在不同的色彩空间中,RGB的数值是一个确定值,把这样一组数值输入不同的设备,会产生不同的颜色。道理很简单,因为不同的设备有不同的色域,不同色域之间无法达到一一对应。1931年国际照明委员会定义了CIE1931-XYZ色度系统,简单理解,这个系统就是在RGB系统的基础上,用数学方法选用三个理想的原色来代替实际的三原色,用与设备无关的颜色模型一次性解决色彩一致性的问题。


图1 同样的RGB值在不同的色域中代表不同的CIE色彩


如果不进行科学的处理,在不同的设备不同的系统中交换图像RGB数据时,设备或系统只会机械的读取RGB的绝对值,不同色彩空间下的色彩转换发生混乱,色彩不能正确再现。究竟该如何处理?在数字影像制作中,色彩专家引入了“色彩管理”的概念和技术。


色彩管理是数字影像摄制工作流程中最具工业化特点的部分。色彩的一致性和可预测性一直是困扰影视艺术创作的难题,在不同的创作阶段,像拍摄、剪辑制作,还有在不同的环境中创作人员都能够精确的模拟画面视觉感受,并能有效的传递给观众,一直是影视工业生产追求的目标。随着数字的进步,制作工具的更新,色彩管理工作已经从视觉特效领域全面拓展到了前期拍摄到放映的整个工业过程。前期的预制作,拍摄期间的工作样片、剪辑、配光调色,一直到物料制作,创造性的视觉色彩和视觉决策数据都可以被记录、跟踪、传递。


当然,目前的创作还有相当数量没有规范的这样的程度。我们只能说,色彩管理流程介入的越早,质量和效率才会更有保障。就现在的发展来看,ACES很有可能成为业界公认的色彩管理标准,融通各种新技术。


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DI工作流程中的ACES色彩管理


ARRI、SONY、BMD等诸多数字摄影机设备的生产厂商都加入了对ACES的支持,所有的主流DI平台也融合了ACES的规范流程。


无论影像数据怎样的千变万化,终极的目的是要匹配人眼的色域。这个过程离不开软件对这些数据定义和还原,这就是DI软件对色彩空间的设置。数字影像的制作环境是如此丰富,导致不同的设备、编码格式、各种色彩的表示法之间的对应和转换越来越复杂。前期摄影机如何选择拍摄时的色彩空间,后期需要如何转换?是用广播级的标准监视器还是数字放映机?最后成片输出到什么平台,需不需要再进行色彩空间的转换?……的确都是些让人头疼的问题。


针对这种现状,DI设备和软件都提供相应的工艺流程。通过DI系统,比如DaVinci Resolve,不同的色彩空间可以转换为ACES的统一标准,因为ACES广泛的色彩和高动态范围不会损失任何细节[i]。ACES还可以在使用不同的颜色特性的输入和输出设备上,制造出相同的色彩显示。图2是DaVinciresolve中的ACES色彩管理流程。


图2 ACES色彩管理工作流


具体到不同的前期拍摄设备和DI的衔接,以SONY F65为例,比较胶片时期的DI到数字时期的DI的变化。


F65工作流程8K CMOS传感器的图像信号经16比特直线量化后输出,经过无损浅压缩后记录在SR存储卡内。这些原始数据就像胶片上记录的影像一样,可称为 “数字负片”,除了无损浅压缩编码外没有经过任何处理,包括了传感器产生的所有原始影像信息。不过,这些原始数据还不能直接用于制作,必须转换成某种格式的图像文件。


采用直线空间的ACES制作流程时,需要用IDT(输入设备转换,Input Device Transform)把数字负片转换成16比特直线伽玛的ACES文件,由于原始数据本身就是16比特直线伽玛文件,因此IDT只需要解码、De-Bayer以及色域变换三个步骤就可以把原始数据转换成ACES文件了,见图3。

图3 ACES标准制作工作流程(SONY中国王亚明)


使用ACES是为了在调色中维持色彩保真度,在不同的摄像机上实现颜色的标准化。它包括以下四个环节:


