VR高級-LWF線性工作流

1、Gamma的概念在我們的CG工作中很少得到重視和深入的認識，而實際上這個環(huán)節(jié)又極具 意義，因為我們的工作結(jié)果總是有太多的不一樣，得不到標準化的統(tǒng)一，所以這是我寫這篇 文章的主要原因，為此，我也放下了 Vray全面詳解的寫作進度，轉(zhuǎn)而把精力放在了 LWF 的研究中來，意在和大家共同探討在線性工作空間進行制作的可行性和其意義，文中談到 Gamma的概念是比較抽象和相對化的，有很多相對的理論，需要讀者仔細思考，當然，由 于本人水平有限，錯誤之處在所難免，歡迎批評指正。第一節(jié)顏色的真實性我們應(yīng)該感謝上帝給予了我們生活的世界眾多美麗的色彩，并讓我們可以用自己的肉眼以極 其真實的體驗來感覺它們，當然，我們

2、并不滿足于此，對于從事CG工作的我們而言，把這 些豐富的色彩真實地還原到計算機圖像中才是我們關(guān)心的。然而，把世界中盡乎無窮的顏色 表現(xiàn)在計算機世界中卻并不簡單。首先，物質(zhì)世界的顏色是無窮連續(xù)變化的，是一個線性量，但人的眼睛對亮度的感覺卻并非 呈線性分布，而是呈指數(shù)分布的。人眼只是對亮度的比率敏感，而并非對亮度本身敏感，我 們觀察到的亮度從0.10到0.11之間的差別與0.50到0.55之間的差別是一樣的。這種非線性 在日常生活中很容易感覺，比如你把燈泡功率從20W調(diào)到80W再調(diào)到140W,你會發(fā)現(xiàn)20W 到80W之間亮度的增加比后一次調(diào)節(jié)來得更大。所以，當真實世界中線性無窮的顏色量到 達人眼時

3、，它們實際上被人眼感覺的非線性做了一次“校正”，只是這種“校正”從某種意義上 說是錯誤的背離真實的，但我們自身無法避免，這是人類眼睛的特質(zhì)，沒有辦法，所以我們 只能對源色彩向相反的方向進行指數(shù)校正（也就是讓顏色不呈線性分布，而呈指數(shù)分布）， 來讓我們覺得亮度分布均勻。上面的論述所提出的校正，基于這樣一個事實，我們真實的源是真實世界中的顏色，這是標 準，我們所做的校正，是讓眼睛看到的東西盡可能貼盡真實世界。然而，把情況放到實際CG應(yīng)用中來，就有更多變化：一、沒有人關(guān)心也沒有人知道源世界真實顏色到底應(yīng)該是什么樣，我們所提及的真實顏色， 都是在眼睛看到以后的結(jié)果，所以，我們在CG制作中，真實的標準是

4、眼睛看到真實世界后 的結(jié)果。二、CG制作中顏色的變化和失真發(fā)生在多個環(huán)節(jié)：從真實世界采樣信息到計算機過程中的失真從計算機軟件中制作生成的格式轉(zhuǎn)換中的失真從計算機數(shù)字化圖像到物理顯示設(shè)備轉(zhuǎn)換中的失真 所以我們的校正也要針對不同情況，考慮的問題更多。在一般情況下，CG制作主要分為兩種情況，一種是完全的數(shù)字化從無到有的創(chuàng)作過程（比 如你在三維軟件中從無到有建模，打燈光，渲染輸出），另一種需要對現(xiàn)實世界采集信息并 加工處理（比如你用一臺單反膠片或數(shù)碼相機拍下一張照片并導入到計算機中來進行處理， 此后有可能拿到三維軟件中作為一張貼圖來使用），就第一種情況而言，因為不需要從現(xiàn)實 環(huán)境中采樣數(shù)據(jù)，所以我只需

