4K超高清制作下對LED燈具顯色性要求的探究

遲 超

(中央廣播電視總臺，北京 100038)

引言

當(dāng)前以LED為光源的常規(guī)燈具在高清制作下的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。隨著4K超高清制作環(huán)境的到來，現(xiàn)階段使用的LED燈具能否適配4K超高清系統(tǒng)，尤其是燈具的顯色性方面有什么與高清制作不同之處，在4K超高清的演播室當(dāng)中怎樣選擇LED燈具，這些是演播工作中比較關(guān)心的問題。本文通過模擬實際演播室燈光工作的操作與要求對上述問題進(jìn)行一些探究。

1 LED燈具的顯色性評價標(biāo)準(zhǔn)

1.1 CRI

CRI是目前應(yīng)用最廣泛的顯色性評價標(biāo)準(zhǔn)。國際照明委員會對顯色性的定義是：與標(biāo)準(zhǔn)的參考光源(太陽)相比較，一個光源對物體顏色外觀所產(chǎn)生的效果。CRI評價體系中，其中100表示最佳的顏色渲染光質(zhì)量。Ra值越高顏色越精確。在這評價體系中，傳統(tǒng)鹵鎢燈的CRI 表現(xiàn)最好，Ra幾乎可達(dá)到100，而LED光源由于光譜的不連續(xù)性，其Ra普遍比鹵鎢燈的低。

近幾年，在演播室拍攝照明中已經(jīng)普遍使用LED光源。由于LED光源發(fā)光原理和光譜分布的特殊性，在演播室實際應(yīng)用中，有時Ra很高的光源，會因LED光源光譜成份與攝像機(jī)的感光芯片彩色特性的不匹配，輸出的畫面顏色上存在偏差。

1.2 TLCI

EBU(歐洲廣播聯(lián)盟)開發(fā)了一種名為電視光源一致性參數(shù)的新模型，簡稱TLCI。這是一種用于攝像機(jī)應(yīng)用的顯色模型。與CRI類似，TLCI的唯一要求是光源的光譜功率分布，當(dāng)輸入到TLCI軟件時，會將光譜與理想的參考源進(jìn)行比較，測量值從0～100。測量值為100時，意味著該光源具有攝像機(jī)的理想顯色性，高于85的分?jǐn)?shù)對于捕捉真實、自然的圖像是可以接受的。

TLCI標(biāo)準(zhǔn)的測試與CRI有些類似，是由一張色彩對比圖標(biāo)顯示比對結(jié)果確定的。TLCI的測試色塊有24個，測試的結(jié)果基于每個標(biāo)準(zhǔn)對比色塊在標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，由攝像機(jī)輸出畫面在標(biāo)準(zhǔn)電視監(jiān)視器上顯示的色彩表現(xiàn)。

1.3 TM-30

近年來TM-30在照明界引起了很多關(guān)注。TM-30是由美國照明工程學(xué)會(IES)開發(fā)的一種評估光源顏色再現(xiàn)的方法，是一個由多種相關(guān)度量和圖形組成的系統(tǒng)，可以一起使用來有效地評估和傳達(dá)光源的顯色屬性。目前來看，TM-30試圖取代CRI作為測量光源顏色再現(xiàn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。TM-30的開發(fā)始于2013年，標(biāo)準(zhǔn)的第一個版本IES TM-30-15于2015年發(fā)布[1，2]。

TM-30-15包括三個主要組成部分：

1)Rf——保真度指數(shù)。

2)Rg——提供飽和度信息的色域指數(shù)。

3)顏色矢量圖形—相對于參考源的色調(diào)和飽和度的圖形表示。

TM-30-15和CRI有幾個重要的區(qū)別。

首先，CRI僅提供有關(guān)保真度的信息，即顏色的準(zhǔn)確再現(xiàn)，使物體看起來與它們在熟悉的參考光源(如日光和白熾燈)下的外觀相似。CRI不提供有關(guān)飽和度的任何信息，而TM-30-15使用色域指數(shù)(Rg)來描述飽和度的差異。

