數(shù)字電影攝影中伽馬（Gamma）曲線的原理及其應(yīng)用

薛璇

人眼和膠片對(duì)于光線的感知

人眼的視覺特性

在人眼的視網(wǎng)膜上分布著很多視錐細(xì)胞，視細(xì)胞能夠?qū)⒐鈱W(xué)刺激轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動(dòng)。視細(xì)胞分為視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞，在人的視網(wǎng)膜內(nèi)約含有600萬～800萬個(gè)視錐細(xì)胞，12000萬個(gè)視桿細(xì)胞，桿狀細(xì)胞對(duì)光線極為敏感，但不善于感知細(xì)節(jié)，除了對(duì)光譜的藍(lán)光—端外，桿狀細(xì)胞對(duì)其他顏色并不敏感，因此，桿狀細(xì)胞的知覺叫夜視覺;錐狀細(xì)胞數(shù)量少，敏感性更低，但能夠更好的區(qū)分細(xì)節(jié)、顏色、形狀和地位。因此，錐狀細(xì)胞的知覺叫晝視覺。這就是為什么，夜晚我們看東西都是灰色的，月光是藍(lán)色，因?yàn)闂U狀細(xì)胞在起作用，而錐狀細(xì)胞失靈了。

日光的強(qiáng)光和夜晚微光之間的亮度相差10萬倍，但人眼都能適應(yīng)。人眼的明暗適應(yīng)范圍可以達(dá)到1：1000，則攝像機(jī)的最大容納亮度比僅有1：30。人眼的這種亮暗適應(yīng)能力，是任何儀器設(shè)備無法比擬的。這就是為什么，人眼可以看清楚亮暗的細(xì)節(jié)，但在攝像機(jī)里卻看不到，就是因?yàn)殡娮痈袘?yīng)芯片的亮暗適應(yīng)能力不如人眼。相比而言，膠片最接近人眼，所以膠片總是看起來很柔和。

人類的視覺這個(gè)非常大的動(dòng)態(tài)范圍，這可能是一個(gè)具有“欺騙性”的數(shù)據(jù)。因?yàn)槿搜廴绱舜蟮拿靼颠m應(yīng)范圍并不是一次完成的，眼睛可以感知到一個(gè)正常的光值范圍大約20檔（stops）。它有兩種方式：首先，虹膜的打開和關(guān)閉就像鏡頭中的光圈一樣，它還通過從光視覺（視錐細(xì)胞）切換到暗視覺（視桿細(xì)胞）來改變反應(yīng)，最明顯的例子就是人會(huì)在亮度差異過大的場(chǎng)景時(shí)，有一個(gè)適應(yīng)的過程，但是也不可能同時(shí)看清最亮的亮部和最暗的暗部的細(xì)節(jié)。

動(dòng)態(tài)范圍

前文所述，人眼的這種亮暗適應(yīng)范圍在攝影上有一個(gè)專業(yè)名詞叫動(dòng)態(tài)范圍（dynamic range），動(dòng)態(tài)范圍最早是信號(hào)系統(tǒng)的概念，一個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍被定義成最大不失真電平和噪聲電平的差。動(dòng)態(tài)范圍指定了一個(gè)動(dòng)態(tài)信號(hào)在傳遞到給定系統(tǒng)或由給定系統(tǒng)產(chǎn)生時(shí)可以假定的可能值或可接受值的范圍，通俗來講，就是可變化信號(hào)最大值和最小值的比值。而在攝影領(lǐng)域，動(dòng)態(tài)范圍則是一個(gè)用于定義攝影機(jī)可以在多大范圍內(nèi)捕捉圖像的影調(diào)細(xì)節(jié)的術(shù)語，也就是攝影機(jī)在單幀內(nèi)可以記錄的最亮和最暗影調(diào)之間的比率，擁有更大的動(dòng)態(tài)范圍意味著擁有更廣的影調(diào)空間，就能盡可能地保留高光區(qū)和陰影區(qū)的信息。在光學(xué)領(lǐng)域動(dòng)態(tài)范圍一般由“檔”（stops）來表示，攝影機(jī)采用的伽馬曲線一般意義上被認(rèn)為增加了攝影機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。