5、考慮失真的后兩種情況，即制作生成的格式轉(zhuǎn)換中的失真和數(shù) 字化圖像和物理顯示設(shè)備之間的轉(zhuǎn)換失真。第二節(jié)Gamma和Gamma的問題設(shè)想一下，當我們開始用電腦制作某CG內(nèi)容時，我們首先是通過電腦顯示器來與應(yīng)用程序 之間發(fā)生交互和信息交換的，如果顯示器本身不能很好的還原數(shù)字化內(nèi)容本身的真實顏色， 也不能準確顯示標準的顏色，那么這就意味著，只要你開始選擇一個顏色，就是錯誤的。然 后接下來不管怎么樣都會是錯誤的。這樣，我們就得明白一個問題，顯示器為什么會失真，我們?nèi)绾涡Ｕ?？拿CRT顯示器來說，顯示器的亮度變化是因為其輸入電壓發(fā)生變化，但是由于輸入電壓的 變化函數(shù)和亮度的變化關(guān)系是不成正比的，這就存在了失

6、真。說得通俗點就是，當顯示器要表現(xiàn)一數(shù)字化圖像內(nèi)容時，假如我們這時把這個內(nèi)容看成是一 個線性連續(xù)量，這時顯示器的電壓變化就不能很好的表現(xiàn)這個連續(xù)量，就出現(xiàn)了失真。換句 話說，我們可以這樣理解，顯示器在顯示那個數(shù)字化內(nèi)容時，做了一個不正確的校正，非常 巧合的，這個校正的函數(shù)關(guān)系也是指數(shù)關(guān)系。工業(yè)上我們一般把顯示器的這種錯誤校正或者 說失真度，用一個參數(shù)來衡量，那就是Gamma。如果我們把顯示設(shè)備要顯示的原始數(shù)據(jù)稱之為輸入(Input)，把原始數(shù)據(jù)通過顯示設(shè)備后顯示 出來的結(jié)果稱之為(Output)，那么它們之間的關(guān)系實際就是：Output=InputGamma不難發(fā)現(xiàn)，這就是一個指數(shù)關(guān)系，而輸出

7、的結(jié)果，實際上就是給輸入做了一個gamma值大 小的指數(shù)級映射變化，Gamma，也就是衡量了這個指數(shù)變化的程度，當Gamma為1時，也 就是Output=Input，因此，如果Gamma值為1就意味著不發(fā)生改變，或不校正，不失真， 輸入和輸出相等，而Gamma值越大時，失真也就越大。事實上，不同的CRT顯示器其失真度都不相同，也就是Gamma值都不盡相同，但一般來說 都是2.2-2.5這個范圍，假如一個顯示器的gamma值為2.5，這意味著什么呢，就是一個線 性連續(xù)圖像在顯示時會被做一個gamma2.5的錯誤校正，或一個gamma2.5的失真，線性分 布的圖像會變成指數(shù)分布的圖像，就像下面這個

8、例子，當我們輸出以下這個黑白漸變：(原始黑白漸變圖像)由于CRT顯示器的gamma2.5特性，圖像將變成下圖所示情況：可見，顯示器的這種錯誤“校正”使得中性灰在指數(shù)關(guān)系下變黑了，總體的表現(xiàn)就是暗部增加， 圖像整體變暗，暗部細節(jié)丟失。那么，知道了錯誤發(fā)生的癥結(jié)，我們該如何校正這一錯誤呢？由于顯示器的Gamma是顯示 器的固有特性，我們是無法改變的，所以，思路應(yīng)該是這樣，既然顯示器做了一個gamma2.5 的改變，而我們需要的是讓Gamma保持為1，這樣輸出結(jié)果就是無失真的，那么我們只要 再顯示器輸出過程之前多做一次Gamma校正，讓最終的Gamma值為1就可以了。也就是: Display_Gam

9、ma=CRT Gamma * 校正 Gamma=1以CRT Gamma為2.5為例，那就是要做一個Gamma0.4的校正，這樣Display_Gamma=2.5*0.4=1在計算機系統(tǒng)中，在顯示器之前做的這個Gamma校正事實上由顯卡完成，但問題在于，上 述的例子是我們事先知道顯示器CRT_Gamma為2.5的情況下，我們用一個Gamma0.4來做 校正，但顯卡并不知道我們的顯示器實際是什么Gamma值，更壞的情況是，也許做為用戶 的我們，自己都不知道自己的顯示器CRT_Gamma為何值。操作系統(tǒng)怎么解決這個問題呢？它提供了一個LUT系統(tǒng)(Look UP Table)，也就是查色表， 當我們知

