什么是LUT?

  • 来源:光虎

>> 什么是LUT?

LUT是Look Up Table(颜色查找表)的缩写。


要理解“颜色查找表”,就必须要先理解“查找表”,“查找表”在我们日常生活中处处可见。

举一个简单的例子:

现在你要参加一场考试,然后学校主办发给了你一个三位数233,然后告诉你第一位数对应的是楼,第二位数对应的是层,第三位数对应的是房间号,然后给了你下面这张查找表:



房间
1 A 楼 1 层 6 号
2 B 楼 2 层 4 号
3 C 楼 4 层 3 号
4 D 楼 7 层 5 号
5 F 楼 5 层 1 号
6 E 楼 6 层 2 号

那么我们就可以通过这个表来索引你要去的楼、层和房间,是在B43号。这就是查找表的用处。

>> LUT的定义

我们知道光的三原色是RGB,红绿蓝,当我们将这三种光按照不同比例进行混合的时候,就可以得到其他丰富的色彩,那么我们显示器在显示色彩的时候,正是基于这个原理进行的。我们的显示器是由一个个像素构成的,每一个像素又是由三个子像素构成的,分别是红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素,当我们用放大镜观察屏幕的时候就可以发现这个结构:



然后我们再规定RGB三者的取值范围为0到255,0表示不发光,255表示发出最强的光线,因此RGB(255,0,0)就表示纯红色,同理RGB(0,255,0)就表示纯绿色,RGB(0,0,255)表示纯蓝色,这三种颜色按照不同比例混合就可以得到不同的色彩,因此我们可以用一组RGB值来表示任意一种色彩,这就是RGB色彩模型。


我们可以用一个立方体来表示RGB色彩模型,因为我们刚才说了任意一种色彩都可以被拆分为R、G、B三个分量,同理,立方体中的任意一个点的位置坐标也可以拆分为X、Y、Z三个分量,因此我们就可以利用立方体里面的某个点来表示某种颜色。


明白了查找表和RGB色彩模型的概念,再来理解LUT就非常容易了。我们知道一张照片是由很多的像素构成的,而每一个像素又是用RGB表示的,这些RGB数值告诉了屏幕该怎样发光,最后混合出各种各样的色彩呈现在我们眼前。如果我们想要改变一张照片的色彩,也只需要去调整RGB值即可,因此LUT本质上就是改变像素中的RGB数值。


>> 1D LUT

这里以1D LUT为例讲解一下,所谓1D LUT,就是指一维的颜色查找,也就是说你的输入值只能有一个变量,比方下面这组数据:

R G B
3 0 0
5 2 1
7 5 3
9 9 9

R输入0,输出为3;G输入1,输出为2;B输入2,输出3。每一个输入值都准确对应一个输出值,这就是1D LUT,所以如果某个像素的RGB输入值是3,1,0,它的输出值将为9,2,0。如果R的输入值变成了2,但是G和B保持不变,那么只有R的输出值会改变,这时候像素的输出值为7,2,0。


很容易可以看出,变动某个颜色输入值只会影响到该颜色的输出值,RGB的数据之间是互相独立的。


这就意味着1D LUTs只能控制gamma值、RGB平衡(灰阶和白场)。


>> Gamma
Gamma是解决人眼对自然亮度非线性感知的问题。举个例子:一间黑屋子中,点亮了一只灯泡A,人眼会感觉照亮整间屋子,持续点亮第2个、第3个、...第N个灯泡后,人眼会感觉屋子逐渐变得明亮,此时再点亮第N+1个灯泡,其实人眼没有什么感觉甚至微乎其微。


亮度对人眼的刺激是非线性的,第1个和最后一个灯泡点亮对人眼的刺激感觉是不同的。


人眼感觉黑  →  白的范围“有限”,灯泡可以无限,但是感觉会趋于一个有限值。


在上面的例子中,输入是灯泡的强度,输出是人眼的感觉,大自然中,感觉的差别阈限跟随原来刺激量的变化而变化,这就是著名的韦伯定律,我们来看一张图。


当物理亮度达到白色的20%左右的时候,人眼中已经感受到中灰色的概念。而剩下的一半高光区的灰阶,需要用白色80%的物理亮度才能照亮成白色。



将这个范围应用于RGB时,可以在各种亮度级别生成颜色。值为192的红色像素将是物理亮度的四分之三,而值为10的红色像素是非常暗的,需要进行Gamma校正以响应人的视觉特性,以产生真实的颜色。

    Gamma=0.1                              Gamma=0.5
    Gamma=1                                  Gamma=2

>> 3D LUT

在精确的色彩控制当中会接触使用3D LUT,因为它们能够实现全立体色彩空间的控制。


三个色彩平面的相交点(代表某个输入值的 LUT 输出值),我们可以看到某个输入颜色的改变都会对三个颜色值造成影响,也就是说任何一个颜色的改变都会对其他颜色做出改变。


由于 3D LUT 可以在立体色彩空间中描述所有颜色点的准确行为,所以它们可以处理任何显示的非线性属性,也可以准确地处理颜色突然的大幅变动等问题。


【来源:光虎视觉内部培训资料】