寬容度則是一個(gè)從膠片寬容度引申到數(shù)碼相機(jī)的概念，寬容度指的是H&D曲線（膠片特性曲線，圖1）上直線部分在橫坐標(biāo)上的投影范圍，即寬容度定義為感光材料在攝影過程中按正比關(guān)系記錄景物亮度反差的曝光量范圍。類似膠片寬容度的定義，數(shù)碼相機(jī)的寬容度是指?jìng)鞲衅髂軌蚋泄獾淖畲蠊鈴?qiáng)與最小光強(qiáng)之比，一般認(rèn)為，在攝影上動(dòng)態(tài)范圍與寬容度是可以通用的。

線性響應(yīng)

如果“理想”膠片是真正線性的，那么曝光量每增加一次，密度就會(huì)增加一倍，即場(chǎng)景中的光量增加一倍，最終圖像的亮度就會(huì)增加一倍。線性響應(yīng)意味著總會(huì)有一些亮度范圍超出了膠片的限制——場(chǎng)景中過于明亮的部分無法被記錄，它們?cè)谀z片上顯示為純白色（在視頻中，稱之為白切割），沒有細(xì)節(jié)，沒有紋理。當(dāng)然，場(chǎng)景中非常黑暗的部分也會(huì)發(fā)生同樣的情況。由于許多場(chǎng)景的亮度范圍超過了相機(jī)和顯示器的能力，因此純粹的線性響應(yīng)會(huì)使場(chǎng)景的某些區(qū)域在極端情況下偏離比例。即使有最先進(jìn)的新相機(jī)，這在電影攝影中也永遠(yuǎn)是個(gè)問題，畢竟即使是人眼也無法適應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界的亮度范圍。

攝像機(jī)中的線性關(guān)系，意味著它們?cè)谳斎耄▓?chǎng)景亮度值）和輸出（像素亮度值）之間有一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這只是意味著在轉(zhuǎn)換過程中數(shù)據(jù)沒有變化。對(duì)于場(chǎng)景中亮度級(jí)別的每一次變化，感光點(diǎn)的輸出級(jí)別都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這似乎很理想。但是由于現(xiàn)實(shí)世界的亮度范圍通常很大，所以當(dāng)前沒有傳感器、監(jiān)視器或投影儀能夠適應(yīng)如此大的亮度范圍。因此，對(duì)可以記錄和使用的亮度范圍要有一定的限制。

膠片特性曲線

圖1顯示了膠片的響應(yīng)曲線，主要呈現(xiàn)為S形，因?yàn)樵谀z片上，高光的化學(xué)反應(yīng)會(huì)隨著曝光量的增長(zhǎng)而下降，也就是說，在曲線的某一點(diǎn)之后，圖形不再是直線，增加越來越多的光線最終會(huì)產(chǎn)生越來越小的效果。這是因?yàn)槿槟z膜中的銀晶體飽和并停止反應(yīng)。類似的現(xiàn)象也發(fā)生在陰影中（圖1的左側(cè)部分）。當(dāng)感光材料在曝光過程中開始撞擊銀晶體時(shí)，由于銀晶體對(duì)光的反應(yīng)延遲造成的，乳劑不會(huì)立即產(chǎn)生反應(yīng)，所以曲線會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)保持平坦，這會(huì)導(dǎo)致膠片曲線的趾部開始變平，然后慢慢向上彎曲，最終成為曲線的直線部分或中間調(diào)。在高光中，銀晶體最終達(dá)到飽和點(diǎn)，隨著越來越多的光子涌入，化學(xué)反應(yīng)開始放緩，然后完全停止，最終成為了膠片特性曲線的肩部。

數(shù)字?jǐn)z影中的伽馬原理

膠片伽馬（Film Gamma）和數(shù)字視頻伽馬（Video Gamma）

在膠片中，伽馬是曲線中間（直線）部分的斜率。更陡的直線反映出來的圖像對(duì)比度更大，Y值（圖像亮度）隨著X值（場(chǎng)景亮度）的每一個(gè)單位的變化而變化得更快。斜率比較小意味著像素亮度的變化速度比圖像亮度慢，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)比度較低的中間色調(diào)。

視頻伽馬則是一個(gè)冪函數(shù)，它可以是上升曲線或下降曲線，這取決于該值是否大于或小于1（伽馬值為1將是一條直線）。在視頻中，主要取決于X數(shù)量的電輸入所產(chǎn)生的像素亮度，如果我們改變伽馬，在相同的原始電信號(hào)下像素可以變得更亮或更暗。