10、道自己的顯示器的CRT_Gamma值后，告訴LUT，現(xiàn)在這臺顯示器的Gamma值為 多少，LUT得知后，調(diào)用對應(yīng)的Gamma校正函數(shù)，用合適的Gamma值來控制顯卡輸出校 正后的電頻信息給顯示器，所以，我們也把這個校正Gamma數(shù)值稱之為LUT_Gamma。又 由于這是系統(tǒng)內(nèi)部做的校正，我們又稱它為系統(tǒng)Gamma(System_Gamma)。但問題還沒得到完全解決，那就是，如果我不知道自己的顯示器CRT_Gamma值呢？事實上， 這才是問題的關(guān)鍵，我們需要大概地測試一下自己的顯示器，在沒有專業(yè)儀器的幫助下，這 種測試只可能是大概的，我這里提供一個簡易的辦法：根據(jù)上圖，調(diào)節(jié)顯示器亮度使得你能看到

11、盡可能多的暗灰色塊，但要同時保持背景為純黑， 并且以保證背景為純黑為最基本前提，設(shè)置好以后，再看下圖： 接著，你離顯示器一定距離(大概三米)，然后把眼睛瞇成一條縫，看看上圖中右邊哪個小灰 度條和左邊的長條最能容到一起，那么，你們顯示器CRT_Gamma基本上就是表上的數(shù)值了。 因為是大概的測試方法，所以難免有誤差，這里只是希望能力求精準?，F(xiàn)在大多數(shù)顯示器以CRT_Gamma為2.2居多，而以前一些老顯示器可能以2.5居多第三節(jié) 將Gamma的概念細化在上一節(jié)里，我們了解了用CRT顯示器顯示一個線性圖像的問題，我們也了解了什么是 CRT_Gamma以及LUT_Gamma，但我在第一節(jié)中就提到過，

12、圖像失真還可能發(fā)生在文件格 式的儲存和調(diào)用以及格式的轉(zhuǎn)換上，在這一節(jié)，我們就將討論這一問題。當我們用一部數(shù)碼單反相機拍下一張自然風景照片，并且存儲為RAW格式的圖像文件時， 問題還不是很大，因為RAW是浮點格式的高精度存儲格式，我們可以認為它近似線性連續(xù) 地記錄下了我們的原始數(shù)據(jù)，但一旦你將它轉(zhuǎn)換為一些非浮點低精度圖像格式，如JPG、 BMP、TIFF等格式時，因為這些格式是以整數(shù)來記錄數(shù)據(jù)的，這樣就造成數(shù)據(jù)被離散化， 不再那么連續(xù)，導致失真。并且，另一個問題是，線性的RAW文件格式中的數(shù)據(jù)被映射在0-255這樣的整數(shù)范圍時， 是否也是線性分布呢？這可不一定，所以在這里引入一個新的概念，編碼

13、Gamma，也就是 Encode_Gamma，如果系統(tǒng)或軟件在寫入某文件格式時，將原有的線性數(shù)據(jù)也按線性映射在 整數(shù)范圍內(nèi)，那么它的Encode_Gamma就是1，即不改變，這時數(shù)據(jù)的失真僅僅是因為近似 無限連續(xù)的線性數(shù)據(jù)變成了離散化的線性數(shù)據(jù)。如果寫入時將原有的線性數(shù)據(jù)按指數(shù)分布映 射在整數(shù)范轉(zhuǎn)內(nèi)時，Encode_Gamma就不為1 了，此時Encode_Gamma代表的就是這個指 數(shù)。反應(yīng)的就是數(shù)據(jù)存進文件后有了怎樣程度的失真。當然，有寫就有讀，既然有編碼Gamma 自然就有解碼Gamma，也就是Decode_Gamma，當一個軟件打開并讀取一個圖像文件時，它 是否對這個圖像數(shù)據(jù)做變換處理

14、，這個度是好多，就由Decode_Gamma來決定，如果Decode_Gamma為1，就是不改變，不校正，如果不為1，就表示要改變或校正，它的數(shù)值 決定了做多大程度和什么樣的改變。絕大多數(shù)情況下Encode_Gamma和Decode_Gamma都是為1的，比如，默認的操作系統(tǒng)中 IE瀏覽器的Decode_Gamma就為1，ACDsee看圖軟件在沒設(shè)置的默認情況下， Decode_Gamma也為1，所以用它們兩個去看一張標準的線性圖片是會有問題的，因為顯示 器的CRT_Gamma是2.2-2.5左右，而默認情況下LUT_Gamma為1 ,所以我們實際看到的 圖像的Gamma也就是CRT_Gamm

