数字摄影机的工作“空间”

——兼论制作空间的转换和应用


工作空间的概念早已有之,但是系统化的梳理鲜见。2000年之前,电影和电视都有各自的工作空间,制作流程清晰,工艺完备。之后采用对数空间的数字摄影机迅速普及,影视各自的工作空间分隔被打破,不同空间的相互转换成为影响摄制进度,甚至最终输出质量的关键。


为什么现阶段不能统一“摄制标准”,

把各种工作空间归一化?

技术发展的不均衡性使然。


这其中不单单是电影和电视的媒体形式差异,还有摄制和投放的不均衡。以高品质的电视节目为例,尤其是电视剧,用对数空间拍摄和制作,然后再转换成适合观众观看的线性空间模式是目前质量最好和最经济的不二选择。


随着材料科学和计算机技术的进步,Rec.2020有可能在未来十年“一统天下”,但在当下这个阶段,还需要熟悉各种工作空间的特性,制定科学规范的摄制工艺流程,确保影像质量的最大化。 



工作空间是影视系统工程里的一个非常重要的概念,它主要是指协调整个系统摄制流程的行业规范。SONY HDW-F900高清摄像机出现之前,除了从事广播电视工程的专业人员,其他专业基本没有了解这方面专业知识的必要。传统电影和电视的记录载体,也就是胶片和录像带,因为其完全不同的工艺和技术,运行在自己相对封闭的环境中,工作空间虽不同,但整个流程独立清晰。


数字摄影时代的到来打破了这种自给自足的生态,一方面,电影创作越来越多的依赖数字设备,另一方面电影创作的多元性和复杂性彻底颠覆了延续了几十年的电视技术框架,刺激生产厂商不断挖掘材料科学的潜能,不断提高数字摄影机的性能,影像质量朝着全面超越胶片迈进。在这个过程中,产生了许多新的技术框架和规范,给原来的影视工业流程提出了严峻挑战。其中最关键的变化是数字摄影机的工作空间。


工作空间也叫工作域,是伽马[1]和色域[2]的统称,这个概念是SONY中国的技术总监王亚明先生提出的[3]。伽马代表设备或系统的亮度空间属性,而色域代表设备或系统的色彩空间属性。当下影视行业普遍应用的工作空间种类无外乎三种:直线空间、线性空间[4]和对数空间在影视制作的工业流程中,理想的情况是前期拍摄、后期制作和显示放映都处于相同的工作空间,这样就能真正实现“所见即所得”,极大的简化摄制流程,精确的控制影像质量。但是受整个影视工业技术发展惯性的影响和材料科学、制作工艺的限制,即使是过亿投入的电影制作仍需要在这三个空间中相互转换,否则会导致影调结构和色彩关系的异常表达。


数字摄影机的三种工作空间在资源消耗、质量控制和效率三个方面相互制约,只有深入了解这几个空间的特性,才能确保影像质量的最大化。下面将详细分析它们的特性。


1.直线空间


直线空间包含直线伽马与ACES色域两个部分。


1.1直线伽马


直线性记录、直线性还原是最简单直观的影调传递方式,同时和图像传感器光电转换的直线性特性一致,不需要系统二次处理。如果没有“无效编码”和“编码冗余”的问题,影像的世界一定比现在单纯的多。


对于数字视频系统,亮度由离散的数字表示。直线性空间系统中数字编码值与亮度之间为线性关系,相邻码值之间所代表的亮度变化相同。根据韦伯定律[5],感觉的差别阈限随原来刺激量的变化而变化,而且表现为一定的规律性,用公式来表示,就是:


△I/I=K


其中,I为原刺激量,△I为此时的差别阈限,K为常数,又称为韦伯率。在中等亮度条件下,人眼能够识别1%的亮度变化。也就是说当韦伯率K小于0.01时,人眼才不会察觉影像连续影调的灰阶变化。


表1  8比特编码值对应的亮度变化

Code

Value

I

△I/I

K

(约等于)

255

100

0.39÷99.61

0.39%

254

99.61

128

50.20

0.39÷49.80

0.78%

127

49.80

102

40.00

0.39÷39.61

0.98%

101

39.61

100

39.22

0.39÷38.82

>1%

99

38.82


从表1中归纳8比特直线性编码可以得出结论,当亮度低于总量度的39.22%时,亮度变化大于人眼对光度值差异的1%的视觉阈值,编码无效。在此编码值下,影像中相邻的亮度变化会产生明显的分界线,出现灰阶和色阶。


用百分比代表摄影机所记录场景的亮度范围,可以得出一个公式,相邻的编码值所代表的亮度变化乘以100等于特定比特量化编码所允许的有效亮度最低值,即:


