用纹理时，OpenGL会自动帮我们转为线性空间。
对于片元着色器，开启/不开启gamma校正仅光照衰减计算不同，未开启gamma校正时采用线性衰减效果更好，开启gamma校正后使用二次函数衰减更好。
#define STB_IMAGE_IMPLEMENTATION#include <glad/glad.h>#include <GLFW/glfw3.h>
#include <glm/glm.hpp>#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>
#include <stb_image.h>#include <iostream>#include <vector>
#include <myShader.h>#include <myCamera.h>#include <Model.h>
using namespace std;
const unsigned int SCR_WIDTH = 800;const unsigned int SCR_HEIGHT = 400;bool gammaEnabled = false;bool gammaKeyPressed = false;
Camera camera(glm::vec3(0.0f, 0.0f, 3.0f));float lastX = (float)SCR_WIDTH / 2.0f;float lastY = (float)SCR_HEIGHT / 2.0f;float deltaTime = 0.0f;float lastFrame = 0.0f;bool firstCamera = true;
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height) { glViewport(0, 0, width, height);}void processInput(GLFWwindow* window) { if(glfwGetKey(window,GLFW_KEY_ESCAPE)==GLFW_PRESS){ glfwSetWindowShouldClose(window, true); } if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_W) == GLFW_PRESS) { camera.ProcessKeyboard(FORWARD, deltaTime); } if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_S) == GLFW_PRESS) { camera.ProcessKeyboard(BACKWARD, deltaTime); } if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_A) == GLFW_PRESS) { camera.ProcessKeyboard(LEFT, deltaTime); } if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_D) == GLFW_PRESS) { camera.ProcessKeyboard(RIGHT, deltaTime); } if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_B) == GLFW_PRESS && !gammaKeyPressed) { gammaEnabled = !gammaEnabled; gammaKeyPressed = true; } if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_B) != GLFW_PRESS) { gammaKeyPressed = false; }}void processMovement(GLFWwindow* window, double xpos, double ypos) { if (firstCamera) { lastX = xpos; lastY = ypos; firstCamera = false; } float xoffset = xpos - lastX; float yoffset = lastY - ypos; lastX = xpos; lastY = ypos; camera.ProcessMouseMovement(xoffset, yoffset);}void processScroll(GLFWwindow* window, double xoffset, double yoffset) { camera.ProcessScroll(yoffset);}unsigned int loadTexture(const char* path,bool gammaCorrection) { unsigned int texture; glGenTextures(1, &texture); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);
int width, height, nrChannels; unsigned char* data = stbi_load(path, &width, &height, &nrChannels, 0); if (data) { GLenum internalFormat; GLenum dataFormat; if (nrChannels == 1) { internalFormat = dataFormat = GL_RED; } else if (nrChannels == 3) { dataFormat = GL_RGB; internalFormat = gammaCorrection ? GL_SRGB : GL_RGB; } else if (nrChannels == 4) { dataFormat = GL_RGBA; internalFormat = gammaCorrection ? GL_SRGB_ALPHA : GL_RGBA; } glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, internalFormat, width, height, 0, dataFormat, GL_UNSIGNED_BYTE, data); glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR); } else { cout << "Failed to load texture" << endl; } stbi_image_free(data); return texture;}int main() { glfwInit(); glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3); glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3); glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);
GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, "LearnOpenGL", NULL, NULL); if (window == NULL) { cout << "Failed to initialize GLFW" << endl; glfwTerminate(); return -1; } glfwMakeContextCurrent(window); glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback); glfwSetScrollCallback(window, processScroll); glfwSetCursorPosCallback(window, processMovement);
if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress)) { cout << "failed to load glad" << endl; glfwTerminate(); return -1; }
glfwSetInputMode(window, GLFW_CURSOR, GLFW_CURSOR_DISABLED);
//stbi_set_flip_vertically_on_load(true);
glEnable(GL_DEPTH_TEST); glEnable(GL_BLEND);//如果地板纹理有透明通道则开启混合 glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
float planeVertices[] = { // positions // normals // texcoords 10.0f, -0.5f, 10.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 10.0f, 0.0f, -10.0f, -0.5f, 10.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, -10.0f, -0.5f, -10.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 10.0f,