第一环——IDT(InputDevice Transform[ii]),由数字摄影机拍摄、胶片扫描或者是从录像机采集到的IAS(Image Acquisition Source)图像元数据,经过IDT(InputDevice Transform[ii])输入设备转换,转换为ACES色彩空间。每一种数字摄影机都有各自的IDT,比如ALEXA只能用自己的IDT转换为ACES色彩空间。转换完成后进行调色,应用各种特效。目前DaVinciResolve支持RED/ALEXA/Canon 1D/5D/7D/Sony F65和Rec. 709[iii]、ADX[iv]、CinemaDNG[v]——ACES的色彩空间转换。(图4、5)


图4在DaVinci Resolve项目设置中选择DaVinciACES色彩空间


图5LUTs中设置ACES IDT和ODT


第二环——RRT(Reference Rendering Transform),参考渲染转换把每个数字摄影机或者图像输入设备提供的IDT转换成标准的、高精度的、宽动态范围的图像数据,再从ACES数据中“还原”图像,把机器语言变成人类感官能接受的最赏心悦目的图像,把转换过的ACES素材进行优化输出到最终的显示设备上。


第三环——DaVinci Reslove色彩校正调色。


第四环——ODT(Output Device Transform),输出设备转换准确的将ACES素材转换成任何色彩空间,优化后输出到最终的设备上。不同的ODT设置对应不同标准的监看和输出,比如在高清显示器上使用Rec.709,电脑上使用sRGB,数字投影机上使用DCI P3等。目前DaVinci Resolve支持Rec.709[vi]//DCDM[vii]/P3 D60[viii]/ADX[ix]/sRGB[x]/P3 DCI[xi]

利用ACES色彩空间和特定的IDT-ODT流程,可以从任何采集设备获取图像,在校准过的显示器监看下调色,最后把它输出成任何格式。ACES能最大限度的利用输出媒介的色彩空间和动态范围,使“观感”最大化,最大限度的保留色彩的丰富性。


图6是Rec.709和ACES色彩空间下不同的结果,受限于印刷媒介的色彩模式,很难表现两者的差异。


图6Rec.709和ACES色彩空间的差异


ACES色彩空间完全覆盖了CIE 1931 xy的色域范围,非常适合应用于高端的制作项目,像数字电影、大投入的广告等。而对于低成本的电视剧、网剧等,则无法承受ACES带来的巨大运算量。在DI系统中,传统的YRGB模式和ACES在进行调色控制操作时存在很大的区别,习惯传统模式的调色师在使用ACES时往往会产生不适应,调色效果难以把控。所以大部分的后期DI系统在支持ACES的同时,也都增加了自己的高质量色彩管理方案,像DaVinci Resolve在2015年推出了自己的RCM。


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DI工作流程中的RCM色彩管理


RCM是ResolveColor Management的缩写,是DaVinciResolve DI系统自己研发的色彩管理流程。运用达芬奇的YRGB色彩管理,主要的目的是延续调色师在传统YRGB模式下的工作习惯的同时,进一步摆脱硬件对色彩管理的限制,在“大屏”“小屏”之间保持色彩的一致性,在整个摄制工艺中保证色彩的丰富性。


对于所有DI系统而言,理论上色彩管理都可以划分为三大块内容。输入色彩空间、DI本身的色彩空间和输出色彩空间。


输入色彩空间:指的是数字摄影机拍摄或CG部门的合成素材自身的色彩空间设定,在进行处理时,匹配源素材色彩空间是最为规范的做法。


DI本身的色彩空间:即时间线色彩空间,它是指在进行色彩运算时所采用的运算规则。要选对大类,RGB和XYZ,这个很关键。另外色域只能比输入的色彩空间大,或者匹配输出色彩空间。


输出色彩空间:是最后要出的空间,要和播出平台或放映设备匹配。只是如果没有相应的监看系统(Rec.709用标监,DCIX’Y’Z’用标放),达芬奇的检视器要使用MacDisplay色彩方案。


在处理图像的过程中还要注意选用数据级(DataLevel)的处理方式。不同的媒体格式,使用不同的数值范围来表示图像数据。由于这些数据格式往往对应不同的输出的工作流程,像广播电视或者是电影,数据级能帮助制作人员了解不同数据格式的数据范围,保证媒体素材数据的完整性。