1/2bit×100=最低亮度值


用此公式推导,12比特系统编码亮度最低值2.44%,14比特的编码亮度最低值0.61%,16比特的编码亮度最低值0.15%。也即是说随着量化采样位深的增加,有效的亮度范围会逐渐增大,产生的视觉阈值分界线会被系统噪声淹没。再来看一下表2中16比特直线编码的特性,不难发现阈值的分界线同样出现在码值100的位置。


表2 16比特编码值对应的亮度变化

Code

Value

I

△I/I

K

(约等于)

65535

100

0.001526÷99.998474

0.001526%

65534

99.998474

4096

6.250095

0.001526÷6.248569

0.024426%

4095

6.248569

102

0.156420

0.001526÷0.154116

0.990163%

101

0.154116

100

0.152590

0.001526÷0.151064

>1%

99

0.151064

 

考虑到编码值和亮度的线性等比对应关系,北京电影学院的孙略副教授在《视频技术基础》一书中把直线性编码中韦伯定律的应用,直接简化为“编码100”的问题。即在任何比特的编码中,码值“0”代表全黑,码值“2”代表的亮度是码值“1”的2倍,一直到101,亮度变化才小于1%,人眼才不会看到亮度的“突变”,所以100以下的码值都不能使用。[6]


▲图1 8比特直线性编码所代表的亮度变化


去掉100以下的编码值,对于8比特影像来说,其最低亮度与最高亮度之比为255/100,其所能记录的影像对比度只有2.55,没有实用意义。12比特影像最大对比度为4095/100=40.95,也就是12比特的影像能记录40倍的对比度,只相当于5.36级曝光量。14比特能记录16383/100=163.83,相当于7.36档的曝光量,所以至少需要14比特位深才能达到当前高清电视拍摄所要求的宽容度,需要16比特位深才能覆盖当前电影拍摄所要求的宽容度。[7]


图2 14比特直线性编码所代表的亮度变化


可见,要在图像的“仿真度”上骗过人眼,至少需要占用系统14比特的量化资源,需要运算的数据量是现在10比特设备的16倍[8]。到目前为止,直线伽马只适用于高质量的影视制作。


1.2 ACES色域

ACES采用16比特半浮点运算,编码值范围从-65504.0 至 +65504.0,匹配直线性伽马,有25档光圈的曝光宽容度。ACES色域设计大到足以涵盖所有可见光,不同的色彩空间可以转换为ACES的统一标准, ACES广泛的色彩和高动态范围不会损失任何细节。ACES还可以在使用不同的颜色特征的输入和输出的显示设备上,制造出相同的色彩显示。


图3 ACES色域图


ACES是一种兼顾图像采集和发布的色彩空间。相比较十年前,今天的电影和电视节目制作涉及更为庞大的专业协作,对专业工作流程的整合也相对困难的多。典型的制作环境在前期拍摄阶段一般会使用三到四种摄影机,并使用不同的数据记录格式。在后期制作期间,又有剪辑、视觉效果等。元数据的缺乏导致色彩在传递中异位损失,效果不可预见,拖延生产周期。美国电影艺术与科学学院召集了包括科学家、工程师和电影制作人组成的专家组,花费了十年时间,经过了大量试验和现场测试,兼顾了胶片和数字的生产流程,涵盖了摄制、调色、视觉特效、动画和影片存档的专业领域。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。


1.3直线空间的特性

直线空间并不是一个直接“可见”的工作空间,在现在的技术条件下,直线空间属性的图像在摄影机和后期制作等处理设备中只是以数据的方式存在。直线空间的优点是能够无损的处理图像数据,在整个流程中保证影像质量最大化。当然,缺点也是显而易见的,由于“编码100”的问题,需要更高的位深量化,不适合在现有的显示设备上监看。


高质量的数字摄影机内部的处理电路采用14比特甚至是16比特量化位深,在信号输出之前,再将位深降到10比特,以减少信号处理过程中的损失[9]。也就是说传感器光电转换后,输出时会加载相应的工作空间模式,但是采用RAW格式记录方式时,摄影机保留了传感器对光线强度反应的直线性特点,如果后期制作时直接应用直线伽马和色域,将能最大限度的保证影像的质量。


RAW理论上是一种直线空间的格式,它没有经过反拜耳(Debyer)处理,保留了CMOS等传感器光电转换的直线特性。亮度空间方面是直线伽马,色彩空间方面摄影机不论采用什么样的滤光片阵,本质上都是物理的RGB色彩空间,具体到色域的大小,则要看不同厂商的材料工艺而定。


