【行业知识】LUT在电影色彩管理中的应用与原理

31 八月, 2014
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lut-zhishi1-0 作者: 孙略, Sun Lue
作者单位: 北京电影学院数字媒体技术研究所
刊名:
现代电影技术
英文刊名: ADVANCED MOTION PICTURE TECHNOLOGY
年,卷(期): 2007,(3)

在电影技术数字化的今天,从影像的获取到最终放映,影像会经历不同的系统,比如用数字摄影机拍摄下来的画面,需要经过调色系统来调色,然后再通过胶片记录仪将影像记录到胶片上,最后经放映系统投射到银幕上。每一个系统都有其独特的色彩空间,也就是说同样的影像在不同系统中的表现是不一样的,色彩管理的任务就是要了解这些系统色彩空间的特点,使不同系统的色彩空间统一起来。简单的讲就是需要保证制作过程中监看的画面与最终银幕影像效果的一致性。

我们可以把色彩管理的过程看作是色彩在不同色彩空间之间转换的过程。如果不做校正,同一画面在不同色彩空间下的表现差异很大,在监视器上的画面与胶片拷贝放映到银幕上的画面会有很大差别;不同的监视器之间以及不同的放映环境都会出现视觉上明显的差别。从绝对意义上讲,世界上没有两个色彩空间体系是完全相同的。目前市场上出现的色彩管理系统的作用就是要尽量缩小影像在不同媒介及显示设备上的视觉差别。其中最重要的内容就是将在数字调色过程中的监视器的画面与最终的胶片拷贝到银幕上的画面统一起来,使它们“看上去”更相近,只有这样才能为调色人员提供一个相对“准确”的视觉参考。而这类色彩空间的转换往往是由 LUT(Look Up Table)来完成的。

在阐述本文的主要内容之前我们有必要强调一下色彩管理过程的局限性,用监视器模拟胶片影像的效果就好比用水彩颜料来画油画,虽然也能获得“油画效果”,但水彩画永远也不能成为油画,而且很难以假乱真。同样,监视器与银幕也是两种很难互相模仿的显示方式,它们的显色原理、色彩空间、色温、屏幕尺寸、观看方式及环境完全不同,然而我们在调色过程中又必须使监视器的效果尽量接近银幕的效果,所以我们只能得到“看上去像”的效果,不可能得到绝对一致的效果。那些昂贵的色彩管理系统所宣称的精度往往会轻而易举地被胶片记录过程、洗印过程以及观看环境中的不稳定因素破坏掉,即使你的系统是世界上最稳定的,你在监视器中得到的也不过是“大概其像胶片”罢了。所以在色彩管理过程中一味地追求所谓技术上的精度是毫无意义的,昂贵的色彩管理系统也未必比便宜的系统更实用。实际上我们应该这样理解该问题,对于监视器与银幕之间的差距的认识应该由导演、摄影师、视觉总监及调色师等人来完成,也就是说他们在调色过程中看着监视器可以想象出银幕的效果,那么色彩管理系统是帮助他们弥补此差距的辅助手段,简而言之,人的主观感受和经验决定着最终影像效果,而色彩管理系统在过程中起到的是辅助作用。

LUT 是在色彩管理的过程中连接不同色彩空间的桥梁,LUT 中文直译是查找表的意思,也就是给 LUT 一个输入值,LUT 可以返回一个输出值。比如在某个 10 bit RGB 的色彩空间 1 中,一种红被表述为 R=640,G=102,B=94,而这个红在另一个 10bit RGB 的色彩空间 2 中也存在,但被表述为 R=600,G=90,B=145,那么将色彩空间 1 转换为色彩空间 2 的 LUT 在读取数据 R 一 640,G=102,B 一 94 后,返回的值一定是 R一 600,G=90,B=145。

LUT 在色彩管理系统中的应用有很多种,比较常见的有以下几种:
1、校正监视器;

2、校正监视器与胶片之间的差距;

3、自平衡的处理;

