數(shù)字電影攝影中基于畫面的曝光分析方法研究

朱云峰 吳方強 穆德遠(yuǎn) 雷載興

（北京電影學(xué)院攝影系，北京100088）

1 研究背景

圖1 數(shù)字電影曝光設(shè)計圖

當(dāng)前，電影拍攝領(lǐng)域已經(jīng)完成膠片攝影機到數(shù)字電影攝影機的轉(zhuǎn)型。數(shù)字?jǐn)z影機在感光及曝光控制方面與膠片攝影機有區(qū)別也有聯(lián)系，但傳統(tǒng)攝影師積累的大量曝光控制的經(jīng)驗并未被數(shù)字?jǐn)z影機廠商沿襲并加以參照。

如圖1 所示，傳統(tǒng)膠片攝影中，拍攝畫面前，攝影師會對場景的曝光進行設(shè)計，事后標(biāo)記在畫面中。雖然數(shù)字?jǐn)z影機為攝影師提供了更為直觀的畫面顯示及質(zhì)量評判依據(jù)，但是由于電影攝影對于畫面曝光等技術(shù)參數(shù)有著非常嚴(yán)格精確的要求，僅僅對于畫面的主觀判斷手段還是有局限性的，且該主觀經(jīng)驗在不同電影攝影機上不能統(tǒng)一。

目前電影攝影師控制畫面曝光及光線的方式主要有三種方式，一種是直接查看監(jiān)視器主觀畫面，一種是采用測光表進行布光控制，另外是基于示波器的波形分析。但手段的增多并沒有降低曝光控制的難度，而是增加了很多不確定知識，例如監(jiān)視器直觀易用，但標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行不統(tǒng)一且缺少輔助定量分析。測光表客觀，也能進行定量分析，但缺少和主觀畫面的對應(yīng)，示波器有客觀數(shù)據(jù)和主觀畫面，但執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)與不同的攝影機廠商不同，不同的畫面色彩模式下，曝光數(shù)據(jù)很難統(tǒng)一。上述問題的主要原因是，畫面數(shù)字化后有了更多直觀的曝光控制方式，但基于數(shù)字的方式又和每一個攝影機的每一個色域及伽馬曲線設(shè)計相關(guān)，而不同的攝影機廠商又使用不同的曲線設(shè)計，這使得測光表與數(shù)字畫面的對應(yīng)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，攝影師需要自己建立測光表與數(shù)字指標(biāo)及直觀畫面的對照經(jīng)驗，如何采用直觀簡潔的方式建立一個統(tǒng)一的曝光參數(shù)對照就顯得非常重要。這將對數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)條件下傳承膠片曝光技術(shù)及創(chuàng)作經(jīng)驗起到積極的促進作用。

目前該方面的學(xué)術(shù)研究資料較少，但關(guān)于這方面的應(yīng)用探討是行業(yè)熱點。一方面是因為行業(yè)特點決定，行業(yè)有其特殊技術(shù)需求，研究需要跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的知識背景，目前影視攝影中能夠提供核心技術(shù)的公司和研究機構(gòu)基本都是國外公司，且設(shè)備成本極其昂貴，國內(nèi)公司介入門檻較高。另外，行業(yè)以應(yīng)用為主要目標(biāo)，因此，從事科學(xué)研究的較少，目前可參考的資料主要來自廠商資料及實驗驗證。

2 曝光分析系統(tǒng)功能設(shè)計方案

本文所研究的曝光分析系統(tǒng)，其設(shè)計的目的是在數(shù)字電影拍攝階段，通過實時采集攝影機畫面并進行定量分析，為影視攝影師提供精確的曝光及畫面色彩方面數(shù)據(jù)參考。該研究將目前的基于數(shù)字的曝光控制方式與傳統(tǒng)的基于膠片的曝光方式進行理論上的統(tǒng)一，在理論指導(dǎo)下開發(fā)了數(shù)字電影攝影機畫面曝光及色彩分析系統(tǒng)，對目前主流的數(shù)字電影攝影機的不同色彩模式下的輸出畫面進行分析，提供統(tǒng)一的曝光控制定量參考數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的設(shè)計沿襲了影視攝影師從膠片階段建立的工作習(xí)慣和分析讀解畫面的技術(shù)體系，為攝影師進行數(shù)字電影前期拍攝提供便利。

圖2 系統(tǒng)整體工作流程

圖3 曝光分析示意圖 （相對光比、18%參考曝光、假色模式）

圖2為該系統(tǒng)所設(shè)計的整體工作流程，其中，畫面曝光分析主要包括3部分內(nèi)容：一是加載用戶指定的攝影機元數(shù)據(jù)參數(shù)組，包括攝影機類型、當(dāng)前拍攝所設(shè)定的感光度、伽馬、色域、信號范圍（legal或data range等重要參數(shù)組）；二是將畫面RGB數(shù)據(jù)進行伽馬線性化轉(zhuǎn)化；三是基于參考點（如18%灰）計算畫面中指定位置的相對曝光值（以檔為單位）。曝光分析中，除了以18%灰作為曝光參考點的相對曝光分析，還有畫面中一對位置的光比分析，針對不同色彩模式的假色分析等多種畫面曝光分析方式，如圖3所示。

