3D-LUT (Farbraumtabelle)

Eine 3D-LUT ist eine Wertetabelle im Signalweg: Für eine begrenzte Zahl von Stützpunkten im Farbraum steht darin, welche Ausgabefarbe das Gerät liefern soll, wenn eine bestimmte Eingangsfarbe ankommt. Alles zwischen den Stützpunkten wird gerechnet. LUT steht für Look-Up Table, Nachschlagetabelle; das „3D" bezeichnet die drei Achsen Rot, Grün und Blau, die den Würfel aufspannen.

Was in der Tabelle steht

Der Würfel ist ein Gitter über den Farbraum. Auf jeder der drei Achsen liegt dieselbe Zahl von Stützstellen, und an jedem Gitterpunkt steht ein Ausgabe-Tripel aus Rot, Grün und Blau. Kommt ein Bildpunkt herein, suchen die drei Farbkomponenten des Eingangswerts die nächstliegenden Punkte auf jeder Achse; der Ausgabewert wird innerhalb des Volumens interpoliert, das diese Punkte aufspannen. So beschreibt es das Common LUT Format, das bei der SMPTE derzeit als Entwurf ST 2136-1 liegt.

Die Gitterdichte ist der zentrale Kompromiss. Ein Würfel mit 17 Punkten je Achse enthält knapp 5.000 Einträge, einer mit 65 Punkten schon rund 275.000 — die Zahl wächst mit der dritten Potenz. Eine dichtere Tabelle rechnet genauer, kostet aber Speicher und Rechenzeit im Gerät. Das Common LUT Format rät von Kantenlängen über 128 Punkten ab; in der Kalibrierpraxis sind 17, 33 und 65 die üblichen Größen.

Zwischen den Stützstellen wird interpoliert, und dafür gibt es zwei gebräuchliche Verfahren: trilinear rechnet über die acht Ecken des umgebenden Würfelchens, tetraedrisch zerlegt dieses Würfelchen zuvor in Tetraeder und rechnet über vier Ecken. Die Wahl ist keine Kleinigkeit, weil sie genau dort wirkt, wo keine gemessenen Werte liegen — und das ist der weitaus größere Teil aller Farben.

Warum es 1D und 3D gibt

Eine 1D-LUT ist eine Kurve je Kanal. Sie bekommt einen Rotwert und gibt einen Rotwert zurück, ohne zu wissen, wie viel Grün und Blau daneben liegen. Damit lassen sich Gammaverlauf und Graubalance einstellen, also alles, was sich als Verschiebung entlang der Helligkeitsskala beschreiben lässt. Für Farbton und Sättigung reicht sie prinzipiell nicht: Wer ein zu gelbliches Grün korrigieren will, muss Rot in Abhängigkeit von Grün verändern, und genau das kann eine kanalweise Kurve nicht.

Die 3D-LUT kann es, weil alle drei Komponenten gemeinsam in die Suche gehen. Deshalb stehen in der Praxis beide nebeneinander: die 1D-LUT für die Skala, die 3D-LUT für die Farben. Das Common LUT Format kennt für diese Aufgabenteilung eigene Bausteine und empfiehlt, einer 3D-LUT eine nichtlineare Vorstufe voranzustellen, damit die Stützpunkte dort dichter liegen, wo das Auge empfindlich ist — sonst verteilt das Gitter seine Genauigkeit gleichmäßig über einen Wertebereich, in dem die dunklen Töne den größten Teil der sichtbaren Abstufungen ausmachen.

Wo die Tabelle liegt — und was daraus folgt

Die Korrekturdaten müssen irgendwo gespeichert sein, und die Wahl des Orts ist eine Planungsentscheidung mit langer Wirkung.

Im Bildgeber. Viele Projektoren und Fernseher bringen ein eigenes Farbmanagement mit, manche eine echte 3D-LUT. Das ist der kürzeste Weg und kostet kein zusätzliches Gerät. Die Daten hängen dann allerdings an diesem Gerät: Sie gelten je Bildmodus, sie gehen mit dem Gerät, und sie sind so fein, wie das Gitter des Herstellers es zulässt.

Im Videoprozessor. Liegt die Tabelle in einem Gerät zwischen Zuspieler und Bildgeber, gilt sie für alles, was durch dieses Gerät hindurchgeht, unabhängig davon, welche Quelle gerade sendet. Wird der Projektor getauscht, wird neu eingemessen — die Struktur der Anlage bleibt dieselbe. Was ein externer Prozessor sonst noch leistet und wann er sich rechnet, ordnet die Seite zum externen Videoprozessor ein.