4、调色。

LUT 的特点之一就是它可以在不改变原始文件的情况下对不同的显示设备进行色彩校正,这样做的好
处就是不对原始影像进行处理,也就不会给其带来任何损失;而且不改变原始影像,意味着节省了大量的
渲染时间。
1、校正监视器

lut-zhishi1-1 图 1 是 CRT 监视器在 CIE XYZ 坐标中的色彩空间,监视器不论是液晶的还是 CRT 的,采用的都是加色法,都是由红绿蓝三基色相加后产生各种不同的色彩。
不同的荧光粉决定了不同 CRT 监视器的特性,不同品牌不同类型的 CRT 监视器具有不同的色彩空间。在这种三基色体系中,R、G、B 三基色对加色后的结果的影响是独立的,也就是说其中一个基色改变了,其它两个基色不会受到影响:
Rout=LUT(Rin)
Gout=LUT(Gin)
Bout=LUT(Bin)
我们把这个公式表示的色彩转换关系称之为 1DLUT,也就是一维查找表。
该 LUT 输出的三个色彩分量仅与该分量的输入有关,而与另外两个分量的输入无关,这种分量之间一一对应的关系就是 1DLUT。对于 10bit 系统来说,一个 1D LUT 列表包含 1024×3 个 10bit 数据,总的数据量为1024×3×10=30Kbit,可见一个 1D LUT 的文件量是相当小的。监视器的校正可以使用 1D LUT。在一项工作中,不同系统不同成员使用不同的监视器,我们必须把这些监视器的效果调整到尽可能统一。什么叫统一?所谓统一就是我们给这些监视器设定一个目标,将各个监视器调整到尽量与这个目标接近。一般情况下我们可以找出一项工作中性能最弱的监视器,比如它的色域最小,亮度最低,其它的监视器都以这个监视器为基准来调整,这样就可以保证所有监视器都能达到该基准性能。但是选取最弱的监视器为基准,也是某种程度的浪费,那些性能优秀的监视器将发挥不出其优势,所以在基准监视器的选择上要依据项目的具体情况而定。
如何获得校正监视器的 1D LUT 并不是本文的主要内容,色彩管理系统通过计算一系列色阶与测试结果的差值可以很方便地得出该监视器的校正 1DLUT,一般来讲,监视器的色温、最高亮度和最低亮度以及 GAMMA都有规定。但是如何将得到的 1D LUT 作用于该监视器上,可以有几种不同的方法。一种方式就是调色软件或其它的应用程序可以识别该 1D LUT,比如 Quantel Iq 就可以自动读取 1D LUT。有一些调色或应用软件并不能读取 1DLUT,或者该软件不支持特定的 1D LUT 的格式。

这种情况下就需要使用色彩空间转换器。现在很多厂家均提供色彩空间转换器,比如 Thomson LU—Ther CSC 4000 或 Truelight sDI,这类色彩空间转换器的作用就是把 LuT 加载于输入信号并转换成输出信号后再传送给监视器,在监视器上看到的将是经过转换以后的画面,这实际上与应用软件直接读取 1DLUT 的效果是一样的。这类色彩空间转换器一般都可支持多种视频格式,基本上能够满足多数情况下的需求,并且对信号的处理都是实时的,这也是色彩空间转换器必须具备的性能之一。用户的 LUT 通过 USB 接口或者局域网加载到该设备。色彩空间转换器还具备 LUT 的叠加功能,就是将不同的 LUT 同时作用于输入视频以获得某个最终效果。但是目前市场上的众多色彩空间转换器存在着 LUT 格式不兼容的问题。可能是由于商业因素使得各厂家均使用自定义的格式,这就使得通过一个厂家的色彩管理系统所获得的 LUT 有可能无法加载到另一个厂家生产的色彩空间转换器上。现在市面上还出现了一种具有色彩空间转换器功能的监视器,比如 Cinetal。这种监视器将色彩空间转换器集成到监视器内部,使用上更加方便,体积也小了很多。可加载 LUT 的监视器是未来一段时间内高端监视器的发展方向。

2、校正监视器与胶片之间的差距

lut-zhishi1-2
图 2 为监视器与胶片拷贝在 CIE XYZ 坐标中色彩空间的差异,我们在这里看到两种色彩空间的大部分是重合的,但是很多的边缘部分存在不同。实际上监视器的显色原理与胶片拷贝的完全不同,监视器利用的是红绿蓝为三基色的加色法,而胶片拷贝相当于是以黄品青为三基色的减色法,它们在成色原理上完全不同。这就意味着我们不可能像校正不同的监视器之间的差异那样用 1D LUT 来校正监视器与胶片之间的差距,因为我们找不到这两种截然不同的色彩空间的三基色之间的独立对应关系。实际上监视器的色彩空间与胶片拷贝的色彩空间之间的每一种色彩都是一一对应的。
Rout=LUT(Rin,Gin。Bin)
Gout=LUT(Rin,Gin,Bin)
Bout=LUT(Rin,Gin,Bin)
以上公式表达的就是 3D LUT 的对应关系,从中我们可以看到转换后色彩空间的每一个通道与转换前的三个通道均相关,这也是 3D LUT 区别于 1DLUT 的最本质问题。对于 10bit 系统,监视器的色彩空间有 10243≈1G 种色彩,同样胶片拷贝的色彩空间也有 1G 种色彩。