其次，CRI僅使用8個顏色樣本來確定保真度，而TM-30-15使用99個顏色樣本。燈具制造廠家可以通過確保光源光譜的某些峰值與用于計算CRI的八個顏色樣本中的一個或幾個匹配來騙過CRI系統(tǒng)，從而實現(xiàn)人為的高CRI值。這種人為的高CRI值會導(dǎo)致TM-30-15值較低，因為TM-30-15有99個顏色樣本。畢竟，將光譜峰匹配到99個顏色樣本是非常困難的。

2 LED燈具的顯色性測試

2.1 測試燈具、視頻設(shè)備介紹

筆者在日常工作接觸的新聞演播室燈具已全部為LED光源，所以測試中共選擇LED為光源的6款燈具。其中有5款燈具為當(dāng)前國內(nèi)外廠商的最新產(chǎn)品，還有一款為某場地正在使用中的2012年購置早期LED燈具，作為對照燈具。6款燈具中，有3臺為平板柔光燈，3臺為聚光類燈具(包含螺紋聚光燈、成像燈)，見表1。文中將“相關(guān)色溫”統(tǒng)一簡稱為“色溫”。

表1 燈具基本信息

視頻、燈光相關(guān)設(shè)備如下：

攝像機(jī)：SONY HDC-3500；示波器：Tektronix PRISM；監(jiān)視器：SONY BVW-HX310；光譜儀：Sekonic C-800。

2.2 測試參考依據(jù)

1)《電影電視用白光LED燈具技術(shù)要求和測量方法》(GY/T 302—2016)；

2)ITU-R REC BT.2020 Parameter values for ultra-high definition television systems forproduction and international programme exchange；

3)ITU-R REC BT.2100 Image parameter values for high dynamic range television for use in production and international programme exchange；

4)ITU-R REP BT.2408 Guidance for operational practices in HDR television production。

2.3 視頻框圖

本次測試搭建了4K視頻環(huán)境，如圖1所示。使用SONY HDC-3500攝像機(jī)通過4*3G-SDI信號給到泰克4K示波器，并由示波器環(huán)出相同的SDI信號給到SONY BVW-HX310 4K監(jiān)視器。測試中全部信號為4K超高清信號，光圈調(diào)光也根據(jù)4K調(diào)光，不考慮下變換高清信號SDR調(diào)光的情況[3]。

2.4 燈具基本設(shè)置

為了使測試的條件與日常新聞演播室燈光的設(shè)置相似，本次場景的照度選擇為500 lx，燈具距離選擇為5 m左右，其中成像燈由于鏡頭度數(shù)的原因，將投射距離設(shè)置為10 m。燈具色溫設(shè)置為3 200 K。根據(jù)上述設(shè)定，整理了燈具的照度基本數(shù)據(jù)見表2。

圖1 視頻框圖Fig.1 Videoblock diagram

表2 燈具照度基本數(shù)據(jù)

2.5 燈具色溫測試

將燈具的色溫設(shè)置為3 200 K后，通過光譜儀分析6款燈具的實際色溫、光譜分布以及白平衡情況，具體見表3。

表3 燈具實際色溫、光譜分布以及白平衡情況

續(xù)表3

2.6 燈具顯色性測試

6臺燈具的CRI、TLCI以及TM-30情況，見表4和表5。

表4 燈具顯色指數(shù)(CRI/TLCI/TM-30)