Im Zuspieler oder in der Wiedergabesoftware. Möglich, aber die Korrektur gilt dann nur für diese eine Quelle. Für eine Anlage mit mehreren Zuspielern ist das die schwächste Lösung, weil jede Quelle ihre eigene Pflege bräuchte.

Die Faustregel dahinter: Je weiter vorn im Signalweg die Tabelle liegt, desto weniger Geräte profitieren von ihr; je weiter hinten, desto mehr. Und je länger die Anlage stehen bleiben soll, desto mehr zählt die Frage, welches Gerät zuerst ausgetauscht wird.

Wo die Grenzen liegen

Eine Farbraumtabelle korrigiert nach innen. Sie ordnet Farben um, die das Gerät bereits darstellen kann; sie schafft keine hinzu. Ein Bildgeber, der ein Ziel-Rot physikalisch nicht erreicht, erreicht es auch mit der besten Tabelle nicht — dort bleibt nur, die übrigen Farben darauf abzustimmen, damit das Verhältnis untereinander stimmt. Welche Farben überhaupt erreichbar sind, klärt der Farbraum.

Drei weitere Grenzen sind in der Planung wichtig:

• Zwischen den Stützpunkten wird geraten. Die Interpolation ist eine Näherung. Wo das Gerät sich zwischen zwei Gitterpunkten unerwartet verhält, bildet die Tabelle das nicht ab. Ein dichteres Gitter verkleinert den Fehler, und genau das nennt auch der Implementierungsleitfaden des Common LUT Format als Weg zu mehr Genauigkeit.
• Rechnen kostet Auflösung. Jede Umrechnung verschiebt Werte zwischen den Stufen des Signals. Ist die Verarbeitung im Gerät zu grob ausgelegt, entstehen sichtbare Stufen in weichen Verläufen — der Zusammenhang dazu steht bei der Bittiefe.
• Eine Tabelle ist ein Stand, kein Zustand. Lichtquellen altern und verschieben sich dabei in Helligkeit und Farbe. Die Tabelle merkt davon nichts; sie rechnet weiter mit den Werten des Einmesstags.

Häufiges Missverständnis

„Eine LUT verbessert das Bild." Eine leere oder unbedacht erzeugte Tabelle verbessert gar nichts. Was in ihr steht, stammt aus einer Messung am aufgebauten Gerät im fertigen Raum. Ohne diese Messung enthält sie nichts, was das Gerät nicht auch selbst könnte. Die Tabelle ist der Ort des Ergebnisses; die Arbeit ist die Bildkalibrierung.

„LUT ist LUT." Im Filmschnitt heißen auch gestalterische Umfärbungen so — der berühmte Kinolook aus dem Netz ist technisch dieselbe Datenstruktur. Er verfolgt aber das Gegenteil des Ziels: Er verfremdet das Bild absichtlich, während die Kalibrier-Tabelle es auf den Studiostand zurückholt. Eine im Netz gefundene Datei in den Bildweg zu legen, ist deshalb keine Kalibrierung.

„Mit einer 3D-LUT brauche ich keine Graustufenkorrektur mehr." Die Aufgaben überschneiden sich nur teilweise. Die Skala von Schwarz nach Weiß hat weit mehr Abstufungen, als ein Farbwürfel Stützpunkte je Achse mitbringt; sie wird deshalb weiterhin mit einer eigenen kanalweisen Korrektur eingestellt. Beide zusammen ergeben das kalibrierte Bild.

„Die Tabelle gilt für HDR genauso." Der HDR-Betrieb ist ein eigener Zustand mit eigenen Kurven, und die entscheidende Größe darin — die Anpassung an die tatsächliche Spitzenhelligkeit des Geräts — ist eine laufende Rechnung und keine feste Tabelle. Beide Betriebsarten werden getrennt eingemessen und getrennt abgelegt.

Nicht zu verwechseln mit

• 1D-LUT: Eine Kurve je Kanal für Gammaverlauf und Graubalance. Sie arbeitet kanalweise und erreicht Farbton und Sättigung nicht.
• Bildkalibrierung: Das Verfahren mit Messgerät und Zielwerten, siehe Bildkalibrierung. Die 3D-LUT ist nur die Form, in der dessen Ergebnis gespeichert wird.
• Farbraum: Der Zielraum, auf den korrigiert wird, siehe Farbraum. Die Tabelle beschreibt den Weg dorthin.
• Filmlook-Datei: Gestalterische Umfärbung in derselben Datenstruktur, ohne Bezug zum Gerät.
• ICC-Profil: Die verwandte Struktur aus dem Druck- und Bildbearbeitungsbereich. Sie beschreibt ein Gerät, statt eine Korrektur im laufenden Videosignal auszuführen.