3 基于畫面的曝光分析核心方法

圖4為典型的LogC 曲線圖，當(dāng)橫坐標(biāo)以曝光檔位來度量時，數(shù)字視頻信號值或數(shù)字文件記錄的數(shù)值與曝光亮度的對數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)為線性關(guān)系，這條線在10檔左右的范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性 （注意和數(shù)字上光電的線性轉(zhuǎn)化的線性不是同一概念）。另外可以看到曲線左下方存在趾部 （左下方很短的非線性區(qū)域），趾部出現(xiàn)的原因是數(shù)字感光芯片無法在暗部做到和亮部區(qū)域一致的均勻量化。這條曲線整體上與膠片的感光曲線相似。另外這條曲線也不是從強度值0開始，這是為了與膠片轉(zhuǎn)數(shù)字的處理兼容，因為膠片轉(zhuǎn)數(shù)字后純的黑會被編碼在數(shù)值95處（10bit時），百分比約為9%。

圖4 LogC曲線示意圖

除了上述對數(shù)曲線的特點外，LogC 曲線所對應(yīng)畫面的色域定義為廣色域 （wide gamut），它的線性部分有9―10檔，線性部分的斜率即伽馬變化范圍為 （0.49―0.54，根據(jù)曝光指數(shù)不同而變化）。

圖5 數(shù)字?jǐn)z影機LogC曲線圖

圖5顯示了不同曝光指數(shù)下的LogC 曲線，該圖的橫坐標(biāo)是光電轉(zhuǎn)換后的線性信號，而縱坐標(biāo)為LogC信號的數(shù)值。圖4與圖5的常見Log曲線差別主要是橫坐標(biāo)度量單位，圖4中，橫坐標(biāo)以曝光檔位為單位，而圖5中橫坐標(biāo)為數(shù)字感光元器件完成光電轉(zhuǎn)后的線性信號值。不同感光度下，LogC曲線將18%的灰映射到logC 的數(shù)值400處 （10bit情況下），也就是39.1%。

LogC曲線設(shè)計公式如下，公式 （1）：

其中x為數(shù)字感光器件光電轉(zhuǎn)換后，電信號經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后的線性信號數(shù)值；參數(shù)有a，b，c，d，e，f，cut，分別與不同感光指數(shù)有關(guān)，不同感光度下的參數(shù)值可在阿萊官方網(wǎng)站查閱。有了LogC曲線的設(shè)計函數(shù)，我們可以反向得到LogC 曲線轉(zhuǎn)換為線性曲線的公式，公式 （2）：

公式中f為LogC信號數(shù)值或LogC視頻文件的數(shù)值。通過實時采集攝影機的LogC 信號輸出或打開已記錄的LogC mov文件可以得到LogC 的數(shù)值f，由于彩色畫面有RGB 三個通道，因此f此處代表任何一個通道的強度數(shù)值。LogC 信號轉(zhuǎn)化為線性信號后，該線性數(shù)值還是屬于廣色域 （wide gamut）下，因此還需要將其轉(zhuǎn)換至CIE XYZ標(biāo)準(zhǔn)色域下，進而通過單獨的亮度信號Y 進行曝光分析。其具體計算操作如下：首先通過 WIDE GAMUT 轉(zhuǎn)CIE XYZ的3×3轉(zhuǎn)換矩陣將廣色域的下線性RGB數(shù)值進行轉(zhuǎn)換，得到XYZ標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，進而使用Y通道分析曝光。

在線性XYZ情況下，通過計算手動點選的畫面中的任意一點與18%灰參照數(shù)值 （也就是與LogC RGB數(shù)值為400的參考值）進行比較，即可計算出相對于18%的曝光值，該計算公式為：

基于公式 （3）就可以得到畫面中任一點相對18%灰的相對曝光，把公式中18%灰這個固定參考基準(zhǔn)換成畫面中任意一點時，同樣方法可以得到任意一對位置的光比關(guān)系。

歲時節(jié)日調(diào)節(jié)著人們的生產(chǎn)和生活節(jié)奏，整合著復(fù)雜的社會人際關(guān)系，調(diào)適著人們的精神意緒，成為民眾時間生活的社會依據(jù)。歲時節(jié)日不僅滿足了人們一定的生活要求，也推進和鞏固了社會秩序，并發(fā)揮著一種獨特的文化功能。這些民俗節(jié)日豐富了達斡爾人的生活，也增進了達斡爾民族的凝聚力。