顯示設(shè)備的伽馬設(shè)定

大多數(shù)早期的顯示設(shè)備都是陰極射線管（Cathode Ray Tube）顯示器，它有自己固有的伽馬曲線，并且它們的紅色、綠色和藍(lán)色顯示是非線性的，稱為光電轉(zhuǎn)換函數(shù)（OECF），它的平均功率函數(shù)約為2.4。

如前文所述，人類視覺以非線性方式感知亮度，它的伽馬值約為0.42，剛好是2.4的倒數(shù)（1/2.4=0.42）。因此，圖像工程師們?cè)陔娨暤脑缙诎l(fā)展就意識(shí)到，攝像機(jī)必須在前端安裝伽馬校正來補(bǔ)償這一點(diǎn)。簡(jiǎn)而言之，攝像機(jī)上的伽馬編碼與CRT監(jiān)視器的伽馬特性相反，且兩者相互抵消。CB21730D-D1C8-4C1B-BDAB-9A2977C35F65

Rec.709

ITU-R Recommendation BT.709，簡(jiǎn)稱Rec.709（或BT.709），Rec.709規(guī)范了包括顏色空間、伽馬曲線、縱橫比、幀率等工程細(xì)節(jié)。Rec.709是“所見即所得”，它被設(shè)計(jì)為顯示相關(guān)（Display Referred），這意味著來自攝像頭傳感器的對(duì)比度范圍被映射到標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比度范圍，以適應(yīng)特定的顯示設(shè)備。為了做到這一點(diǎn)，它將所有顏色值納入一個(gè)相當(dāng)有限的范圍。Rec.709傳遞函數(shù)主要是冪函數(shù)曲線，但底部有一個(gè)小的線性部分，斜率還非常大，當(dāng)相對(duì)光強(qiáng)接近0時(shí)，曲線接近垂直，這意味著將在場(chǎng)景的黑暗部分造成無限增益和噪聲。從技術(shù)上講，Rec.709只有五檔動(dòng)態(tài)范圍。一些相機(jī)或攝影機(jī)有Rec.709輸出，用于觀看或記錄，但是如果沒有后期制作來進(jìn)行色彩校正，那么就不是Rec.709的“所見即所得”，不過在專業(yè)的Rec.709顯示屏上看，效果將會(huì)很不錯(cuò)。

數(shù)字電影攝影中的伽馬控制

膝部控制

膝部控制調(diào)整在大多數(shù)相機(jī)中通常包括兩個(gè)單獨(dú)的調(diào)整：斜率和膝點(diǎn)。斜率是高光或膝部響應(yīng)的角度，顯然，較低的斜率意味著亮度的變化只是緩慢地改變圖像的亮度，即低對(duì)比度。較高的斜率意味著圖像亮度變化非?？?，即對(duì)比度更高。這通常用于適應(yīng)場(chǎng)景中的一些明亮高光，膝點(diǎn)控件允許攝影師選擇斜率調(diào)整在曲線上的起始位置。

黑電平展寬

在趾部區(qū)域（陰影區(qū)域）使用類似的策略。不同的相機(jī)公司使用不同的術(shù)語，但黑電平展寬（Black Stretch）或黑伽馬（Black Gamma）是該功能的典型名稱。它會(huì)改變曲線下端的斜率，使其或多或少具有對(duì)比度。

HyperGamma/CineGamma/Film REC

僅僅改變斜率和拉伸膝部和陰影區(qū)域可以達(dá)到很好的效果，但畢竟這是一種有限的方法，可能會(huì)導(dǎo)致一些看起來有點(diǎn)不自然的圖像。多年來，攝影機(jī)制造商提出了更復(fù)雜的方法來擴(kuò)展攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。攝影機(jī)制造商開發(fā)了幾種不同版本的伽馬編碼，它們被稱為HyperGamma、CineGamma、Video Rec、FILM Rec等，根據(jù)攝影機(jī)品牌的不同，不同的伽馬名稱有所不同，旨在擴(kuò)展相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍越大，曲線越平坦，對(duì)比度越低。