In der Planung

Ein Kinoraum ist fertig, Projektor und Leinwand stehen, die Kalibrierung ist beauftragt. Der Kunde fragt, warum das Angebot einen zusätzlichen Videoprozessor enthält, wo der Projektor doch ein eigenes Farbmanagement mitbringt.

Die erste Rückfrage geht an das Gerät selbst: Kann der Projektor überhaupt eine Farbraumtabelle aufnehmen? Viele Geräte bringen nur ein Farbmanagement über eine Handvoll Regler mit, und ein vollständiges dreidimensionales Gitter lässt sich dort nicht laden. Wo das so ist, stellt sich die Frage nach dem Ablageort gar nicht — dann führt der Weg über ein Gerät davor.

Kann er es, hängt die Antwort nicht am Bild von heute. Beide Wege führen zunächst zum selben Ergebnis: Die Messwerte landen in einer Tabelle, das Bild stimmt. Der Unterschied zeigt sich beim ersten Wechsel. Liegt die Tabelle im Projektor, ist sie mit ihm weg, und mit ihr die Abstimmung aller Quellen. Liegt sie im Prozessor, wird nur der neue Projektor eingemessen, während die Kette davor unverändert bleibt.

Damit wird die Entscheidung planbar. Drei Größen bestimmen sie: wie viele Quellen im Spiel sind, wie lange der Bildgeber voraussichtlich bleibt und ob eine Nachkalibrierung überhaupt vereinbart ist. Bei einer Quelle, einem Gerät für die nächsten Jahre und ohne Wartungsvereinbarung ist die Ablage im Bildgeber die ehrlichere Empfehlung — der Prozessor löst dann ein Problem, das dieser Kunde nicht hat. Bei einem dedizierten Kinoraum mit mehreren Zuspielern und gepflegter Anlage kehrt sich das um.

Über die Bildqualität am Übergabetag entscheidet das nicht; die stimmt auf beiden Wegen. Entschieden wird es über die Lebensdauer der Geräte.

Ein Punkt gehört dazu: Die Farbraumtabelle ist nur einer der Gründe, die für ein eigenes Gerät sprechen. Skalierung, Tonwertabbildung und die Verwaltung verschiedener Bildformate sind eigene Fragen, die ein Projektor mit eingebautem Farbmanagement nicht miterledigt. Was ein externer Videoprozessor sonst noch übernimmt, gehört deshalb in dieselbe Abwägung — wer allein über den Ablageort der Tabelle entscheidet, entscheidet zu schmal.

Verknüpfte Inhalte

Das Verfahren, dessen Ergebnis hier gespeichert wird, steht bei der Bildkalibrierung; den Zielraum beschreibt der Farbraum, den Verlauf dazwischen das Gamma und den Oberbegriff dazu die Übertragungsfunktion. Warum eine zu geringe Bittiefe die Arbeit der Tabelle sichtbar macht, steht dort. Wann ein Gerät mit eigener Tabelle im Signalweg sinnvoll ist, klärt die Seite zum externen Videoprozessor.

Quellen

Die Arbeitsweise einer 3D-LUT — die drei Farbkomponenten des Eingangswerts suchen die nächstliegenden Stützstellen auf jeder Achse des Würfels, der Ausgabewert wird innerhalb des aufgespannten Volumens interpoliert — steht in der Spezifikation des Common LUT Format, ebenso die gleiche Kantenlänge auf allen Achsen, die Empfehlung gegen Kantenlängen über 128 Punkten und die beiden Interpolationsverfahren trilinear und tetraedrisch. Dieselbe Spezifikation legt fest, dass eine 1D-LUT bei RGB-Eingang auf alle drei Komponenten gleich angewendet und linear interpoliert wird. Dass ein größerer Würfel genauer rechnet und dass einer 3D-LUT üblicherweise eine nichtlineare Vorstufe vorangestellt wird, steht im zugehörigen Implementierungsleitfaden. Die SMPTE führt das Format als ST 2136-1 mit den Typen 1D, 3D und 3×1D; die Fassung wurde als öffentlicher Entwurf gelesen.