直线性编码需要高比特位深量化,随着位深的提高,会产生大量冗余编码。根据韦伯定律,在 8比特线性编码中,编码255 与 253 之间的亮度变化仅仅为 0.79%,小于人眼的视觉阈值,254这个编码对于人眼的感知一致性来说是冗余的。如果以16比特直线性编码来进行量化,在65536个编码值中将会有上万个冗余编码。所以在数字摄影机实际的设计中,只有少数的摄影机不进行任何的处理,像DALSA的Origin,大多数的都经过了对数伽马和色域校正。


需要注意的是,RAW有小波无损压缩和有损压缩,无损压缩的RAW保留了摄影机所采集到的所有数据,进入制作系统后可以针对投放的需要加载不同的伽马和映射目标色域。



图4A是SONY F65数字摄影机在直线空间模式下拍摄的素材,普通监视器上加载了2.5的伽马校正后,画面显得非常暗。图4B是图像原有的亮度关系。


图4A                                   ▲图4B


图5是理想的直线空间下的工作流程,实际上这种理想的状态现在的技术还达不到,拍摄和制作都已经实现,显示设备还没有直线空间的产品。


▲图5 理想的直线空间下的工作流程


图6是目前影视摄制流程规范的操作,由于没有显示直线空间的监看设备,需要加载空间转换LUT才能正常观看。



▲图6 目前直线空间影视摄制流程规范的操作

 

2. 线性空间

线性空间包括线性伽马与Rec.709/sRGB、AdobeRGB、Rec.2020色域两个部分。


2.1线性伽马(电视伽马)

现在的电视显示设备大部分采用8比特编码,为了解决“编码100”的问题,需要对其进行伽马校正。以Rec.709高清电视标准为例,伽马校正值为2.5,对于同样的亮度变化,在暗部区域用更多的码值资源表示,亮部区域压缩用较少的码值资源表示。这种方式与人眼对暗部亮度变化的分辨能力强于亮部的非线性特点相近,所有8比特编码值均能得到有效利用,在不必增加位深的情况下,可大幅增加系统记录的亮度范围。


早期的电视机采用显像管显示图像,显像管的光电转换特性并不是直线而是非线性的指数特性[10],也就是反对数特性,而成像器件的光电转换特性是直线性的。为了补偿显像管的非线性指数特性,必须在摄像机内对输出信号进行与指数特性相反的对数变换,才能在显像管上显示出正常对比度和彩色的图像,这就是电视伽马。因此,电视伽马的初始来源是显像管的反对数(指数)原生特性[11]。数字摄影机上电视伽马实际是一条对数曲线,和电视显像管的指数曲线相加还原成一条接近直线的系统伽马,所以长期以来约定俗成把电视伽马称为线性伽马。(图7)


▲图7 系统伽马的线性特点


以显像管为核心显示部件的CRT电视机和显示器已经淘汰,新型的液晶电视显示技术虽然不再具有原生的指数特性,但同样是出于位深资源最大化的考虑,保留了2.5的伽马校正(计算机的液晶显示器伽马多为2.2)。这条由直线伽马经较高反差的伽马校正而得到的非线性关系曲线,使用的量化资源少,而且匹配现在的广播电视系统以及最大规模使用的液晶电视和计算机显示器。线性伽马是电视直播节目的首选亮度工作空间。


考虑到近几年高清电视领域的技术革新,有必要深入分析下一代高清规范Rec.2020的亮度空间。


Rec.2020是2012年ITU组织针对超高清电视(UHD 4K and UHD 8K)建议的规范,在亮度空间方面,规定了10比特和12比特两种量化位深,并对伽马系统进行了重新定义。考虑到从模拟时代沿用下来的伽马2.5的校正,针对数字显示设备,Rec.2020提出了EOTF(electro-optical transfer function光电转换函数),应用非线性曲线方程来实现以前的伽马校正。10比特系统将继续沿用与Rec.709一致的伽马曲线,12比特系统则强化了人眼敏感的暗部图像,对伽马曲线进行了改良,提高了暗部细节的量化精度,更有效的利用未来8K分辨率超高清显示设备的性能。


在10比特位深下,Rec.2020和Rec.709伽马一致。如果简单的用数学计算的方法比较, C是编码值,I代表亮度,则C=I1/γ。(图8)


▲图8


用I代表8比特系统亮度值,I’代表10比特亮度值,8比特高清系统C最大值为256,γ=2.5,则代入公式I=1048576;10比特超高清系统C最大值为1024,γ=2.5,则代入公式I’=33554432。比较两者的亮度差,则有:



在同样的伽马校正条件下,10比特系统超出8比特系统5档光圈的动态范围,超高清能记录的最大亮度达到现在高清电视的32倍。


当然,不是所有的编码范围都会用于亮度的表达。,Rec.2020中10比特系统标准定义有效的视频信号为64-940,64为标准黑电平,940为标准峰值电平,而0-3、1020-1023则用于时钟参考信号,4-63为低于标准黑电平的信号,941-1019为标准峰值以上的信号。所以实际动态范围的表现会有所不同,但肯定的是动态范围的确增大了不少。