15、a，是非線性的，這就發(fā)生了錯誤。而如果你用Adobe photoshop去打開這張圖片往往和那兩個軟件中看到的不一樣，并且結(jié)果是對的，因為Adobe photoshop默認是進行色彩管理的，就是在軟件使用過程中調(diào)用了 LUT查色表并讓 LUT_Gamma不為1，所以這時就做了對的校正處理。事實上，我們不難在應(yīng)用軟件中發(fā) 現(xiàn)Encode_Gamma和 Decode_Gamma的應(yīng)用身影,比如在 MAX 的優(yōu)先設(shè)置面板中，在 GAMMA子選項里，有這么一組參數(shù)，如下圖：這個里面的InputGamma呢，指的是當MAX調(diào)入任何一張圖片格式時，做什么樣的Gamma 校正，這個操作顯然是讀操作，假如In

16、putGamma為2.2,那么當MAX調(diào)入一張貼圖時， 這個貼圖就會在調(diào)入內(nèi)存時被事先校正，MAX通過把InputGamma，也就是2.2這個值告訴 LUT查色表，查色表接著告訴MAX應(yīng)該對貼圖進行了一個Decode_Gamma為0.4545的校 正，這里是很容易產(chǎn)生混淆的一個概念，很多人會以為InputGamma取值為2.2時，是MAX 對文件調(diào)入內(nèi)存之前做Gamma2.2的校正，這是錯誤的，當InputGamma取值為1時，LUT 查色表告訴MAX需要對其做Decode_Gamma為1的校正，也就是不校正，不發(fā)生改變。 反過來，再去理解OutputGamma就和上面的情況類似了，只不過它的

17、校正發(fā)生在即將寫入 文件數(shù)據(jù)之前，是寫入操作時發(fā)生的校正，并且通過將OutputGamma值傳遞給LUT告訴 MAX該用什么樣的Encode_Gamma作校正。這時，你可能要問，是不是總是應(yīng)該保持Encode_Gamma和Decode_Gamma為1呢，這樣 反正就保持原樣了，豈不省事？這就要具體情況具體分析了。如果你用單反數(shù)碼相機拍照存成了 RAW文件，并轉(zhuǎn)換成諸如JPG、TIFF、BMP這樣的格 式，這時，就會有一個問題，因為數(shù)碼相機感光器的特性，從相機里輸出的文件，比如RAW 都是做過了一個Gamma0.45校正的，這時，往往在寫入文件時編碼就應(yīng)該做一個 Encode_Gamma2.2的

18、校正才能得到正確結(jié)果，或是在讀文件時做一個Decode_Gamma為2.2 的校正才能正確顯示或使用這個圖像，所以不同的情況是不一樣的，如果圖像本身是從計算 機內(nèi)部從無到有創(chuàng)建的，那么保持Encode_Gamma和Decode_Gamma為1是一個比較好的 作法。通常，我們把一個文件自身呈現(xiàn)的Gamma特性稱之為File_Gamma，如果文件由外界攝取 自計算機，那么：File_Gamma=Device_Gamma * Encode_Gamma（其中，Device_Gamma是指設(shè)備的Gamma，如果是數(shù)碼單反，通常是0.45） 如果文件由計算機本身憑空創(chuàng)造，那么，就不存在設(shè)備，就有：File

19、_Gamma=Encode_Gamma然而，為了保證整個工作流程的線性化，所以我們應(yīng)時時保證文件自身的Gamma為1，也 就是 File_Gamma 為 1。事實上，MAX在打開和存儲圖像文件時，都具備非常詳細的Gamma選項供用戶控制，如 下圖：其中第一個選項Use images own gamma就是使用文件自己的文件Gamma，不對其作任何改變 的打開。第二個選項Use system default gamma，就是說根據(jù)先前MAX優(yōu)先設(shè)置面版里的input或 output里的Gamma值對文件Gamma相應(yīng)進行Encode_Gamma或Decode_Gamma的校正。 第三個選項Ove

