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什么是LUT？

  • 來源：光虎

>> 什么是LUT？

LUT是Look Up Table（顏色查找表）的縮寫。


要理解“顏色查找表”，就必須要先理解“查找表”，“查找表”在我們?nèi)粘Ｉ钪刑幪幙梢姟?/span>

舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

現(xiàn)在你要參加一場(chǎng)考試，然后學(xué)校主辦發(fā)給了你一個(gè)三位數(shù)233，然后告訴你第一位數(shù)對(duì)應(yīng)的是樓，第二位數(shù)對(duì)應(yīng)的是層，第三位數(shù)對(duì)應(yīng)的是房間號(hào)，然后給了你下面這張查找表：



樓 層 房間
1 A 樓 1 層 6 號(hào)
2 B 樓 2 層 4 號(hào)
3 C 樓 4 層 3 號(hào)
4 D 樓 7 層 5 號(hào)
5 F 樓 5 層 1 號(hào)
6 E 樓 6 層 2 號(hào)

那么我們就可以通過這個(gè)表來索引你要去的樓、層和房間，是在B樓4層3號(hào)。這就是查找表的用處。

>> LUT的定義

我們知道光的三原色是RGB，紅綠藍(lán)，當(dāng)我們將這三種光按照不同比例進(jìn)行混合的時(shí)候，就可以得到其他豐富的色彩，那么我們顯示器在顯示色彩的時(shí)候，正是基于這個(gè)原理進(jìn)行的。我們的顯示器是由一個(gè)個(gè)像素構(gòu)成的，每一個(gè)像素又是由三個(gè)子像素構(gòu)成的，分別是紅色子像素、綠色子像素和藍(lán)色子像素，當(dāng)我們用放大鏡觀察屏幕的時(shí)候就可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)：



然后我們?cè)僖?guī)定RGB三者的取值范圍為0到255，0表示不發(fā)光，255表示發(fā)出最強(qiáng)的光線，因此RGB（255,0,0）就表示純紅色，同理RGB（0,255,0）就表示純綠色，RGB（0,0,255）表示純藍(lán)色，這三種顏色按照不同比例混合就可以得到不同的色彩，因此我們可以用一組RGB值來表示任意一種色彩，這就是RGB色彩模型。


我們可以用一個(gè)立方體來表示RGB色彩模型，因?yàn)槲覀儎偛耪f了任意一種色彩都可以被拆分為R、G、B三個(gè)分量，同理，立方體中的任意一個(gè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)也可以拆分為X、Y、Z三個(gè)分量，因此我們就可以利用立方體里面的某個(gè)點(diǎn)來表示某種顏色。


明白了查找表和RGB色彩模型的概念，再來理解LUT就非常容易了。我們知道一張照片是由很多的像素構(gòu)成的，而每一個(gè)像素又是用RGB表示的，這些RGB數(shù)值告訴了屏幕該怎樣發(fā)光，最后混合出各種各樣的色彩呈現(xiàn)在我們眼前。如果我們想要改變一張照片的色彩，也只需要去調(diào)整RGB值即可，因此LUT本質(zhì)上就是改變像素中的RGB數(shù)值。


>> 1D LUT

這里以1D LUT為例講解一下，所謂1D LUT，就是指一維的顏色查找，也就是說你的輸入值只能有一個(gè)變量，比方下面這組數(shù)據(jù)：

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

R輸入0，輸出為3；G輸入1，輸出為2；B輸入2，輸出3。每一個(gè)輸入值都準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出值，這就是1D LUT，所以如果某個(gè)像素的RGB輸入值是3,1,0，它的輸出值將為9,2,0。如果R的輸入值變成了2，但是G和B保持不變，那么只有R的輸出值會(huì)改變，這時(shí)候像素的輸出值為7,2,0。


很容易可以看出，變動(dòng)某個(gè)顏色輸入值只會(huì)影響到該顏色的輸出值，RGB的數(shù)據(jù)之間是互相獨(dú)立的。


這就意味著1D LUTs只能控制gamma值、RGB平衡（灰階和白場(chǎng)）。


>> Gamma
Gamma是解決人眼對(duì)自然亮度非線性感知的問題。舉個(gè)例子：一間黑屋子中，點(diǎn)亮了一只燈泡A，人眼會(huì)感覺照亮整間屋子，持續(xù)點(diǎn)亮第2個(gè)、第3個(gè)、...第N個(gè)燈泡后，人眼會(huì)感覺屋子逐漸變得明亮，此時(shí)再點(diǎn)亮第N+1個(gè)燈泡，其實(shí)人眼沒有什么感覺甚至微乎其微。


亮度對(duì)人眼的刺激是非線性的，第1個(gè)和最后一個(gè)燈泡點(diǎn)亮對(duì)人眼的刺激感覺是不同的。


人眼感覺黑  →  白的范圍“有限”，燈泡可以無限，但是感覺會(huì)趨于一個(gè)有限值。


在上面的例子中，輸入是燈泡的強(qiáng)度，輸出是人眼的感覺，大自然中，感覺的差別閾限跟隨原來刺激量的變化而變化，這就是著名的韋伯定律，我們來看一張圖。


當(dāng)物理亮度達(dá)到白色的20%左右的時(shí)候，人眼中已經(jīng)感受到中灰色的概念。而剩下的一半高光區(qū)的灰階，需要用白色80%的物理亮度才能照亮成白色。



將這個(gè)范圍應(yīng)用于RGB時(shí)，可以在各種亮度級(jí)別生成顏色。值為192的紅色像素將是物理亮度的四分之三，而值為10的紅色像素是非常暗的，需要進(jìn)行Gamma校正以響應(yīng)人的視覺特性，以產(chǎn)生真實(shí)的顏色。

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

>> 3D LUT

在精確的色彩控制當(dāng)中會(huì)接觸使用3D LUT，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)崿F(xiàn)全立體色彩空間的控制。


三個(gè)色彩平面的相交點(diǎn)（代表某個(gè)輸入值的 LUT 輸出值），我們可以看到某個(gè)輸入顏色的改變都會(huì)對(duì)三個(gè)顏色值造成影響，也就是說任何一個(gè)顏色的改變都會(huì)對(duì)其他顏色做出改變。


由于 3D LUT 可以在立體色彩空間中描述所有顏色點(diǎn)的準(zhǔn)確行為，所以它們可以處理任何顯示的非線性屬性，也可以準(zhǔn)確地處理顏色突然的大幅變動(dòng)等問題。


【來源：光虎視覺內(nèi)部培訓(xùn)資料】