2.2 Rec.709/sRGB、Adobe RGB和Rec.2020色域

Rec.709是ITU组织建议的规范,1990中首次引入,阐述了高清晰度电视的标准。标准规定所有的高清电视都要100%覆盖Rec.709的色域。DVD和蓝光也都采用这个规范。


1996年,微软和惠普提出了sRGB色域,它同样是一种RGB的色彩空间,特性和Rec.709完全相同,大多数消费级的电脑显示器都能100%覆盖sRGB色域。


为满足艺术家创作的需要,Adobe在1998年制定了Adobe RGB色域标准。三角形的蓝色和红色顶点和sRGB完全一致,绿色的范围则更宽,包含了CMYK打印机的大部分色彩范围。Adobe RGB色域需要宽色域显示设备支持,专业级显示器才能100%覆盖或者是接近100%覆盖。


表3和图9分别以百分比、色域范围图的方式比较了原生的Rec.709/sRGB、Adobe RGB、Rec.2020等色域间的差异。


表3 原生的Rec.709/sRGB、Adobe RGB、Rec.2020等色域比较


图9 Rec.709/sRGB、Adobe RGB、Rec.2020色域比较


Rec.2020色域虽同样属于RGB色彩空间,但是比其他的色域有更宽广的色彩范围。Rec.2020 将UHDTV系统的R、G、B三基色色度坐标选到了可见光谱色轨迹上,用彩度极高的三基色实现宽色域系统。这种拓宽系统色域的方法是最直接、最有效的方法,但其实现必须依靠先进的显示技术的支持。近年来,LCD、AMOLED 以及激光技术等迅速发展,成为超高清晰度电视发展的技术基础。日本放送协会认为UHDTV的最终目标是普及入家庭,预计2016~2020年间实现[13]。Rec.2020是面向未来的一种色域。


2.3线性空间的特性

和直线性伽马比较,直线性编码码值的亮度增量恒定,也就是说亮度按照算术基数增长(图10);而线性编码码值之间的亮度增量是以几何级数增长。线性空间最初虽源于材料本身的特性,但恰恰由于和人眼的非线性特点相匹配,所以在影视行业沿用了几十年,到目前仍然是应用范围最广的一种工作空间。


▲图10 直线编码和线性编码的比较


线性空间下的前后期制作流程也非常的简单,几乎所有的前后期摄制设备都支持这一空间模式。除去Rec.2020,其他的几种线性空间规范都是基于设备的RGB物理色域,亮度和色彩传递都相对准确,而且在长期的应用实践中,软件和硬件厂商都在不同的规范间建立了转换机制,对于创作人员来说影调传递和色彩管理要比其他空间简单得多。图11是线性空间下的摄制流程。


▲图11 线性空间下的工作流程


线性工作空间技术和规范也有其致命的缺陷,尤其是动态范围比较窄,已经不能适应高质量影视节目的创作需求。随着材料科学、计算机技术的提升和网络传输带宽的飞跃(10比特和12比特会带来数据量的剧烈增长),条件成熟后,很有可能Rec.2020会一统影视的天下,成为通用的规范。到那时观众不再需要忍受有限的亮度和颜色范围导致的图像细节损失,专业创作人员也不需要小心翼翼的在各个工作空间进行转换。


3.对数空间

对数空间包括对数伽马与DCI-P3色域(CIE XYZ 色彩空间)两个部分。


3.1对数伽马

线性空间是广播电视行业的标准,流程中具有非常高的一致性,但是它的宽容度和色彩空间受到了比较大的限制。厂商开发的拐点技术(Knee)和仿电影胶片伽马[14],在增加亮部细节的同时压缩了亮部结构,并没有从根本上改善对景物影调的重现比例关系,所以不能视作提高了宽容度。线性空间模式下的影像影调层次少,反差较硬,色彩饱和度高、丰富性差。


ARRI在2010年首先突破了线性空间的限制,率先在数字摄影机中使用对数空间。它的对数伽马不再是一条固定斜率的曲线,而是在暗部、中间调、高光等不同的影调层次中使用可变斜率,比特资源分配更加灵活,更多的照顾暗部亮度层级的变化,适当压缩亮部层级,更符合人眼的视觉特性。换句话说,对数空间中的对数伽马在重现画面中景物亮度的比例关系时更具“真实感”。(图12)


▲图12 对数伽马曲线和电视伽马、直线伽马的比较[15]