20、rride ,是說用戶指定一個Gamma值，對這個圖像進行一次這個 Override_Gamma值的校正，注意，這次就和上面講到的優(yōu)選設(shè)置面板里的OutputGamma 和InputGamma情況不一樣，這次是直接做一個Override_Gamma取值的校正，你給2.2，就 做Gamma2.2的校正，結(jié)果是圖像變暗，給0.45，就做Gamma0.45的校正，結(jié)果是圖像提 亮，它是不會去查什么LUT查色表的，這就是實實在在做校正，要加以區(qū)別。那么，通過這三個選項，我們就能很好地控制素材的文件Gamma，做到調(diào)進來的圖是否線 性化，在線性工作流程下，有一個準則，如果圖像文件本身的文件Gamma不為

21、1，那么我 們就要通過設(shè)置這些參數(shù)來讓它調(diào)入后為1，如果圖像文件本身的文件Gamma已經(jīng)為1,那 么我們可以選擇第一項來使用文件自己的Gamma設(shè)置就可以了，這樣，你的圖像至始至終 都是在線性空間下工作的。這點在整個流程中也至關(guān)重要，因為校正是不可以多作的，校正 多做了就是錯誤的結(jié)果。如果某張圖像文件由數(shù)碼相機拍攝并轉(zhuǎn)為JPG或其它整數(shù)結(jié)構(gòu)格 式，這時，它的文件Gamma事實上不為1，前面我提到了，由于攝像機感光器特性，加上 默認情況下軟件或系統(tǒng)的Encode_Gamma為1，所以文件Gamma就是Camera_Gamma也就 是大約0.4545,那么當我們把這個文件調(diào)入到MAX里來做貼圖時，

22、事實上該文件的數(shù)據(jù)就 是非線性的，因為文件Gamma不為1嘛，我們要讓它變成1，這里我們就可以使用第三個 選項，將Override_Gamma設(shè)為2.2，這樣就對它做了一個Gamma2.2的校正，基本就線性 化了。那么，講到這里，我想Gamma的概念在我們的腦袋里應(yīng)該有了不同的定義，在不同的階段 不同的時候Gamma都有其特殊的意義，最后呢，我為這個小節(jié)做個總結(jié)，列出一些我在文 中提到過的概念：Camera_Gamma攝像機Gamma，因為攝像機感光器的特性，拍下來的圖像相當于會自動進 行一次Gamma校正，其值一般約為0.4545Encode_Gamma編碼Gamma，在文件形成，數(shù)據(jù)寫入時

23、，對數(shù)據(jù)變換分布所相當于造成的 Gamma校正。Decode_Gamma解碼Gamma，在文件調(diào)用至內(nèi)存時，數(shù)據(jù)按新的分布方式讀出所相當于造 成的Gamma校正。LUT_Gamma系統(tǒng)Gamma或查色表校正Gamma，作用于顯卡層面的幀緩沖，對其進行 Gamma校正以適應(yīng)設(shè)備輸出。CRT_Gamma顯示器自身電壓特性相當于造成的Gamma校正。不可修正，一般為2.2或2.5。 根據(jù)以上概念為基礎(chǔ)，我們還加入一些附加概念：File_Gamma圖像文件相對于要反應(yīng)的原始數(shù)據(jù)的Gamma特性，是文件自身的Gamma特性， 表征了數(shù)據(jù)在存儲為文件后的改動特性。如果文件來源于外部設(shè)備如攝像機，F(xiàn)ile_

24、Gamma=Camera_Gamma * Encode_Gamma如果文件來源于計算機內(nèi)部創(chuàng)作File_Gamma=Encode_Gamma特殊地，如果文件在寫入之前有軟件功能上的人為Gamma校正，如Vray幀緩沖的Gamma 曲線調(diào)節(jié)，那么File_Gamma=Calibration_Gamma * Encode_Gamma （其中 Calibration 是校正的意思） Display_Gamma顯示輸出Gamma，表征顯示設(shè)備最終顯示的結(jié)果相對于要顯示數(shù)據(jù)的改變 特性以 CRT 顯示器為例:Display_Gamma=LUT_Gamma * CRT_GammaView_Gamma全局G

