淺談線性工作流

康聰聰 （天津師范大學美術(shù)與設計學院 300387）

一、線性工作流簡介

線性工作流（Linear Workflow）是基于計算機圖形學的照片級CG渲染的理論基礎(chǔ)，因其所有參與計算的顏色數(shù)據(jù)都處于“線性色彩空間”以及遵循自然界物質(zhì)守恒定律的線性計算而得名。線性工作流作為計算機圖形學這一學科不可回避的歷史遺留問題，持續(xù)且深遠地影響著寫實動畫的制作流程。

在傳統(tǒng)的CG制作流程中，我們總會遇到渲染出的圖像偏暗（尤其是暗部缺少細節(jié)），就算我們增加燈光數(shù)量并提高燈光亮度，燈光附近幾近曝光但某些暗部還是缺少細節(jié)，這是由于燈光非真實的物理衰減。線性工作流的本質(zhì)就在于通過正確地校正Gamma偏差，讓圖像以正確的線性化效果顯示，使得圖像的明暗看起來更有真實的光影感，更符合人眼觀感。

二、線性工作流的原理

Gamma是一個描述階調(diào)特性的對數(shù)，被使用在8位RGB圖中，用來解決在有限的存儲空間中保存盡可能多的人類感受敏感的色彩內(nèi)容。簡單來說，Gamma描述了相機或螢幕的非線性（nonlinear）反應的現(xiàn)象。由于早期CRT螢幕輸入單位電壓并不會產(chǎn)生等量的亮度（所以是非線性），為了正確地顯示畫面顏色亮度，刻意制定一個曲線關(guān)系（x軸為輸入與y軸為輸出），讓最終輸出的影像為線性顏色亮度的影像。即使現(xiàn)代能夠制造出線性反應的液晶螢幕，這種現(xiàn)象仍然深深地影響圖像處理，不管是后期、合成、調(diào)色或是渲染都離不開Gamma。

所有的自然界圖像都需要經(jīng)過人眼的感知，然后才能轉(zhuǎn)化為人腦可理解的信息，實驗證明，自然界真實的亮度信息與人眼所“看到”的是有區(qū)別的。根據(jù)韋伯-費希納定律（Weber-Fechner Law），當人體感官所接收到的感覺以算術(shù)級數(shù)增加時，外界刺激強度需要以更大的幾何級數(shù)增加，人們才能感覺其差異，這是由于人眼的感光曲線其實是對數(shù)曲線。對于我們的感覺來說同樣的物理增量，永遠是總量小的時候增量明顯，比如光源從一個變成兩個明顯比51個變?yōu)?2個更強烈，雖然兩者都只增加了一個光源。由此可見，我們的眼睛和大腦更擅長在黑暗的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)明暗細微的區(qū)別而不善于在明亮的場景中發(fā)現(xiàn)同樣的區(qū)別。實驗證明，如果我們定義0代表的亮度為0，1代表亮度為100%，那么亮度從0上升到0.218時，我們就會感覺到灰度已經(jīng)達到了白色的50%，從絕對意義上的物理亮度來說，這里的光子只有白色的21.8%左右，而當亮度真正上升到0.5時，人的感官會認為明度已高達白色的78%。人心理感受的中灰色并不等于白色的50%這個悖論更加證明人眼對弱光線更加敏感這一特性。

另一方面，計算機和數(shù)字圖像傳感器都是靠搭載接收器上的光子數(shù)量來衡量亮度的，所以不管周圍的亮度如何，單位的光子都會線性地提升相同的單位，當電腦存儲圖像時，電腦會記錄每個像素上RGB三通道的亮度值，在主流的8位/通道的圖像中，如jpegs或png，由于每通道僅僅只有256個色階，線性地記錄亮度信息會造成資源的浪費，在圖像采集過程中，儲存的不是每個像素的亮度值，而是經(jīng)過Gamma值為1/2.2的校正后的圖像信號，這樣就把暗色漸變的部分劃分為更多的數(shù)據(jù)點，亮色的漸變則用更少的數(shù)據(jù)點表示，這樣大致和人類的視覺觀感相似，由于目前主流顯示器都是非線性的，所以顯示器要輸出圖片時，只需將存儲的數(shù)值施加一個Gamma=2.2就能顯示出正常的顏色。自然數(shù)據(jù)經(jīng)Gamma校正記錄為非線性文件數(shù)據(jù)，犧牲掉了一些不重要的亮部存儲空間，以此達到人的心理預期，并合理地利用存儲空間，最大限度地記錄自然界的信息。

三、線性工作流的流程

在線性工作流中，我們必須遵循線性化顏色數(shù)據(jù)的工作流程，這意味著在處理圖像時要全部使用線性化的圖像數(shù)據(jù)。由于在三維軟件中進行的渲染必須是線性的，而輸入的8位/通道的貼圖都是經(jīng)過Gamma校正后的偏亮的非線性圖片，所以兩者疊加進行物理渲染一定會導致不正確的渲染結(jié)果，產(chǎn)生混合Gamma。為了讓渲染流程線性化，我們可以將輸入的8位/通道的貼圖進行反向Gamma（Gamma=2.2），讓其回到線性空間，此時再將壓暗的圖像信號代入計算機渲染中，就會得到完全正確的渲染計算的數(shù)據(jù)了，但如果這個時候?qū)秩窘Y(jié)果輸出到顯示器，就會呈現(xiàn)出前文中提到的圖像整體偏暗的結(jié)果，這是由于顯示器固有的sRGB標準的Gamma校正，此時我們?yōu)榱说玫阶罱K正確的輸出效果，只需施加一個值為1/2.2的提亮Gamma來補償顯示器帶來的偏差，光線衰減速度將會被修正，為暗部帶來更多細節(jié)的同時提升畫面的真實感，從而得到理想的效果。

線性工作是所有藝術(shù)家、新手或經(jīng)驗豐富的計算機圖形學中最容易被誤解和困惑的方面之一。在線性工作流下，從渲染設置、光照計算到后期處理整個流程中個色彩管理都是正確的，值得每一位CG藝術(shù)家學習。雖然線性工作流早已成為行業(yè)的標準流程，但時至今日，線性工作流仍然沒有被廣大CG藝術(shù)家所熟知，雖然線性工作流開始時有點令人困惑，但從長遠來看，它將會帶來巨大的回報。

參考文獻：

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