对数空间中的对数伽马是由直线伽马经暗部较高反差、中间调中度反差、亮部较低反差的伽马校正而得到的非线性关系曲线,它的特点是在使用与电视伽马相当的量化资源时,可以表现出更大的宽容度。一般对数伽马使用10比特位深量化,后期制作时的调整空间比电视的线性伽马大,尤其是高亮度部分。对数伽马在图像质量和耗费资源之间得到了有效平衡。


表4比较了RAW和S-Log2在不同比特位深下的码率资源分配。相对于直线性空间,S-Log2对数伽马的码率资源分配更加合理,码值分布更有效的匹配视觉的非线性特征,在16比特记录时用9436-37250描述漫反射物体,而不是621-5472,极大地增加了景物的灰阶数量,给后期的调整提供了非常大的弹性空间。但对数伽马的确增加了运算的复杂性和运算量。


表4 SONY 编码规范


3.2 DCI-P3色域

CIE 1931 XYZ色彩空间,由国际照明委员会(CIE)定义,通常作为国际性的色彩空间标准,用作颜色的基本度量方法。CIE 1931 XYZ是虚拟的色彩空间,可以表述所有CIE标准观察者能够看到的颜色,但是与视觉颜色之间没有直接的对应关系。CIE 1931 XYZ色彩空间是与设备无关的颜色表示法。


DCI数字电影系统规范(DCSS)摒弃了胶片电影所使用的RGB/CMY色彩空间和电视系统所使用的YUV色彩空间,规定颜色编码使用CIE 1931 XYZ色彩空间。因而,数字电影的颜色编码与显示设备无关,无论影院采用何种数字放映设备,都必须能够在银幕上再现数字电影母版中规定的颜色,这是电影技术的一个重大进步。


▲图13 DCI-P3的色域范围


DCI-P3指用于数字影院的颜色空间,于2007年由SMPTE颁布,包含sRGB并比sRGB更大,是针对数字电影制定的标准。现在的数字电影都是按照DCI-P3色域制作,以匹配数字投影设备的色域。所有的数字电影投影机都能100%覆盖这个色域,截止到2013年只有一个商用监视器可直接显示DCI-P3色域——杜比专业参考监视器PRM-4200。其他能显示对数空间的监视器大都通过加载空间转换LUT实现,这种转换实际上牺牲了色彩的丰富性。目前,DCI-P3内容仅限于数字影院,并没有面向普通消费者。


表5比较了原生的DCI P3色域和其他色域的差异。


表5 DCI P3色域和其他色域的差异


在RGB色彩空间的显示设备上显示XYZ色彩空间的图像时颜色异常(图14A)。转换成RGB P3色彩空间后色彩还原正常(图14B)。


▲图14A 中国电影科学技术研究所制作的数字放映机测试图(XYZ彩色空间)


▲图14B 中国电影科学技术研究所制作的数字放映机测试图(RGB P3彩色空间)


3.3对数空间的特性

按照当下的影视制作流程,如果直接用电视的线性空间去处理和显示对数空间,会导致影像的反差大幅下降,同时色彩饱和度降低。原因在于对数伽马和电视伽马相加,并不能还原成接近于1的系统伽马。(图15)


▲图15 用线性空间直接处理对数空间


作为一种专门为数字影院设计的编码系统,DCI-P3直接编码伽马校正的CIE XYZ值。通过给每个XYZ分量引入一个幂函数来接近感知一致性[16],该函数指数为1/2.6。(以2.6的幂来解码,每个分量用12比特足以获得优异的图像质量。)在放映过程中,整个过程逆转,放映机采用2.6的伽马将X’Y’Z’数据转换为线性。一个线性的显示空间矩阵将XYZ转换为影院放映机的RGB基色(色彩空间)。


图16 DCDM[17]的X’Y’Z’色彩空间通过一个线性矩阵转换为放映机RGB色彩空间


对数空间的显示技术已经很成熟,在液晶显示面板中,通过把原有的电视线性伽马改变为对数伽马,即能很好的还原图像的影调关系,但是色彩对应相对比较复杂。受到染料科学技术和液晶背光光源光谱纯度的限制,液晶面板在色域定义方面和对数色域存在比较大的差距,在色彩的丰富性上会略逊一筹,所以高质量的对数空间电影制作都需要有标准放映设备,来辅助摄影师和调色师处理影片的色彩色调。


受到预算的制约,小成本的影视制作中大多采用监看LUT的方式使用Rec.709规范的标准监视器映射。当然,如果最终的节目投放是电视媒体或网络媒体,用数字摄影机对数空间模式拍摄的素材,进入后期流程时就会统一转换成线性空间模式。即使在这种转换的情况下,影调层次和色彩的丰富性都要远远高于直接用线性空间拍摄的结果。

 

总结:三种空间的应用现状

“存在即合理”,三种工作空间的并存是现在多层次影视制作的需要。


直线空间

直线空间原理最简单,编解码的算法也最为直观,但是由于编码“100”的问题需要14个比特以上的量化位深,非常消耗系统资源。根据人眼感知一致性的原理,直线空间编码会产生大量冗余,那为什么在高质量的影视制作项目中大家都钟情于这个空间?原因恰恰在于“冗余”!