數(shù)字電影攝影中伽馬的應(yīng)用——RAW和Log

RAW

拍攝RAW格式也只是在Red One時(shí)代流行起來的，自從第一部RED攝影機(jī)問世以來，他們的色彩科學(xué)一直在發(fā)展，并提供了幾種選擇：RedGamma 2、RedGamma 3和Redlogfilm。這些是不同的配置文件，用于在設(shè)置時(shí)查看，以及在將RAW文件導(dǎo)入編輯或調(diào)色軟件時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，它們?yōu)槌上裉峁┝似瘘c(diǎn)，并為后期制作過程提供了指導(dǎo)。

RAW簡(jiǎn)而言之就是在感光元件運(yùn)作生成圖像之前的數(shù)據(jù)信息，攝影機(jī)通過鏡頭來采集光線，并將光線解釋計(jì)算后形成圖像。而RAW視頻是將相機(jī)在生成影像文件之前捕獲到的還未解釋計(jì)算的光，記錄為1和0的數(shù)字文件。RAW的意義就在于代表了感光點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)據(jù)，所以RAW沒有辦法用監(jiān)視器看見。但這不代表RAW就不是視頻，RAW是需要轉(zhuǎn)換成視頻才能看見和使用。

RAW數(shù)據(jù)是以線性記錄的，雖然線性視頻幾乎不損失數(shù)據(jù)，具有非常高的后期空間，但是其也有很明顯的弊端。除了在曲線的頂部和底部可能丟失數(shù)據(jù)外，線性視頻還有另一個(gè)問題，就是它在每檔使用比特?cái)?shù)方面效率極低。造成的影響就是在動(dòng)態(tài)范圍的前四檔會(huì)受到很大的影響，這也是“向右曝光”這一理念的由來。

Log

有一種解決方案可以解決這種效率低下的問題：Log編碼。Log這種格式來源于膠片掃描系統(tǒng)Cineon System，系統(tǒng)將膠片掃描成與原始膠片密度相對(duì)應(yīng)的 Log格式，這種方式是膠片轉(zhuǎn)數(shù)碼儲(chǔ)存最優(yōu)化的方式。雖然它只是一個(gè)帶有掃描儀、工作站和激光膠片記錄器的完整系統(tǒng)，但正是這種文件格式對(duì)圖像制作產(chǎn)生了持久的影響?？逻_(dá)的工程團(tuán)隊(duì)決定，膠片圖像可以完全捕獲在一個(gè)10位的Log文件中。它的目的是作為一種數(shù)字中間片（DI），而不是用于交付、CGI或任何其他用途。因?yàn)樗鹪从谀z片，所以整個(gè)系統(tǒng)都參考了膠片密度數(shù)據(jù)。

Log在概念上與伽馬類似，因?yàn)樗档土隧憫?yīng)曲線的斜率，以擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，從而在不造成白切割的情況下捕捉和記錄亮度值。兩者之間存在差異，Log不是對(duì)曲線應(yīng)用冪函數(shù)，而是使用了對(duì)數(shù)曲線。對(duì)數(shù)函數(shù)的一個(gè)關(guān)鍵要素是，Y軸值的間距不均勻。對(duì)數(shù)曲線和冪函數(shù)曲線在繪制時(shí)看起來有些相似，它們的操作方式也很相似，但存在數(shù)學(xué)和結(jié)果上的差異，攝影機(jī)廠商和軟件設(shè)計(jì)師可以利用這些差異，通過這些差異來實(shí)現(xiàn)特定的目的。

RAW和Log的關(guān)系

Log和RAW是完全不同的兩種概念，然而，許多拍攝RAW的攝影實(shí)際上記錄了Log編碼的數(shù)據(jù)，在大多數(shù)高端攝影機(jī)中，傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（更高的位深度）比使用當(dāng)前技術(shù)記錄的數(shù)據(jù)要多。有些相機(jī)確實(shí)能夠記錄未壓縮的RAW圖像，然而，有時(shí)候拍攝條件不允許或是并不需要使用RAW記錄，RAW會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的存儲(chǔ)壓力和處理壓力，其他錄制選項(xiàng)，Rec.709或P3，是一個(gè)寬色域的顏色空間，也是數(shù)字電影所倡議的和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