25、amma，是所有Gamma校正和變換結(jié)果的總和，通常用來表征我們最 后看到一幅圖像的樣子時它相對于原始是什么樣的改變特性，事實上，在我們提及的線性 化流程里，我們的目標，就是要讓View_Gamma為1,如果考慮到人眼自身還有一個Gamma 特性的變換，我們也可以讓View_Gamma最后為1.5。而 View_Gamma=File_Gamma * Display_Gamma所以我們的線性工作流程，實際上包括兩個方面的工作：第一、保證每一個用到的文件，其File_Gamma是1第二、我們在操作軟件之前通過顯示設(shè)備所看到的圖像，本身應(yīng)該是線性的，即 Display_Gamma為1只要保證了這兩點

26、，我們的線性工作流就是成功，和高效的。第四節(jié)MAX中的線性工作流程之所以這一節(jié)的標題命名為MAX中的線性工作流程，是因為僅僅在MAX中實現(xiàn)線性工作 環(huán)境這只是一個局部的概念，一個小概念，真正廣義的線性工作流程可能要涉及CG制作的 全環(huán)節(jié)，包括我前面講的從外界引入素材，但是在本節(jié)，我們僅僅討論MAX的情況：從第三節(jié)的總結(jié)中，我們已經(jīng)知道了，我們需要保證Display_Gamma和File_Gamma在MAX 這個環(huán)節(jié)都要為1，F(xiàn)ile_Gamma保持為1我在第三節(jié)中基本已做了較詳細的講述，這里就 省去不談了，主要看看Display_Gamma，由于操作系統(tǒng)在默認情況下，對GUI應(yīng)用程序界 面是不

27、做校正的，任由顯示器CRT_Gamma輸出，這就導致Display_Gamma不為1，我們 可以在MAX中設(shè)置，讓顯卡對MAX中的應(yīng)用程序界面進行LUT_Gamma校正，這樣就能 保證我們在在顏色拾取面板和材質(zhì)面板中選擇正確的線性顏色，并且保證正確的中性灰，來 看下圖：如圖所示，打開MAX優(yōu)先設(shè)置面板中的Gamma子頁，勾選使用LUT_Gamma，這里，你 可以看到一個Gamma參數(shù)，這個參數(shù)不是告訴MAX要做多少的Gamma校正，而是告訴 MAX，你的顯示器的CRT_Gamma值，如果你的顯示器Gamma值為2.2，你就輸入2.2,為 2.5你就輸入2.5，這個值最終將告訴LUT查色表來用什

28、么LUT_Gamma來做校正，如果你 不確定，或認為自己的顯示器沒校準得非常好，不用擔心，MAX提供了一個簡單的校準器， 如圖中的外框和內(nèi)框兩個灰色區(qū)域，你可以邊調(diào)節(jié)Gamma數(shù)值，回車確定后瞇著眼觀察內(nèi) 框灰度和外框是否容合到一起，如果基本能容在一起，那就可以了。接著，非常重要的一步 是勾選 Affect Color Selectors 和 Affect Material Editor，這樣，LUT_Gamma 校正將作用于 MAX的拾色器等有幀緩沖的界面，這樣你對顏色的選擇就比較準確了，然后呢，保持input gamma和output gamma都為1，因為即便我們想對文件的寫入讀出進行G

29、amma調(diào)整，也可 以在寫入和打開時單獨用選項控制，不必動用這里的宏觀控制。設(shè)置完成后，基本就完成了 MAX里的線性工作環(huán)境設(shè)置，但此時要注意，如果你使用MAX 自己的幀緩沖渲染輸出，那么就不應(yīng)該再對其進行任何Gamma校正，因為在優(yōu)先設(shè)置面板 里你已經(jīng)開啟了 LUT_Gamma校正，它對MAX的幀緩沖是起作用的，渲染出來的圖是線性 的，是校正后的。如果你使用VR的幀緩沖，因為MAX優(yōu)先設(shè)置面板里的LUT_gamma校 正對VR的幀緩沖不起作用，所以渲染出的結(jié)果，是直接未校正就顯示在顯示器上的，是不 準確的，這時你就需要通過VR的Gamma校正功能來校正，具體如下圖所示：其實這里之所以要在使用VR的幀緩沖情況下單獨再用VR的Gamma校正，是因為MAX 的設(shè)置對VR是不起作用的，所以對于LUT_Gamma校正我們要多做一次，僅此而已。并且， VR的Gamma校正里的Ga