目前后期制作的工艺流程越来越复杂,图像质量需要经历后期大量的处理调整、工作空间的转换等环节的考验,所以对自然真实场景这些连续的物理模拟量的量化精度就不能只是骗过人眼这么简单,还要有足够的弹性应对诸如亮度、色度的大幅度调整,以及不同空间的映射。所以在拍摄和制作时需要比显示投放更多的量化比特,以弥补数字信号处理时细节的损失。


对图像的调整最多的是电平的调整,正增益或负增益都会损失灰阶。


正增益调整:把5%的电平调整到10%后灰阶并没有增加,在输出时实际的灰阶只保留了记录下来的1/2。应对这个幅度的调整,需要记录的灰阶数是输出的2倍。保证输出的精度,理论上记录时的比特数要比输出高出1个比特。如果需要更大幅度的调整,则需要增加更多的比特数。


▲图17 正增益调整时灰度阶的损失


负增益调整:把10%的灰调整为5%的灰黑,原始电平内的灰阶被压缩,受输出精度的限制,输出时的灰阶数量不会减少但也不会增加。但是图像亮部的灰阶被扩展,记录的比特数要大于输出的比特数才能保证亮部灰阶精度。


图18 负增益调整时灰度阶的损失


从以上分析不难看出,不论提高电平或者压缩电平,都会降低图像灰阶数量。为了给后期制作留出调整的余地,现在的数字摄影机大多采用了14比特以上的量化,如果拍摄时采用RAW,后期配合直线空间,将大大提高处理的弹性。


线性空间

线性空间是现在几乎所有的电视终端设备的工作空间模式,虽然动态范围小,色域覆盖率低(33.24%),但由于商业技术更新换代的周期性特点,还会存在10年甚至更长时间。


对数空间

对数空间在目前阶段显然具有“承上启下”的优势。显示终端设备不容易大范围更换,然而拍摄和制作领域现在通常提高质量的做法是采用对数空间的记录、剪辑、调色和特效合成,在节目发布时再转换到线性空间。对于电视节目和电视剧以及中低成本的数字电影的摄制来说,对数空间是最优化的选择。


那对数空间是否是未来的主流工作空间?随着技术的进步,尤其是激光显示技术的突破,对Rec.2020色域的覆盖率越来越理想,线性空间模式很有可能超越对数空间模式,毕竟它自己本质上也是一种对数算法。


4.各种空间的相互转换

影视作品的投放环境正逐渐多样化,包括数字影院的数字投影机、普通家庭中的液晶电视、网络媒体使用的计算机液晶显示器、移动媒体设备像PAD、手机液晶显示屏等。数字摄影机为满足不同制作环境的需要,一般都有多种工作空间供摄影师选择。


最为简化的流程是用最后投放的工作空间决定前期拍摄的工作空间,但是即使是电视综艺节目,为了追求更为丰富的影调和色彩,也往往会在前期拍摄时选择更大的工作空间,进入制作阶段再通过LUT转换映射到目标工作空间,提高图像的呈现质量。毕竟在拍摄时因为工作空间小而丢弃的细节是无法通过后期的手段找回来的。第二章中提到的湖南卫视《我是歌手》第三季总决赛中使用了30台ARRI Amira数字摄影机,14档拍摄宽容度和机内3DLUT机内预调色[18],是充分发挥数字摄影机特性优势和综艺节目现场直播的一次历史突破。


▲图19 《我是歌手》录制前对ARRI Amira数字摄影机进行调试


已故著名摄影师池小宁的“数字工艺流程反算法”也是同样的思路,即根据最后投放的格式,后期用到的设备和软件,确定前期拍摄时的拍摄设备和格式。这里的格式现在应该替换成工作空间,格式为王的时代已经一去不复返了。如果存在前期拍摄和最终投放工作空间不匹配的问题,就要借助LUT进行空间转换。就目前的数字中间片系统技术发展而言,DI[19]的亮度和色彩数据表达(也就是伽马和色域)还没有统一的规范和严格的标准,各系统之间存在很大的差异。


4.1 外部转换

有些数字配光调色系统直接以视频和高清电视的线性空间为基础,监看使用高清电视的标准的接口和设备。受伽马2.5和Rec.709色域的局限,无法重现对数空间的影调和色彩关系,需要应用LUT或以直线空间为中介进行工作空间的转换。


