數(shù)字電影攝影中伽馬（Gamma）曲線的原理及其應用

薛璇

人眼和膠片對于光線的感知

人眼的視覺特性

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

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

人類的視覺這個非常大的動態(tài)范圍，這可能是一個具有“欺騙性”的數(shù)據(jù)。因為人眼如此大的明暗適應范圍并不是一次完成的，眼睛可以感知到一個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（視錐細胞）切換到暗視覺（視桿細胞）來改變反應，最明顯的例子就是人會在亮度差異過大的場景時，有一個適應的過程，但是也不可能同時看清最亮的亮部和最暗的暗部的細節(jié)。

動態(tài)范圍

前文所述，人眼的這種亮暗適應范圍在攝影上有一個專業(yè)名詞叫動態(tài)范圍（dynamic range），動態(tài)范圍最早是信號系統(tǒng)的概念，一個信號系統(tǒng)的動態(tài)范圍被定義成最大不失真電平和噪聲電平的差。動態(tài)范圍指定了一個動態(tài)信號在傳遞到給定系統(tǒng)或由給定系統(tǒng)產(chǎn)生時可以假定的可能值或可接受值的范圍，通俗來講，就是可變化信號最大值和最小值的比值。而在攝影領(lǐng)域，動態(tài)范圍則是一個用于定義攝影機可以在多大范圍內(nèi)捕捉圖像的影調(diào)細節(jié)的術(shù)語，也就是攝影機在單幀內(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。在光學領(lǐng)域動態(tài)范圍一般由“檔”（stops）來表示，攝影機采用的伽馬曲線一般意義上被認為增加了攝影機的動態(tài)范圍。

寬容度則是一個從膠片寬容度引申到數(shù)碼相機的概念，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)碼相機的寬容度是指傳感器能夠感光的最大光強與最小光強之比，一般認為，在攝影上動態(tài)范圍與寬容度是可以通用的。

線性響應

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

攝像機中的線性關(guān)系，意味著它們在輸入（場景亮度值）和輸出（像素亮度值）之間有一對一的對應關(guān)系，這只是意味著在轉(zhuǎn)換過程中數(shù)據(jù)沒有變化。對于場景中亮度級別的每一次變化，感光點的輸出級別都會發(fā)生相應的變化，這似乎很理想。但是由于現(xiàn)實世界的亮度范圍通常很大，所以當前沒有傳感器、監(jiān)視器或投影儀能夠適應如此大的亮度范圍。因此，對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顯示了膠片的響應曲線，主要呈現(xiàn)為S形，因為在膠片上，高光的化學反應會隨著曝光量的增長而下降，也就是說，在曲線的某一點之后，圖形不再是直線，增加越來越多的光線最終會產(chǎn)生越來越小的效果。這是因為乳膠膜中的銀晶體飽和并停止反應。類似的現(xiàn)象也發(fā)生在陰影中（圖1的左側(cè)部分）。當感光材料在曝光過程中開始撞擊銀晶體時，由于銀晶體對光的反應延遲造成的，乳劑不會立即產(chǎn)生反應，所以曲線會在一段時間內(nèi)保持平坦，這會導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，銀晶體最終達到飽和點，隨著越來越多的光子涌入，化學反應開始放緩，然后完全停止，最終成為了膠片特性曲線的肩部。

數(shù)字攝影中的伽馬原理

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比度更大，Y值（圖像亮度）隨著X值（場景亮度）的每一個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，這會導致對比度較低的中間色調(diào)。

視頻伽馬則是一個冪函數(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下像素可以變得更亮或更暗。

顯示設備的伽馬設定

大多數(shù)早期的顯示設備都是陰極射線管（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，圖像工程師們在電視的早期發(fā)展就意識到，攝像機必須在前端安裝伽馬校正來補償這一點。簡而言之，攝像機上的伽馬編碼與CRT監(jiān)視器的伽馬特性相反，且兩者相互抵消。

Rec.709

ITU-R Recommendation BT.709，簡稱Rec.709（或BT.709），Rec.709規(guī)范了包括顏色空間、伽馬曲線、縱橫比、幀率等工程細節(jié)。Rec.709是“所見即所得”，它被設計為顯示相關(guān)（Display Referred），這意味著來自攝像頭傳感器的對比度范圍被映射到標準對比度范圍，以適應特定的顯示設備。為了做到這一點，它將所有顏色值納入一個相當有限的范圍。Rec.709傳遞函數(shù)主要是冪函數(shù)曲線，但底部有一個小的線性部分，斜率還非常大，當相對光強接近0時，曲線接近垂直，這意味著將在場景的黑暗部分造成無限增益和噪聲。從技術(shù)上講，Rec.709只有五檔動態(tài)范圍。一些相機或攝影機有Rec.709輸出，用于觀看或記錄，但是如果沒有后期制作來進行色彩校正，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，效果將會很不錯。

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)相機中通常包括兩個單獨的調(diào)整：斜率和膝點。斜率是高光或膝部響應的角度，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，即低對比度。較高的斜率意味著圖像亮度變化非常快，即對比度更高。這通常用于適應場景中的一些明亮高光，膝點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。它會改變曲線下端的斜率，使其或多或少具有對比度。

