色彩科学Vol.11 设备色彩特征化：ICC-Profile与3D-LUT

前言：巴别塔的倒塌

在数字世界中，RGB 是最通用的语言。然而，这是一种“方言”。

• 显示器 A 的 RGB(0, 255, 0) 可能是鲜艳的翠绿。
• 显示器 B 的 RGB(0, 255, 0) 可能是暗淡的草绿。

如果设备之间没有翻译，色彩交流就会变成鸡同鸭讲。为了解决这个问题，我们需要建立设备 RGB 值与绝对色彩空间（如 CIE XYZ 或 Lab）之间的映射关系，这个过程称为设备特征化。

ICC Profile：色彩身份证

国际色彩联盟（ICC）制定了通用的文件格式——ICC Profile。它就像设备的“色彩身份证”，记录了该设备如何显示或打印颜色。

ICC 色彩管理的核心架构是 PCS。PCS 通常是 Lab 或 XYZ 空间。

• 输入设备（相机）：RGB $\to$ PCS
• 输出设备（屏幕/打印机）：PCS $\to$ RGB/CMYK

Matrix/TRC 型 Profile

对于显示器这种加色混合设备，通常使用简单的 Matrix/TRC 模型。

1. TRC (Tone Reproduction Curve)：即 Gamma 曲线，负责将非线性的 RGB 信号线性化。 $$R_{lin} = f(R_{device}), \quad G_{lin} = f(G_{device}), \quad B_{lin} = f(B_{device})$$
2. Matrix (3x3 矩阵)：负责将线性 RGB 映射到 XYZ。 $$\begin{bmatrix} X \\ Y \\ Z \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} X_r & X_g & X_b \\ Y_r & Y_g & Y_b \\ Z_r & Z_g & Z_b \end{bmatrix} \begin{bmatrix} R_{lin} \\ G_{lin} \\ B_{lin} \end{bmatrix}$$ 其中 $(X_r, Y_r, Z_r)$ 是红色基色的 XYZ 坐标，以此类推。

LUT 型 Profile

对于打印机（CMYK）等非线性强、存在色域压缩的设备，简单的矩阵无法描述其行为。此时使用 Look-Up Table。

• A2B Tag：Device $\to$ PCS
• B2A Tag：PCS $\to$ Device

LUT 实际上是一个多维数组，通过插值算法（如四面体插值 Tetrahedral Interpolation）来计算任意点的颜色。

3D LUT：电影工业的神器

在电影后期制作和高端显示器校准中，常听到 3D LUT。它与 ICC Profile 有何不同？

结构与原理

3D LUT 本质上是一个三维立方体网格（Cube）。

• 输入：RGB 三元组。
• 输出：RGB 三元组。

它直接定义了从输入色彩空间到输出色彩空间的映射，不经过 PCS（或者说 PCS 隐含在映射中）。 例如，一个 17x17x17 的 3D LUT 包含 $17^3 = 4913$ 个控制点。

优势

• 非线性校正能力强：可以精确校正色相偏移（如“蓝转青”）、饱和度非线性压缩等复杂问题。
• 计算速度快：硬件实现简单，适合实时视频处理。

1D LUT vs 3D LUT

• 1D LUT：三个独立的 1D 数组。只能控制 Gamma 和白平衡，无法独立调整某一个颜色的饱和度或色相（例如，无法在不影响白色的情况下把红色变暗）。
• 3D LUT：全耦合映射。可以实现“保持肤色不变的同时降低背景饱和度”这种复杂操作。

总结与展望

ICC Profile 和 3D LUT 是静态色彩管理的基石。它们解决了“如何让这台设备显示正确的颜色”的问题。

然而，随着 HDR（高动态范围）和广色域（Wide Gamut）技术的兴起，传统的 ICC 流程（基于 D50/D65 SDR）开始显得力不从心。电影工业需要一套更严谨、更灵活的色彩管理流程，这就诞生了 ACES。

在下一章《色彩科学Vol.12 现代色彩管理流程：ACES与Rec2020》中，我们将进入超高清和电影工业的色彩世界。

Reference

1. ICC. (2010). Specification ICC.1:2010 (Profile version 4.3.0.0).
2. Sharma, G. Digital Color Imaging Handbook. CRC Press.
3. Selan, J. (2012). Cinematic Color: From Your Monitor to the Big Screen. SIGGRAPH Course Notes.