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2.1

RCM YRGB色彩管理流程


基于以上对三大板块的概括,RCMYRGB色彩管理流程归纳如图:

图7 RCM YRGB色彩管理流程


LUT转换色彩空间时的一一映射,在10比特精度下,无损的算法会产生每帧30GB以上的运算量,目前还没有哪一个系统能够承受这样的负载。为了提高运算速度,LUT采用节点式的方法,每个色度分量从1024缩小到大约57个节点,会造成图像色彩信息的裁切。相比之下,RCM采用的是更为精确数学转换模型,基于目前计算机内部最高32位的浮点运算方式,在输出之前不会对图像数据加以限制。即使时间线色彩空间的设定小于输入色彩空间,所有色域外的数据也都会被保存,并用于RCM下一个阶段的处理流程。当然,在输出时,如果输出的色域小于输入的色域,图像数据一定会被裁切。但是裁切并不意味着直接去除,而是采用“相对比色”的方式,把被裁切掉的色彩转换成它们最接近的目标色域内的色彩。


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2.2

三大板块的详细设置


输入色彩空间、时间线色彩空间和输出色彩空间是DaVinci Resolve YRGB ColorManaged色彩管理的三大核心板块。在主项目设置面板,更改【色彩科学】的设定虽然只是在下拉菜单中调整了一个选项,但是在DI系统内部意味着对整个算法的重新定义。


更改完【色彩科学】以后,还需要在【色彩管理】面板指定三大板块的工作的色彩空间和伽马。一般情况下,色彩空间和伽马是绑定在一起的,选择特定的色彩空间自动加载相应的伽马值。考虑到现在各种设备标准比较多样的实际情况,RCM允许使用独立的伽马值,以提高DI流程的灵活性和延续调色师的操作习惯。


输入色彩空间和伽马;RCM色彩管理的起点是根据不同摄影机拍摄的素材或CG部门提供用于合成的特效文件正确设置输入色彩空间和伽马,这也是正确转换颜色的关键。对于统一的图像素材,推荐在色彩管理面板进行统一的设置。如果项目中有多种格式的素材,则只能在媒体页面的媒体池中单独设置输入色彩空间,当然可以多选同样格式的素材,右键菜单一起设置。


图8 输入色彩空间匹配摄影机源文件


RAW格式文件具有一定的特殊性,原理上讲,RAW文件的色域实现了摄影机传感器拜耳阵列滤光片阵的最大物理色域,空间模型上应该采用的是CIE XYZ。RAW格式的伽马是直线性的,也可以理解为RAW没有加载任何的伽马。所以在DI系统中,RAW文件的色彩空间和伽马曲线的选项处于关闭状态。DaVinci Resolve中锁定了RAW文件的解拜耳和直线性伽马,无论后面的流程中选用了何种的色彩空间和伽马,RAW的所有数据都会进入处理流程参与运算。


图9 RAW文件的解拜耳被锁定


时间线色彩空间和伽马;在ACES的色彩空间转换系统里没有时间线的设定,只有IDT输入转换和ODT输出转换。考虑到DI工程师和大多数的调色师习惯在Log模式下工作,色彩科学中单独增加了ACES Log的选项。如果ODT使用DCI-P3或者是Rec.709,具有更大色域和可变曲率的对数伽马会赋予配光调色更大的弹性空间。


RCM关于时间线色彩空间和伽马的设置模块更好的满足了调色师的工作习惯,允许时间线设定成任何的色彩空间和伽马。虽然能够任意设定,但并不意味着任何一种空间都有正确的色彩表达。sRGB、Rec.709、DCI-P3和Gamma 2.2、2.4、2.6的组合大致能正常转换色彩,因为这几个空间都基于RGB计色制下的色彩模型。而CIE XYZ、DCI X’Y’Z’和ARRI、RED、SONY等官方的空间混用,一定会造成色彩映射的错误表达。


所以科学规范的设定应该基于以下两点:


