🎨 Three.js 自定义材质贴图偏暗？一文搞懂颜色空间与手动 Gamma 矫正

在做智驾标注工具时踩了个坑：为什么我写的 Shader 贴图总是比原图暗？深入探究颜色空间的奥秘！

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📌 问题引入：贴图怎么变暗了？

最近在开发一个基于 Three.js 的 3D 标注工具，需要自定义着色器来实现一些特殊的贴图效果。写了个最基础的贴图材质：

varying vec2 vUv;
uniform sampler2D texture;

void main() {
  vec4 texColor = texture2D(texture, vUv);
  gl_FragColor = texColor;
}

结果傻眼了：渲染出来的贴图比原图明显偏暗！

这不对啊！我明明就是直接采样贴图，怎么就变暗了？难道是纹理加载的问题？还是我的光照设置有问题？

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🔍 问题根源：颜色空间的"暗箱操作"

经过一番排查，终于找到了罪魁祸首：颜色空间（Color Space）自动转换。

🎯 Three.js 的默认行为

Three.js 为了保证物理正确的光照计算，默认会对纹理做这样的处理：

const texture = new THREE.TextureLoader().load('image.jpg');
// Three.js 自动设置：
texture.colorSpace = THREE.SRGBColorSpace; // r152+ 旧版用 encoding

这意味着：

1. 图片存储格式：JPG/PNG 是 sRGB 编码（gamma ≈ 2.2）
2. Three.js 自动转换：采样时自动将 sRGB → Linear
3. Shader 中拿到的：已经是线性空间的颜色值

📐 什么是 sRGB 和 Linear？

颜色空间	说明	特点
sRGB	人眼感知的颜色空间	非线性，暗部压缩，亮部展开
Linear	物理光强的线性空间	线性，适合光照计算

关键点：人眼对亮度的感知是非线性的（史蒂文斯幂定律），而物理光照计算需要在线性空间进行。

🔄 颜色空间转换公式

// sRGB → Linear (解码)
vec3 linear = pow(srgb.rgb, vec3(2.2));

// Linear → sRGB (编码)
vec3 srgb = pow(linear.rgb, vec3(1.0/2.2));

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💡 为什么贴图会偏暗？

场景还原

// Three.js 内部做了这件事：
vec4 sampled = texture2D(texture, vUv);  // 返回的是 Linear 空间颜色

// 然后我们直接输出：
gl_FragColor = sampled;  // ❌ 问题：Linear 颜色直接输出到 sRGB 帧缓冲

结果：线性空间的颜色值（如 0.5）直接显示在屏幕上，人眼感知会比预期的暗很多。

🧪 数值对比

原图 sRGB	Linear 空间	直接输出到屏幕（错误）	正确输出到屏幕
0.5 (中灰)	0.217	显示为 0.217 (很暗)	应显示为 0.5
0.8 (亮灰)	0.578	显示为 0.578 (偏暗)	应显示为 0.8

看到了吗？ 0.5 的中灰色在 Linear 空间只有 0.217，直接输出就变成了"深灰"！

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✅ 解决方案

手动 Gamma 编码（推荐）

保留 Three.js 的自动转换，在 Shader 中手动做 Gamma 编码：

uniform sampler2D texture;
varying vec2 vUv;

void main() {
  vec4 color = texture2D(texture, vUv);      // Linear 空间
  color.rgb = pow(color.rgb, vec3(1.0/2.2)); // Linear → sRGB
  gl_FragColor = color;
}

或者封装成函数更清晰：

vec3 linearToSRGB(vec3 linear) {
  return pow(linear, vec3(1.0/2.2));
}

void main() {
  vec4 color = texture2D(texture, vUv);
  color.rgb = linearToSRGB(color.rgb);
  gl_FragColor = color;
}

优点：符合图形学最佳实践，后续加光照也方便
缺点：需要理解颜色空间概念

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方案 3：使用内置工具函数（Three.js r152+）

Three.js 提供了内置的颜色空间转换函数：

#include <color_space_pars_fragment>

uniform sampler2D texture;
varying vec2 vUv;

void main() {
  vec4 color = texture2D(texture, vUv);
  color = SRGBToLinear(color);  // 如果需要在线性空间计算
  // ... 光照计算 ...
  color = LinearToSRGB(color);  // 最后转回 sRGB
  gl_FragColor = color;
}

