百度360必应搜狗淘宝本站头条
当前位置:网站首页 > 技术文章 > 正文

滤镜Shader——LookUpTable(slumber滤镜)

zhezhongyun 2025-06-12 19:07 49 浏览

Look Up Table(简称LUT,颜色查找表)是一种降低GPU运算量的技术,通过事先将颜色值存储在一张缓存表中当需要运算的时候直接从这张表中索引出对应的颜色值,本质上可看做计算机领域常见的存储空间换运算时间的算法应用,这项技术常用于图像调色领域。

LUT被分为1D/3D,它们的本质区别在于索引输出值所需的索引数。最简单的LUT由单个变量索引,因此称为一维(或1D)LUT。可以看做是一个f(x) = y的转换公式计算结果,我们要利用1DLUT做什么取决于你所定义的公式是用来干嘛的。比如可以定义这个1DLUT是亮度/伽马/饱和度/色彩平衡的映射公式:

但是在实际使用场景中,许多有用的颜色操作不能只在单个变量上参数化,因此不可能使用1DLUT实现。例如,考虑将彩色像素转换为灰度等效像素的”亮度算子”,因为每个输出值是作为三个输入通道的加权平均值导出的,所以很难用1DLUT表示这样的运算。

在滤镜的LUT效果应用通常指的是利用3DLUT预存风格化效果的色彩RGB值,通过mix函数将原始输入图像的色彩和风格化色彩进行比例混合得到的效果。

我们知道在RGB888色彩每个分量的有效值是[0,256],那么完整采样的色域空间为就256*256*256约为16M,意味着理论上约有16M种颜色可供调整。显然实际上并不会用到那么多的颜色,通常会通过列举节点来储存,而两个节点之间的颜色通过插值运算出来。

3DLUT滤镜

本质3DLUT中存储的就是一堆色值RGB数据,它可以用一个颜色方块(Color Cube)表示出来,可以直接存在三维数组中,也可也转换成一张颜色图片(Open GL ES 2.0不支持3D纹理,因此我们需要找出另一种表示3D彩色立方体的方法。一种常见的方法是沿Z轴(蓝色)切割立方体,并将每个切片并排放置在二维网格中)

接下来介绍如何使用一张从PhotoShop导出的LUT图片实现一个滤镜效果,之前提到了在实际应用过程中我们并不需要完整的256*256*256种色彩。

例如下图这张512x512分辨率大小的原始色彩LUT图(RGB均为线性插值分布,效果即原始色彩)上面有8x8个大格子,也就是说每个网格的边长为512/8=64,意味着每个大格子内部又可以分为64x64个小格子用来存储色彩像素点,则这张图总共能存64 * 64 * 64 = 512 * 512种色彩。

每个大格子中存有64*64个小格子,小格子的x轴表示[0,255]的R通道值,y轴表示[0,255]的G通道,而巧妙的将B通道分量放到8*8的大格子中(从左到右,从上到下存着64种的某个数),最后RGB三个分量叠加后得到的色彩效果才是上面那张图。

实现效果

这里使用之前编写的滤镜处理框架添加一个
MetalImageLookUpTableFilter
实现LUT图片滤镜效果,我们要实现的效果就是利用LUT上的颜色值替换原有输入纹理的颜色值。

那么具体要如何利用LUT图片上存储的色彩呢,映射LUT颜色值的过程如下:

  1. 获取输入纹理的色彩值px
  2. 根据px的B获取3DLUT图片上对应的B,从而定位出第一层坐标的位置
  3. 根据px上的RG获取3DLUT图片上对应的RG,从而定位出第二层坐标的位置
  4. 合并两层坐标利用(x,y)得到px映射在LUT图片上的颜色值

直接取原始输入纹理上的蓝色值进行运算会有采样上的误差导致最终效果不理想,比如蓝色值介于LUT纹理两个相邻单元格的值之间,这里可以再加一步插值运算。具体的Metal脚本如下:

struct LutInfo {
    unsigned int maxColorValue;   // lut每个分量的有多少种颜色最大取值
    unsigned int latticeCount;    // 每排晶格数量
    unsigned int width;           // lut图片宽度
    unsigned int height;          // lut图片高度
};
fragment float4 lookUpTableFragment(SingleInputVertexIO fragmentInput [[stage_in]],
                                    constant float &intensity [[buffer(2)]],
                                    constant LutInfo &lutInfo [[buffer(3)]],
                                    texture2d<float> inputTexture [[texture(0)]],
                                    texture2d<float> lutTexture [[texture(1)]]) {
    constexpr sampler quadSampler;
    float4 px = inputTexture.sample(quadSampler, fragmentInput.textureCoordinate);
    
    // B通道对应LUT上的数值
    float blueColor = px.b * lutInfo.maxColorValue;
    
    // 计算临近两个B通道所在的方形LUT单元格(从左到右从,上到下排列)
    float2 quad_l, quad_h;
    quad_l.y = floor(floor(blueColor) / lutInfo.latticeCount);
    quad_l.x = floor(blueColor) - quad_l.y * lutInfo.latticeCount;
    quad_h.y = floor(ceil(blueColor) / lutInfo.latticeCount);
    quad_h.x = ceil(blueColor) - (quad_h.y * lutInfo.latticeCount);
    
    // 单位像素上的中心偏移量
    float px_length = 1.0 / lutInfo.width;
    float cell_length = 1.0 / lutInfo.latticeCount;
    