HyperGamma/CineGamma/Film REC

僅僅改變斜率和拉伸膝部和陰影區(qū)域可以達到很好的效果，但畢竟這是一種有限的方法，可能會導致一些看起來有點不自然的圖像。多年來，攝影機制造商提出了更復雜的方法來擴展攝像機的動態(tài)范圍。攝影機制造商開發(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)攝影機品牌的不同，不同的伽馬名稱有所不同，旨在擴展相機的動態(tài)范圍。動態(tài)范圍越大，曲線越平坦，對比度越低。

數(shù)字電影攝影中伽馬的應用——RAW和Log

RAW

拍攝RAW格式也只是在Red One時代流行起來的，自從第一部RED攝影機問世以來，他們的色彩科學一直在發(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，用于在設置時查看，以及在將RAW文件導入編輯或調(diào)色軟件時進行轉(zhuǎn)換，它們?yōu)槌上裉峁┝似瘘c，并為后期制作過程提供了指導。

RAW簡而言之就是在感光元件運作生成圖像之前的數(shù)據(jù)信息，攝影機通過鏡頭來采集光線，并將光線解釋計算后形成圖像。而RAW視頻是將相機在生成影像文件之前捕獲到的還未解釋計算的光，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的點數(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問題，就是它在每檔使用比特數(shù)方面效率極低。造成的影響就是在動態(tài)范圍的前四檔會受到很大的影響，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應的 Log格式，這種方式是膠片轉(zhuǎn)數(shù)碼儲存最優(yōu)化的方式。雖然它只是一個帶有掃描儀、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圖像制作產(chǎn)生了持久的影響?？逻_的工程團隊決定，膠片圖像可以完全捕獲在一個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。因為它起源于膠片，所以整個系統(tǒng)都參考了膠片密度數(shù)據(jù)。

Log在概念上與伽馬類似，因為它降低了響應曲線的斜率，以擴展動態(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不是對曲線應用冪函數(shù)，而是使用了對數(shù)曲線。對數(shù)函數(shù)的一個關(guān)鍵要素是，Y軸值的間距不均勻。對數(shù)曲線和冪函數(shù)曲線在繪制時看起來有些相似，它們的操作方式也很相似，但存在數(shù)學和結(jié)果上的差異，攝影機廠商和軟件設計師可以利用這些差異，通過這些差異來實現(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的攝影實際上記錄了Log編碼的數(shù)據(jù)，在大多數(shù)高端攝影機中，傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（更高的位深度）比使用當前技術(shù)記錄的數(shù)據(jù)要多。有些相機確實能夠記錄未壓縮的RAW圖像，然而，有時候拍攝條件不允許或是并不需要使用RAW記錄，RAW會產(chǎn)生相當大的存儲壓力和處理壓力，其他錄制選項，Rec.709或P3，是一個寬色域的顏色空間，也是數(shù)字電影所倡議的和行業(yè)標準。

攝影機專有的LOG曲線

攝影機公司廣泛使用LOG曲線來記錄圖像數(shù)據(jù)，每個制造商都設計了一個或多個Log編碼方案，這是他們尋求更好的相機Log曲線方案。Arri使用Log C，RED有RedLogFilm，索尼使用S-Log，佳能相機使用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曲線是場景的對數(shù)編碼，這意味著在很寬的動態(tài)范圍內(nèi)，以檔為單位測量的曝光與信號之間的關(guān)系是恒定的，每一檔都會增加相同數(shù)量的信號。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不是一個單一的傳遞函數(shù)，它實際上是一組不同EI（曝光指數(shù)）設置的曲線。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，當降低一檔曝光時，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)。在實施Log C編碼時，改變El值不會改變動態(tài)范圍。然而，它確實會影響總范圍在中灰上方和下方的分布。對于可能需要適應高光或陰影中存在一些關(guān)鍵細節(jié)的場景的攝影師來說，這可能是一個有用的工具。

Alexa的曝光寬容度不會隨著不同的曝光指數(shù)（El）設置而改變。大多數(shù)數(shù)碼相機，在特定的El設置（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置的El設置，有時會導致曝光寬容度損失驚人地大。Alexa的獨特之處在于其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有三個版本，S-Log1、S-Log2和S-Log3。因為S-Log的編碼值從未達到黑白的極限，所以S-Log曲線看起來非常平坦，因為場景中的正常陰影值從來沒有達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)都具有相同的動態(tài)范圍的能力。S-Log3是一種動態(tài)范圍為1300%的對數(shù)信號，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，曝光更難確定。關(guān)于S-Log2的標準，18%的灰度是以32%的視頻級別為基礎(chǔ)拍攝的。在拍攝電影時，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檔的動態(tài)范圍，對高光有很高的容忍度，并防止大多數(shù)白電平切割。如果使用實際的Log圖像進行監(jiān)控，可能會誤以為要繼續(xù)提高曝光率，因為由于Log拍攝對高光的高動寬容度，數(shù)據(jù)最終仍在直方圖范圍內(nèi)。通過拍攝比標準亮度更亮的片段，然后進行后期處理時將其壓暗，來確保噪聲不明顯。然而在這種情況下，動態(tài)范圍將縮小。當然更好的方法是在拍攝時打開和關(guān)閉LUT以檢查圖像。