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🎯 实战：完整的贴图材质

import * as THREE from 'three';

const vertexShader = `
  varying vec2 vUv;
  
  void main() {
    vUv = uv;
    gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
  }
`;

const fragmentShader = `
  uniform sampler2D texture;
  varying vec2 vUv;
  
  // Linear → sRGB
  vec3 linearToSRGB(vec3 linear) {
    return pow(linear, vec3(1.0/2.2));
  }
  
  void main() {
    vec4 color = texture2D(texture, vUv);      // Three.js 已自动转为 Linear
    color.rgb = linearToSRGB(color.rgb);       // 手动转回 sRGB
    gl_FragColor = color;
  }
`;

const texture = new THREE.TextureLoader().load('image.jpg');
// texture.colorSpace = THREE.SRGBColorSpace; // 默认就是这个，不用设置

const material = new THREE.ShaderMaterial({
  uniforms: {
    texture: { value: texture }
  },
  vertexShader,
  fragmentShader,
  transparent: true
});

const plane = new THREE.Mesh(
  new THREE.PlaneGeometry(10, 10),
  material
);
scene.add(plane);

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🤔 为什么不用乘法，而用幂函数？

这是个好问题！为什么 Gamma 矫正要用 pow(x, 1/2.2) 而不是简单的 x * 0.5？

人眼感知的非线性

人眼对亮度的感知符合史蒂文斯幂定律：

主观亮度 ∝ (物理光强)^0.4~0.5

这意味着：

• 物理光强增加 4 倍，人眼只感觉"亮了约 2 倍"
• 暗部的变化人眼更敏感，亮部的变化相对迟钝

线性乘法的灾难

// ❌ 线性乘法：所有亮度等比例压缩
vec3 dark = color * 0.5;

// ✅ Gamma：非线性压缩，匹配人眼感知
vec3 gamma = pow(color, vec3(1.0/2.2));

操作	暗部 (0.1)	中灰 (0.5)	亮部 (0.9)	人眼感知
×0.5	0.05	0.25	0.45	暗部细节丢失严重 ❌
^0.45	0.28	0.71	0.95	均匀压缩感知亮度 ✅

结论：幂函数是对人眼生物特性的数学拟合，不是随便选的！

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📊 方案对比总结

方案	适用场景	优点	缺点
手动 Gamma 编码	通用推荐	符合图形学规范，灵活	需要理解概念
内置工具函数	Three.js r152+	官方支持，代码简洁	版本限制

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💡 实用建议

1. 调试技巧

在 Shader 中临时验证：

// 输出纯中灰（应该看起来是 50% 灰）
gl_FragColor = vec4(0.5, 0.5, 0.5, 1.0);  // ❌ 线性 0.5 会很暗

// 正确的 50% 视觉灰
gl_FragColor = vec4(0.73, 0.73, 0.73, 1.0); // ✅ ≈ pow(0.5, 1.0/2.2)

2. 标注工具场景

如果你在做标注工具，只是显示贴图：

// 推荐：禁用自动转换，简单高效
texture.colorSpace = THREE.NoColorSpace;

3. 可视化场景

如果需要光照、阴影等效果：

// 推荐：手动 Gamma 编码
vec4 color = texture2D(texture, vUv);
color.rgb = pow(color.rgb, vec3(1.0/2.2));

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🎓 总结

贴图偏暗的问题，本质是颜色空间转换的理解问题：

1. Three.js 默认：sRGB → Linear（自动）
2. 自定义 Shader：需要手动将 Linear → sRGB
3. Gamma 矫正：用幂函数 pow(x, 1/2.2) 而不是乘法，因为人眼感知是非线性的

理解了这个原理，以后写自定义材质就不会再踩坑了！

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📚 延伸阅读

• Three.js 官方文档 - Texture
• Gamma Correction - LearnOpenGL
• 颜色空间基础 - 阮一峰

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本文作者：红波 | 专注 WebGL/Three.js/可视化开发 | 智驾标注工具开发者