要精确地列举它们之间的这种对应关系,我们需要 1G×3×10bit=30Gbit 的数据量,如此大的一个 LUT 不论是存储还是计算都是不现实的,所以必须找到更加简单的手段。在实际应用中,我们在 3D LUT 中使用节点的概念,由于我们不可能将不同的色彩空间中的每一种色彩都一一对应地列举出来,那么我们就应采取某种简化手段,即每间隔一定的距离做一次列举,而两次列举之间的色彩值采用插值的方式计算出来。我们列举出来的对应值叫做节点,而节点的数目是衡量 3D LUT精度的重要标志。我们通常所说的 17 个节点的 3D LUT 是指在每个通道上等间距的取 17 个点,而该 3D LUT真正具有 173=4913 个节点,它的数据量为 4913 X 3 X 10bit=147.39kbit,显然比不做简化处理的 30Gbit小的多。3D LUT 的节点数目一般是 2 抖 1,比如 17、33、65、129、257 等,目前市面上的色彩管理系统可支持最高的节点数目在 257。

lut-zhishi1-3图 3 是应用 3D LUT 校正的调色过程与未应 3D LUT 校正的调色过程与未应用 3D LUT 校正的调色过程的示意图。从图中我们可以看到如果没有经过 3D LUT 校正,调色师虽然在监视器上看到了适合的色调,但是很可能与胶片拷贝的色调完全不同,这是因为调色的依据就是不准确的。我们应该明确,无论监视器的画面看上去与最终银幕的画面多么接近,它们的差别仍然是巨大的,调色师或者摄影师有责任明确这种差别,在调色时不能以监视器内的画面为最终目标,而应以脑海中想象的银幕上的画面为最终目标,监视器的画面起的是参考作用而不是决定作用。
色彩管理系统在整个色彩校正过程中是分阶段进行的。该系统提供一系列标准的色标,然后用胶片记录仪将这些色标输出后测量出原底负片的密度,根据这些密度值系统生成一个 3D LUT。3D LUT 的作用就是校准标准色标与某胶片记录仪和特定冲洗环境之间的差距;对拷贝片也有一个校正,这个校正校准的是拷贝的密度与标准色标之问的差别。色彩管理系统甚至可以根据对拷贝的校正和对原底片的校正得出特定拷贝片的 3D LUT。分阶段测试的好处就是我们可以得到特定底片和拷贝片的特性信息,这些特性信息存储在相应的 3D LUT 中,在使用时我们可以根据原底的型号和拷贝的型号挑选 3D LUT,将它们叠加。实际上系统将这些 LUT 自动叠加然后生成一个新的 LUT,该 LUT 可以加载到应用软件或色彩空间转换器中去,使监视器更加接近胶片拷贝的效果。多数情况下对整个色彩系统的测量至拷贝片的密度即可,有一些色彩管理系统还提供了对放映环境的测量,通过对特定放映机光谱和屏幕反射特性的测量得出一个与放映有关的 LUT。这种 LUT 使用的较少,因为不同放映环境的差别实在太大了,不可能一一考虑。
3、白平衡处理
Thomson Viper 是一款机内不进行白乎衡处理的数字摄影机,由于感绿 CCD 的灵敏度要明显高于感红 CCD和感蓝 CCD,所以从 Viper 输出的信号画面明显发绿,在后期处理中必须进行白平衡处理。

lut-zhishi1-4 图 4 是 Viper 白平衡处理前后的画面,两画面中间的曲线是 LUT 的红绿蓝三通道输入与输出的对应关系,横坐标是输入值,纵坐标是输出值。从曲线中我们可以看到绿色被抑制的最多(最下面那一条曲线),这与感绿 CCD 的高灵敏度是相抵消的。
该 LUT 是一个 1D LUT,其输出的三个通道值不依赖其它通道。但某些应用软件中 1D LUT 的效果不能够渲染出来,我们需要将 1D LUT 转化成 3DLUT。实践证明这是可行的,只是转换后的 3DLUT 只具有 1D LUT的精度,只是一个具有 3DLUT 格式的 1D LUT,并不是一个真正的 3DLUT。Thomson 生产厂家提供了白平衡 1D LUT 的生成器,用户也可以得到生成 LUT 的自平衡公式。需要说明的是该公式只适用于线性空间,而 Viper 的 Filmstream 是对数空间,在应用该公式时我们必须将Filmsteam 的 10bit 对数空间转换成 12bit 线性空间, 12bit 线性空间中应用该公式才能得到正确的结果,在然后再将结果转换为 10bit 对数空间。