攝影機(jī)專有的LOG曲線

攝影機(jī)公司廣泛使用LOG曲線來記錄圖像數(shù)據(jù)，每個(gè)制造商都設(shè)計(jì)了一個(gè)或多個(gè)Log編碼方案，這是他們尋求更好的相機(jī)Log曲線方案。Arri使用Log C，RED有RedLogFilm，索尼使用S-Log，佳能相機(jī)使用C-Log，Panavision使用Panalog等。

ARRI的Log C

ARRI的Log C基于Cineon密度曲線，并與基于Cineon的LUT一起用于編譯，其中的C即是Cineon。Log C曲線是場(chǎng)景的對(duì)數(shù)編碼，這意味著在很寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，以檔為單位測(cè)量的曝光與信號(hào)之間的關(guān)系是恒定的，每一檔都會(huì)增加相同數(shù)量的信號(hào)。Log C曲線的整體形狀與膠片的曝光曲線相似。然而，由于傳感器和底片之間的根本差異，顏色特性仍然不同。

Log C不是一個(gè)單一的傳遞函數(shù)，它實(shí)際上是一組不同EI（曝光指數(shù)）設(shè)置的曲線。所有這些曲線都將18%中灰映射到代碼值400。Log C曲線的最大值取決于EI值。原因就是，當(dāng)降低一檔曝光時(shí)，傳感器將捕捉多一檔的高光信息，由于Log C的輸出值代表的場(chǎng)景曝光值，因此最大值需要更高。EI值高于1600的曲線（包括顯示的EI 3200曲線）有一個(gè)額外的肩部，以將Log C編碼的最大值保持在可用的輸出范圍內(nèi)。在實(shí)施Log C編碼時(shí)，改變El值不會(huì)改變動(dòng)態(tài)范圍。然而，它確實(shí)會(huì)影響總范圍在中灰上方和下方的分布。對(duì)于可能需要適應(yīng)高光或陰影中存在一些關(guān)鍵細(xì)節(jié)的場(chǎng)景的攝影師來說，這可能是一個(gè)有用的工具。

Alexa的曝光寬容度不會(huì)隨著不同的曝光指數(shù)（El）設(shè)置而改變。大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)，在特定的El設(shè)置（通常稱為原生EI）下具有最大的曝光寬容度。選擇高于或低于最佳設(shè)置的El設(shè)置，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致曝光寬容度損失驚人地大。Alexa的獨(dú)特之處在于其14檔的曝光寬容度在El 160到El 3200之間保持不變。

SONY的S-Log

S-Log有三個(gè)版本，S-Log1、S-Log2和S-Log3。因?yàn)镾-Log的編碼值從未達(dá)到黑白的極限，所以S-Log曲線看起來非常平坦，因?yàn)閳?chǎng)景中的正常陰影值從來沒有達(dá)到黑色的最小編碼值，S-Log并不具有像ARRI一樣的不同曝光指數(shù)都具有相同的動(dòng)態(tài)范圍的能力。S-Log3是一種動(dòng)態(tài)范圍為1300%的對(duì)數(shù)信號(hào)，接近Cineon Log曲線。

由于與普通視頻拍攝相比，在Log拍攝中觀看視頻時(shí)，曝光更難確定。關(guān)于S-Log2的標(biāo)準(zhǔn)，18%的灰度是以32%的視頻級(jí)別為基礎(chǔ)拍攝的。在拍攝電影時(shí)，有幾種檢查曝光的方法，例如使用波形、斑馬線顯示和假彩色。FS5的s-Log2具有非常寬的14檔的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)高光有很高的容忍度，并防止大多數(shù)白電平切割。如果使用實(shí)際的Log圖像進(jìn)行監(jiān)控，可能會(huì)誤以為要繼續(xù)提高曝光率，因?yàn)橛捎贚og拍攝對(duì)高光的高動(dòng)寬容度，數(shù)據(jù)最終仍在直方圖范圍內(nèi)。通過拍攝比標(biāo)準(zhǔn)亮度更亮的片段，然后進(jìn)行后期處理時(shí)將其壓暗，來確保噪聲不明顯。然而在這種情況下，動(dòng)態(tài)范圍將縮小。當(dāng)然更好的方法是在拍攝時(shí)打開和關(guān)閉LUT以檢查圖像。CB21730D-D1C8-4C1B-BDAB-9A2977C35F65