4 LogC與Rec.709模式的關(guān)系

圖6 LogC畫面加載LogC To Rec.709 3D LUT 前后比較畫面

如圖6所示，一般電影攝影機除了輸出Log信號外，還會針對高清電視標(biāo)準(zhǔn)輸出Rec.709 信號。對數(shù)信號屬于基于場景的信號，Rec.709屬于基于顯示目的的信號?；趫鼍暗膶?shù)信號和基于顯示的信號之間在曲線上要完成S型曲線轉(zhuǎn)化，另外在色域上要完成從大色域到小色域的色域映射，在這一處理上不同廠商均遵循這一理論原則，但實現(xiàn)方式并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。以艾麗莎的LogC信號為例 （圖7中3號曲線）：

圖7 LogC曲線、LogC轉(zhuǎn)Rec.709及逆向轉(zhuǎn)換曲線

圖7中2號曲線為LogC 轉(zhuǎn)Rec.709信號的S型曲線，但計算機實現(xiàn)階段，不是通過曲線進行計算，而是采用色彩查找表 （3D LUT，3D Lookup Table）進行快速查找計算，3D LUT 需要根據(jù)不同的感光指數(shù)選擇不同的LUT 文件，3D LUT 轉(zhuǎn)換前后的信號范圍可選extend 范圍 （full range）或limited范圍 （video range），這需要和輸入信號類型相匹配。反過來，2號曲線沿y=x的45度直線進行對稱翻轉(zhuǎn)，可以得到Rec.709到LogC 的轉(zhuǎn)換曲線 （圖7中1號曲線）。通過計算可知，LogC 畫面中，正確曝光對應(yīng)的灰板亮度所在位置在39.1%，但當(dāng)采集的信號為Rec.709信號時，正確曝光對應(yīng)的灰板亮度所對應(yīng)位置在40%。

5 基于畫面的曝光計算實現(xiàn)步驟

基于上述理論分析，本系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)步驟如下：

步驟一：通過視頻采集設(shè)備獲取攝影機實時輸出信號，該信號采用YCbCr 10bit編碼傳輸，系統(tǒng)得到Y(jié)CbCr信號后，通過計算公式將信號轉(zhuǎn)換為10bit RGB信號。計算公式如下：

步驟二：加載攝影機當(dāng)前拍攝所使用的畫面技術(shù)指標(biāo)，包括感光度、伽馬、色域、色溫、信號范圍參數(shù)。

步驟三：用戶采用2種模式來分析獲取曝光數(shù)據(jù)，一種模式稱為18%灰參考模式，一種為光比模式。第一種模式下，曝光值顯示為相對于18%灰的相對值。第二種模式將計算中畫面中任意2點的亮度比。無論采用哪種模式，2個點之間的相對曝光計算方式都是一樣的。

在計算之前，首先要判斷目前畫面為Log模式還是Rec.709模式，如果是Log模式，則采用公式（2）的方法計算對數(shù)到線性的轉(zhuǎn)換，如果是709模式，則采用Rec.709到LogC 的逆向轉(zhuǎn)換內(nèi)部完成到LogC的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，進而完成對數(shù)到線性的轉(zhuǎn)換。當(dāng)畫面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化至線性數(shù)據(jù)后，通過與畫面色域模式相對應(yīng)的色域轉(zhuǎn)化矩陣將畫面轉(zhuǎn)換至CIE XYZ國際標(biāo)準(zhǔn)色彩空間，在該空間下，采用公式（3）來計算2 個點的相對曝光值。需要注意的是，在相對曝光模式情況下，公式 （3）中Y 和Y就會變成用戶任意選擇的2個點的Y0和Y1值。

步驟四：將相對曝光值顯示在畫面相應(yīng)位置，同時在示波器畫面上顯示用戶選擇的點。當(dāng)模式為18%參考模式下，示波器畫面還將顯示18%的參考線。最終顯示結(jié)果如圖8所示。

圖8 以18%灰為基準(zhǔn)的曝光分析結(jié)果

6 系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)與展望

本文所述內(nèi)容是以一款典型電影攝影機的對數(shù)模式，也就是艾麗莎LogC 模式進行實際分析計算解釋，但LogC是對數(shù)模式在某一款攝影機上的具體實現(xiàn)，只是一個廠商標(biāo)準(zhǔn)的對數(shù)模式。實際應(yīng)用中，不同的電影攝影機廠商都設(shè)計了自己的對數(shù)模式，但設(shè)計思路均在理論上具有相似性，只是針對不同感光芯片的特點，具體的參數(shù)不同。本系統(tǒng)需要根據(jù)不同的攝影機類型分別進行不同的對數(shù)至線性模式的轉(zhuǎn)換。目前主流電影攝影機廠商對數(shù)模式有如下幾種：德國艾麗莎的LogC 模式、美國RED攝影機的Red LogFilm 和Red Log3G10 模式，日本索尼的SLog3 模式，本系統(tǒng)能夠支持上述對數(shù)模式，也將在下一步中支持更多對數(shù)模式的攝影機信號接入 （如松下的VLog模式、佳能的CLog模式、大疆D-Log模式等）。