另外一种获得该白平衡 LUT 的方法是测试拍摄,在已知色温环境下分别拍摄 2%、18%和 90%的灰板,这些灰板在经过白平衡处理后的目标 Codec 值见下表:

lut-zhishi1-5

有了这些目标值再加上我们实拍得到的灰板的 Codec 值,我们就可以用插值的方法得到该色温下的LUT 了,在实践中这种方法基本上可以满足白平衡的要求。详情请参看网站懈 digitalpraxisnet。在实践中往往在拍摄现场对这类 LUT 的需求量最大。Viper 的 FilmStream 监看画面有严重的偏绿现象;如果不加处理,在现场很容易给他人造成错误印象,特别是在非专业人士眼里,Viper 的原始画面是很难接受的。我们完全可以在现场使用加载了白平衡 LUT 的色彩空间转换器以获得正常色彩关系的监看画面。
4、调色
以上几种 LUT 的使用方法都是在影像质量的控制过程中进行的,并没有对影像进行创造性的加工。LUT的另外一类用途就是调色,也就是对影像进行创造性的处理。调色过程一般都是由调色系统来完成,LUT起到的作用就是记录调色前后色彩的变化,然后将这种变化应用到影像当中去。一些色彩管理系统可以制作调色用 LUT,比如 Thomson LUTher。当调色师对某一影像进行调色后,确定该调色结果满意,并希望记录下这种调色效果时,可使用 LUTher 为调色系统(比如 DaVinci)提供一组标准色阶,这组色阶对应的就是 3DLUT 中各节点的位置(LUTher 提供的是 173=4913 个色阶)。在 DaVinci中将同样的调色过程和配置应用到这组色阶上,可得到被调色的色阶。LUTher 利用调色前后的色阶可直接
获得该调色效果的 3D LUT。
有一些调色软件,如 Final Touch,本身就具备生成 3D LUT 的功能,也就是说我们不需要使用色彩管理系统即可用 3D LUT 记录调色效果。这种功能是今后调色系统的发展趋势。使用 3D LUT 调色的方便之处就是可以将某种调色过程直接应用到素材上,避免了调色师的重复劳动。比如某个影片追求“消色”效果,在调色师将一个具有代表性的镜头的影调和色调确定之后,完全可以利用3D LUT 将该效果记录下来并应用到其它镜头上。3D LUT 调色的另一个优点就是可以统一各种不同的调色系统,目前较大的后期公司往往拥有多套不同品牌的调色系统,只有 3D LUT 才能将各个系统的调色效果统一起来,使不同系统获得一致的结果。调色过程是创造过程,不论前期拍摄控制得多么精确、多么统一,但每个镜头的影调都有其自身特点,将一个镜头的调色结果应用于别的镜头,不一定能获得理想效果。我们可以将 3D LUT 在调色过程中的使用理解成只是将素材“铺”上一层大调子,最终符合导演意图的画面仍然要在“大调子”的基础上调整。实际上利用 3D LUT 调色是将原始影像调整得更接近目标效果,而不是达到目标效果。另外,解算 3D LUT 的方法使用的是线性插值,如果用节点数目比较低的 3D LUT 来渲染原始影像,会造成较明显的损失,具体来说就是均匀变化的肤色有可能会出现不均匀的突变,解决办法只能是提高节点数目。
小结
LUT 是连接不同色彩空间的桥梁,在影像数字化的今天,LUT 在后期处理特别是在色彩管理过程中发挥着重要的作用。利用 LUT 可以在后期系统中校准不同显示媒介的差别,进行白平衡的调整,进行线性空间与对数空间的转换,进行 GAMMA 校正等。LUT 在调色过程中也可以发挥作用,它可以将调色效果记录下来应用到其它素材上,从而获得统一的影调。1D LUT 与 3D LUT 的本质区别就是转换后的色彩空间的 RGB 三通道是否与转换前的 RGB 三通道单独关联,如果单独关联,1D LUT 即可适用;如果不单独关联,需要使用 3D LUT。在实际应用中 3D LUT 被广泛应用,理论上讲,3D LUT 可以代替 1D LUT,反过来,1D LUT 不能代替 3DLUT。目前各厂家在 LUT 文件格式上还没有取得统一,这在实际应用过程中会造成一系列的问题,希望统一格式的 LUT 在不久的将来会被大多数厂家采用。
参考文献:
1、www.digitalpraxis.net
2、3D LUT Designer for LUTher color space converter – Thomson
3、A Guided Tour of Color Space,Charles Poyton;
4、Colour Space Conversions,Adrian Ford。