4.1.1使用LUT进行空间映射

配合数字摄影机的发布,官方会提供相应的转换工具。这些LUTs的特点是映射准确,融会了厂商工程技术人员的集体智慧,当然也包括对大众审美的迎合。


以标准的灰渐变为基准,可以观察ARRI的Log C和SONY的S-Log3LUTs的差异。如同柯达对自己胶片工艺的独到设计,不同的数字摄影机厂商也在对数工作空间中根据传感器的特性以及对影调色调的理解设计自己的算法。


▲图20 ARRI的Log C和SONY的S-Log3 LUTs的差异


4.1.2使用ACES直线空间作为中间媒介

相比较十年前,今天的电影和电视节目制作涉及更为庞大的专业协作,对专业工作流程的整合也相对困难的多。典型的制作环境在前期拍摄阶段一般会使用三到四种摄影机,并使用不同的数据记录格式。在后期制作期间,又有剪辑、视觉效果等。元数据的缺乏导致色彩在传递中异位损失,效果不可预见,拖延生产周期。


影视技术的发展既需要不断创新,又要平衡发展通用的标准。数字影像技术正处在这样一个时期,十年时间积累了大量的新技术、新的数字思维,亟需要一个公认的数字影像生产和归档的规范。


ACES它是美国电影艺术与科学学院召集了包括科学家、工程师和电影制作人组成的专家组,开发制定的学院色彩编码规范。它是一个免费的,开放的,独立于设备的色彩管理和图像交换系统,可应用于几乎任何当前或未来的工作流程。它是由业界顶尖的数百名科学家,工程师和最终用户参与制定。ACES1.0花费了十年时间,经过了大量试验和现场测试,兼顾了胶片和数字的生产流程,涵盖了摄制、调色、视觉特效、动画和影片存档的专业领域。


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。


▲图21 ACES的规范流程


ACES的核心特性:

  1. 宽伽马编码,能处理所有颜色,它的色域超过了可见色域;(请参见本章1.2)

  2. 不同于CIExy只能用于运算不能用于实际的记录和显示,ACES以RGB为三原色,是一个真正可实际应用的工作空间;

  3. 高动态范围,有25档光圈的宽容度;

  4. 16位半浮点运算,码值范围从-65504.0到+65504.0,能使用负值编码;

  5. 通过数学计算得出的白点坐标, CIE x = 0.32168, CIE y = 0.33767,近似于CIED60;

  6. 基准的中性灰,ACES{0.1800, 0.1800, 0.1800} = CIE XYZ {0.1715, 0.1800, 0.1816}。


图22是今天的数字中间片流程。


▲图22 现在的DI流程


借助ACES,以上的DI流程可以简化为图23:


▲图23 基于ACES的高效流程


ACES的设计目的是忠实与源媒体,完整保留原始素材数据的质量,并为摄制工作提供最大的弹性空间,可以应用于数字摄影机、后期配光调色、胶片扫描、电视电影等工作流,尽可能覆盖整个工业流程,同时允许不同的设备运行自己的工作流。


4.1.3不同厂商之间数字摄影机空间匹配

影视创作手段多元化的直接结果是前期拍摄数字摄影机选用的多样性。为了满足拍摄的实际需要,在实际创作中大多使用多种品牌和多种型号的数字摄影机,给后期的镜头匹配增添了难题。


▲图24 电影《战狼》中的使用了SONY、RED、GoPro等多种品牌的摄影机。


即使在前期拍摄中,所有的摄影机都工作在同一个工作空间模式下,由于内部算法、滤色片阵染料物理基色的差异,仍然会出现反差和颜色的不一致。后期进行镜头匹配时,往往匹配好了几种颜色时,其他的颜色又出现了偏差,不能兼顾所有。这时候,能兼顾不同品牌不同型号使亮度、色域精确对映就显得非常重要。


匹配的方法视精度而定,常规的做法是在每个场景拍摄前预先记录标准灰阶和色块测试卡,像麦克白色卡。后期调光调色时通过色卡的比对生成LUT,再把此LUT应用到实拍的素材上,完成镜头的匹配。这种方法依赖于软件的计算精度和插值算法是否足够优化。


还可以借助厂商根据自己摄影机的特性以官方名义发布的匹配其他品牌摄影机的LUT,SONY等厂商已经开始进行这方面的尝试。


▲图25 原生LUT肤色匹配


考虑到ARRI数字摄影机在影视拍摄中应用的广泛性,SONY针对F55推出了SGamut3.Cinema/Slog3to LC 709 TypeA LUT,图25中对7种肤色、多种唇彩发色衣服进行实拍测试,通过LUT映射后加以微调,和ALEXA原生LogC to Rec.709 LUT的匹配度还是非常接近的。