10.0f, -0.5f, 10.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 10.0f, 0.0f, -10.0f, -0.5f, -10.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 10.0f, 10.0f, -0.5f, -10.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 10.0f, 10.0f };
unsigned int quadVAO, quadVBO; glGenVertexArrays(1, &quadVAO); glGenBuffers(1, &quadVBO); glBindVertexArray(quadVAO); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, quadVBO); glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(planeVertices), planeVertices, GL_STATIC_DRAW); glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)0); glEnableVertexAttribArray(0); glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float))); glEnableVertexAttribArray(1); glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(6 * sizeof(float))); glEnableVertexAttribArray(2); glBindVertexArray(0);
unsigned int floorTexture = loadTexture("resources/textures/wood.jpg",false); unsigned int floorTextureGammaCorrected = loadTexture("resources/textures/wood.jpg",true);
Shader shader("src/Shader/vertexShader.txt", "src/Shader/fragmentShader.txt");
shader.use(); shader.setInt("floorTexture", 0);
glm::vec3 lightPositions[] = { glm::vec3(-3.0f, 0.0f, 0.0f), glm::vec3(-1.0f, 0.0f, 0.0f), glm::vec3(1.0f, 0.0f, 0.0f), glm::vec3(3.0f, 0.0f, 0.0f) }; glm::vec3 lightColors[] = { glm::vec3(0.25), glm::vec3(0.50), glm::vec3(0.75), glm::vec3(1.00) }; glUniform3fv(glGetUniformLocation(shader.ID, "lightPositions"), 4, &lightPositions[0][0]);//一次性上传4个vec3 glUniform3fv(glGetUniformLocation(shader.ID, "lightColors"), 4, &lightColors[0][0]);//一次性上传4个vec3
while (!glfwWindowShouldClose(window)) { float currentFrame = (float)glfwGetTime(); deltaTime = currentFrame - lastFrame; lastFrame = currentFrame;
processInput(window);
glClearColor(0.1, 0.1, 0.1, 1.0); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
shader.use(); glm::mat4 view = camera.GetCameraView(); glm::mat4 projection = glm::perspective(glm::radians(camera.Zoom), (float)SCR_WIDTH / (float)SCR_HEIGHT, 1.0f, 100.0f); shader.setMat4("view", view); shader.setMat4("projection", projection); shader.setVec3("viewPos", camera.Position); shader.setInt("gamma", gammaEnabled);
glBindVertexArray(quadVAO); glActiveTexture(GL_TEXTURE0); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, gammaEnabled ? floorTextureGammaCorrected : floorTexture); glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6); glBindVertexArray(0);
//cout << (gammaEnabled ? "Gamma Enabled" : "Gamma DisEnabled") << endl;
glfwSwapBuffers(window); glfwPollEvents(); } glDeleteVertexArrays(1, &quadVAO); glDeleteBuffers(1, &quadVBO); glfwTerminate(); return 0;}//vertexShader#version 330 corelayout (location = 0) in vec3 aPos;layout (location = 1) in vec3 aNormal;layout (location = 2) in vec2 aTexCoords;
out VS_OUT{ vec3 FragPos; vec3 Normal; vec2 TexCoords;} vs_out;
uniform mat4 view;uniform mat4 projection;
void main(){ gl_Position=projection*view*vec4(aPos,1.0); vs_out.FragPos=aPos; vs_out.Normal=aNormal; vs_out.TexCoords=aTexCoords;}//fragmentShader#version 330 coreout vec4 FragColor;in VS_OUT{ vec3 FragPos; vec3 Normal; vec2 TexCoords;} fs_in;uniform sampler2D floorTexture;uniform vec3 lightPositions[4];uniform vec3 lightColors[4];uniform vec3 viewPos;uniform bool gamma;
vec3 BlinnPhong(vec3 normal,vec3 FragPos,vec3 lightPos,vec3 lightColor){ vec3 worldNormal=normalize(normal); vec3 worldLight=normalize(lightPos-FragPos); vec3 worldView=normalize(viewPos-FragPos);
float diff=max(dot(worldNormal,worldLight),0.0); vec3 diffuse=lightColor*diff;
vec3 halfDir=normalize(worldLight+worldView); float spec=pow(max(dot(worldNormal,halfDir),0.0),64.0); vec3 specular=lightColor*spec;
float distance=length(lightPos-FragPos); float attenuation=1.0/(gamma?distance*distance:distance);
return (diffuse+specular)*attenuation;}void main(){ vec3 color=texture(floorTexture,fs_in.TexCoords).rgb; vec3 ambient=0.05*color; vec3 lighting=vec3(0.0);//不能直接赋值0.0，会报编译错误 for(int i=0;i<4;i++){ lighting+=BlinnPhong(fs_in.Normal,fs_in.FragPos,lightPositions[i],lightColors[i]); } lighting*=color; lighting+=ambient; if(gamma){ lighting=pow(lighting,vec3(1.0/2.2)); } FragColor=vec4(lighting,1.0);}可以看到未开启gamma校正时，暗部太暗而没有细节。
未开启gamma校正：
开启gamma校正：