第一,匹配输出色彩空间和伽马。如果输出的色彩空间和伽马是Rec.709和2.4,那么时间线色彩空间匹配进行设置,能够满足大多数影视作品的调色需求。


第二,匹配输入色彩空间和伽马。让DI系统在更大的空间下工作可以更多的保留颜色信息和亮度信息,给调色师预留更多的调整余地。这种设定更加适合精细的制作项目。


图10 时间线色彩空间匹配输入色彩空间


值得注意的是,当进行不同的时间线空间设置时,调色工具的灵敏度会发生相应的改变,需要调色师去适应“手感”的变化。一般来说第一种设置和RCM之前的工作流程“手感”一致,有利于提高工作效率;第二种设置提高了调整的精度,更适合高质量的项目。图11时间线和输入设置为摄影机原生的ARRI Log-C空间后进行一级调色的结果,而同样的参数对于图12来说产生了不一样的结果,就是因为时间线和输出设置为了同一空间,即Rec.709 Gamma 2.4。


(左)图11 时间线和输入设置为同一空间(ARRI Log-C) 

(右)图12 时间线和输出设置为同一空间(Rec.709 Gamma 2.4)


输出色彩空间和伽马;这一个板块是用来定义DI系统的监看设备和最终输出文件的色彩空间和伽马。输出部分的设置在流程上还要分解成两个步骤:首先,在配光调色阶段,必须设置与监看的显示器或监视器一致的色彩空间和伽马,以在监看设备上正确还原颜色。如果是制作数字电影,监看使用DCI-P3的监视器,色彩空间和伽马都要设定为DCI-P3。如果是标准高清监视器,两者要设定为Rec.709、Gamma 2.4。如果用电脑显示器做为监看设备,两者要设定为sRGB、Gamma 2.2。其次,在配光调色完成后,输出色彩空间和伽马需要匹配播放平台的色彩空间与伽马。如果是网络平台,要设定为sRGB、Gamma 2.2,如果是数字影院,则要设定为DCI X’Y’Z’、Gamma 2.6。


对于高质量的制作项目,输出时色域一般会小于制作时DI系统内部用于运算的色域。这种情况就涉及空间裁切的问题,往往会产生意想不到的效果。在实际的工作中,整个DI工作完成后,物料制作之前,会直接把项目放到实际的播放环境中检验,根据情况做最后的微调。前面提到,DI系统在设计时也会考虑到裁切的问题,有相应的策略应对。DaVinci Resolve采用的是“相对比色”的方式,被裁切的色彩会被目标色域内最接近的色彩替代。


结语

色彩管理并不是新鲜事物,早在彩色电影诞生之初就存在。随着数字时代的全面到来,设备材料的多样化给色彩管理带来了许多新的课题。能够把复杂的问题简单化,用少数几种算法结构一次性的解决问题一直是色彩管理的目标。ACES和RCM的出现和越来越广泛的应用让我们感受到了一丝曙光,相信在不久的将来,再也没有导演和观众抱怨“大屏”“小屏”乃至多屏之间的差异。


注释

[i]ACES色域设计大到足以涵盖所有可见光,有惊人的25挡光圈的曝光宽容度。它是一种面向未来,兼顾图像采集和发布的色彩空间。

[ii]将摄影机传感器采集到的数据转换成真实世界的亮度值。

[iii]支持从Final Cut Pro导入的ProRes格式、Media Composer导入的DNxHD格式或者是从录像带采集的素材。 

[iv]如果使用数字中间片(胶片扫描filmscan),10位或16位整数胶片密度编码转换,ACES工作流编码能保留不同胶片之间的差异。

[v] Blackmagic数字摄影机记录的格式。

[vi]用于标准监视器和电视节目制作。

[vii]输出 Gamma值为2.6、X’Y’Z’编码的媒体,用来传递给下一个应用程序重新编码制作DCP(Digital Cinema Package)数字电影包用于数字电影发行。这个数字电影包只能用能解析XYZ色彩空间的投影机播放。

[viii]输出RGB模式编码的图像数据,白点定义在D60,用于能兼容P3的显示器监看。

[ix]标准的ODT设计,用于输出胶片,不适合用于监看。

[x]用于电脑显示器作为监看设备的调色环境,制作的节目投放目标是网络视频。

[xi]标准的ODT设计,白点D61,RGB模式编码,输出媒体用于DCI工艺流程。



2018年02月07日

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ACES vs RCM——数字影像的色彩管理“新标配”

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