4.2 内部转换

有些数字配光调色系统集合了基于“直线性”的RGB编码和OpenEXR文件格式。直线RGB码值存储在16比特的TIFF格式文件中。系统设计者决定RGB数据的色彩特性,并且决定数据值是否与原始场景三色值成比例。OpenEXR能存储高动态范围线性光,场景相关的RGB影像数据。每个分量都以16比特浮点数表达,包括一个信号比特,一个5比特的指数和一个10比特的尾数。


▲图26 Mistika界面


像Mistika、Baselight一类的数字调光调色系统就是采用内部空间转换的方式,不需要借助ACES或者第三方的映射工具,在系统内部把不同工作空间的素材归一化,甚至为了创作的需要“改造”原有的工作空间特性。这样的系统需要强大的处理能力来应对空间转换带来的巨大运算量,极其耗费系统资源,适用于投入多,高质量需求的影视制作。



注释:

[1]伽马(Gamma)是灰度特性,在电子成像技术中就是光电转换特性。在分析图像的影调关系时,一般是把伽马简化成一条绝对值直线或对数值曲线。

[2]色域(ColorGamut)是隶属于色彩空间的概念,就是指某种设备所能表达的颜色数量所构成的范围区域,即各种记录设备如胶片、数字摄影机等,和不同的放映设备、显示设备所能表现的颜色范围。

[3]王亚明:《新一代数字摄影机技术》,《现代电影技术》,2011年第12期。

[4]线性空间是指电视的工作空间,标高清摄像机的伽马特性上实际上也是一种对数伽马,和显示设备的指数特性叠加后整个系统伽马呈现出线性特点,所以长期以来约定俗成的把电视空间称为线性空间。

[5]韦伯定律,即感觉的差别阈限随原来刺激量的变化而变化,而且表现为一定的规律性,用公式来表示,就是△I/I=K(其中,I为原刺激量,△I为此时的差别阈限,K为常数,又称为韦伯率)。

[6]孙略:《视频技术基础》,北京,世界图书出版公司 2013年版,第14页。

7孙略:《视频技术基础》,北京,世界图书出版公司2013年版,第15页。

8如果是8比特的显示设备,数据量是64倍。

[9]孙略:《视频技术基础》,北京,世界图书出版公司 2013年版,第81页。

[10]由CRT电视机发出的红绿蓝基色光度值与电压(或码值)之比近似为2.5次幂。

[11]王亚明:《新一代数字摄影机技术》,《现代电影技术》,2011年第12期。

[12]http://en.wikipedia.org/wiki/Primary_color,基于样本的估算值定义的色域称为Pointer色域(PointersGamut)。上世纪80年代初,美国科学家M.R.Pointer实测了4089种彩色样本,得到了一个能包含这些颜色的真实物体表面色色域,称为Pointer色域(用科学家的名字命名)。这个色域表面由576种颜色组成,后来CIE(国际照明委员会)把Pointer色域作为目标色域。

详细内容参见PointerM R. GAMUT OF REAL SURFACE COLOURS. [J]. COLOR research and application, 1980, 5(3):145-155。

[13]王静,李彦:《宽色域视频技术研究与发展》,《信息技术与标准化》2012年第12期。

[14]SONY HDW-F900R高清摄像机创造了一类更加接近胶片特性曲线的伽马曲线,虽然它的工作空间还是线性的,但是HyperGamma有倾向于对数空间的特性。

[15]王亚明:《新一代数字摄影机技术》,《现代电影技术》,2011年第12期。

[16]视觉对光线的感知与物理光强是非线性相关的,对于比率低于1.01的亮度级别的光线差别,人眼便不能识别。换句话说,人眼对光度值差异的视觉阈值大约是1%。这也正是前面提到的“编码100”问题的起源。

[17]Digital Cinema Distribution Master数字电影发行母版的简称。

[18]当今的拍摄环境下,时常会遇到缩减的预算与周期,许多电视制作无法花费大量的时间在后期上来细调。AMIRA有一系列基于3D LUT的画面风格,拍摄时即可应用在画面之上。另外,亦可在外部调色系统中自行定制自己的3DLUT,并在拍摄前导入到摄影机中,甚至还可以在录制中进行调整。通过3D LUT,在快节奏的拍摄时能给摄影师和导演极大的创作空间,同时为制片人保持较低的制作成本。

[19]数字中间片的简称。随着胶片电影的逐渐消亡和数字电影的崛起,数字中间片系统正转变成DIT和数字配光调色两个系统。



2018年02月08日

三种工作空间的相互转换
聊聊HDR与高亮屏

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数字摄影机的工作“空间”

转载自调色家微信公众号
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