    // 根据RG、B偏移量计算LUT上对应的(x,y)
    float2 lut_pos_l, lut_pos_h;
    lut_pos_l.x = (quad_l.x * cell_length) + px_length / 2.0 + ((cell_length - px_length) * px.r);
    lut_pos_l.y = (quad_l.y * cell_length) + px_length / 2.0 + ((cell_length - px_length) * px.g);
    lut_pos_h.x = (quad_h.x * cell_length) + px_length / 2.0 + ((cell_length - px_length) * px.r);
    lut_pos_h.y = (quad_h.y * cell_length) + px_length / 2.0 + ((cell_length - px_length) * px.g);
    
    // 获取映射的LUT颜色
    float4 graded_color_l = lutTexture.sample(quadSampler, lut_pos_l);
    float4 graded_color_h = lutTexture.sample(quadSampler, lut_pos_h);
    float4 graded_color = mix(graded_color_l, graded_color_h, fract(blueColor));
    
    // 根据intensity定制效果程度
    float4 newColor = mix(px, float4(graded_color.rgb, px.w), intensity);
    return newColor;
}

参考

Chapter 24. Using Lookup Tables to Accelerate Color Transformations | NVIDIA Developer
Apple Developer Documentation
opengl - How to use 3d lookup table and map its pixel value to an image? - Stack Overflow
Grading shader tutorial
What is a LUT or Look Up Table - Learn uses and basics of how they work
调色名词浅析——LUT - 知乎
3D Lut 电影级调色算法 附完整C代码 - cpuimage - 博客园
GPUImage源码阅读(十) - 简书

相关推荐

Python入门学习记录之一:变量_python怎么用变量

写这个,主要是对自己学习python知识的一个总结,也是加深自己的印象。变量(英文:variable),也叫标识符。在python中,变量的命名规则有以下三点:>变量名只能包含字母、数字和下划线...

python变量命名规则——来自小白的总结

python是一个动态编译类编程语言,所以程序在运行前不需要如C语言的先行编译动作,因此也只有在程序运行过程中才能发现程序的问题。基于此,python的变量就有一定的命名规范。python作为当前热门...

Python入门学习教程:第 2 章 变量与数据类型

2.1什么是变量?在编程中,变量就像一个存放数据的容器,它可以存储各种信息,并且这些信息可以被读取和修改。想象一下,变量就如同我们生活中的盒子,你可以把东西放进去,也可以随时拿出来看看,甚至可以换成...

绘制学术论文中的“三线表”具体指导

在科研过程中,大家用到最多的可能就是“三线表”。“三线表”,一般主要由三条横线构成,当然在变量名栏里也可以拆分单元格,出现更多的线。更重要的是,“三线表”也是一种数据记录规范,以“三线表”形式记录的数...

Python基础语法知识--变量和数据类型

学习Python中的变量和数据类型至关重要,因为它们构成了Python编程的基石。以下是帮助您了解Python中的变量和数据类型的分步指南:1.变量:变量在Python中用于存储数据值。它们充...

一文搞懂 Python 中的所有标点符号

反引号`无任何作用。传说Python3中它被移除是因为和单引号字符'太相似。波浪号~(按位取反符号)~被称为取反或补码运算符。它放在我们想要取反的对象前面。如果放在一个整数n...

Python变量类型和运算符_python中变量的含义

别再被小名词坑哭了:Python新手常犯的那些隐蔽错误,我用同事的真实bug拆给你看我记得有一次和同事张姐一起追查一个看似随机崩溃的脚本,最后发现罪魁祸首竟然是她把变量命名成了list。说实话...

从零开始:深入剖析 Spring Boot3 中配置文件的加载顺序

在当今的互联网软件开发领域,SpringBoot无疑是最为热门和广泛应用的框架之一。它以其强大的功能、便捷的开发体验,极大地提升了开发效率,成为众多开发者构建Web应用程序的首选。而在Spr...

Python中下划线 ‘_’ 的用法,你知道几种

Python中下划线()是一个有特殊含义和用途的符号,它可以用来表示以下几种情况:1在解释器中,下划线(_)表示上一个表达式的值,可以用来进行快速计算或测试。例如:>>>2+...

解锁Shell编程:变量_shell $变量

引言:开启Shell编程大门Shell作为用户与Linux内核之间的桥梁,为我们提供了强大的命令行交互方式。它不仅能执行简单的文件操作、进程管理,还能通过编写脚本实现复杂的自动化任务。无论是...

一文学会Python的变量命名规则!_python的变量命名有哪些要求

目录1.变量的命名原则3.内置函数尽量不要做变量4.删除变量和垃圾回收机制5.结语1.变量的命名原则①由英文字母、_(下划线)、或中文开头②变量名称只能由英文字母、数字、下画线或中文字所组成。③英文字...

更可靠的Rust-语法篇-区分语句/表达式,略览if/loop/while/for

src/main.rs://函数定义fnadd(a:i32,b:i32)->i32{a+b//末尾表达式}fnmain(){leta:i3...

C++第五课:变量的命名规则_c++中变量的命名规则

变量的命名不是想怎么起就怎么起的,而是有一套固定的规则的。具体规则:1.名字要合法:变量名必须是由字母、数字或下划线组成。例如:a,a1,a_1。2.开头不能是数字。例如:可以a1,但不能起1a。3....

Rust编程-核心篇-不安全编程_rust安全性

Unsafe的必要性Rust的所有权系统和类型系统为我们提供了强大的安全保障,但在某些情况下,我们需要突破这些限制来:与C代码交互实现底层系统编程优化性能关键代码实现某些编译器无法验证的安全操作Rus...

探秘 Python 内存管理:背后的神奇机制

在编程的世界里,内存管理就如同幕后的精密操控者,确保程序的高效运行。Python作为一种广泛使用的编程语言,其内存管理机制既巧妙又复杂,为开发者们提供了便利的同时,也展现了强大的底层控制能力。一、P...