表5 TM-30-15中燈具顏色矢量圖

3 畫面主觀評價

本次測試設(shè)計了兩個場景，其中一個為拍攝DSClabs的標(biāo)準(zhǔn)色卡，另外一個場景為包含人物近景加靜物的場景。

畫面的主觀評價使用第二個場景拍攝的畫面。場景中設(shè)計了便于攝像機(jī)進(jìn)行白平衡調(diào)整和色彩調(diào)整的愛色麗X-rite colorchecker CLASSIC測試卡；由于人眼對膚色的變化很敏感，場景中除了包含女性真人近景，還設(shè)計了代表白種人、黃種人和黑種人膚色特性的Esser膚色色卡；為了測試對圖像彩色還原能力的表現(xiàn)，在場景中擺放了高飽和色的水果，如香蕉、蘋果、檸檬等常見色；同時場景中也放置了具有高光點的金屬物品、玻璃制品，以增加場景的高動態(tài)范圍。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《電影電視用白光LED燈具技術(shù)要求和測量方法》(GY/T 302—2016)中的建議，6款燈具提前通電滿亮輸出滿1 h后，再依次照亮場景。在每個場景的布光中，測試卡要避免在攝像機(jī)畫面中有反光所造成的高光，靈活調(diào)整燈具的位置及角度。

每款燈具布置好位置及角度后，測量場景中心位置的照度。本著盡量貼近日常工作環(huán)境的測試原則，照度都盡量調(diào)整為500 lx附近，燈具的色溫調(diào)整為3 200 K。燈具布置完畢后，利用DSClabs的色卡為攝像機(jī)重新設(shè)置白平衡。最后觀察監(jiān)視器和示波器，畫面中色卡的白塊在示波器中調(diào)整為75%～79%，人物膚色的最亮位置調(diào)整為63%左右。上述工作調(diào)整結(jié)束后，開始錄制片段。

每款燈具如具有高色溫輸出功能，還同時錄制一遍5 600 K色溫時的畫面片段。

圖2～圖8為3 200 K色溫拍攝的6組畫面截圖。

圖2 3 200 K色溫下6組畫面截圖合集Fig.2 A collection of 6 sets of screenshots at 3 200 K color temperature

圖3 1號燈具3 200 K視頻截圖Fig.3 3 200 K video screenshot of No.1 fixture

圖4 2號燈具3 200 K視頻截圖Fig.4 3 200 K video screenshot of No.2 fixture

圖5 3號燈具3 200 K視頻截圖Fig.5 3 200 K video screenshot of No.3 fixture

圖6 4號燈具3 200 K視頻截圖Fig.6 3 200 K video screenshot of No.4 fixture

圖9～圖14為3 200 K色溫下，拍攝視頻的示波器截圖。

本次測試邀請了20位視頻和燈光方面的專家，對上述的兩組畫面從色彩保真度、膚色還原等方面進(jìn)行了主觀評價。通過統(tǒng)計，1、2、3、4、5號燈具屬于第一梯隊，其中2、4號燈具主觀評分較高。6號燈具的色彩表現(xiàn)比較差，膚色還原方面有明顯差距。

4 燈具色域在4K超高清下的表現(xiàn)

從HD高清變?yōu)?K超高清，相應(yīng)的色域也由BT.709擴(kuò)大為BT.2020。4K超高清的色域相比高清擴(kuò)大為1.8倍，尤其在綠色和紅色附近，擴(kuò)大的范圍相對明顯。結(jié)合10倍的亮度提升(以1 000尼特計算)，擴(kuò)大了電視圖像得以展現(xiàn)的色彩空間。

本次選擇的6款燈當(dāng)中，前5款具有輸出彩色光的功能。在設(shè)置色彩時有以下幾種方式：

圖7 5號燈具3 200 K視頻截圖Fig.7 3 200 K video screenshot of No.5 fixture

圖8 6號燈具3 200 K視頻截圖Fig.8 3 200 K video screenshot of No.6 fixture

圖9 1號燈具3 200 K示波器截圖Fig.9 Screenshot of 3 200 K oscilloscope of No.1 fixture

圖10 2號燈具3 200 K示波器截圖Fig.10 Screenshot of 3 200 K oscilloscope of No.2 fixture

圖11 3號燈具3 200 K示波器截圖Fig.11 Screenshot of 3 200 K oscilloscope of No.3 fixture

圖12 4號燈具3 200 K示波器截圖Fig.12 Screenshot of 3 200 K oscilloscope of No.4 fixture

圖13 5號燈具3 200 K示波器截圖Fig.13 Screenshot of 3 200 K oscilloscope of No.5 fixture

圖14 6號燈具3 200 K示波器截圖Fig.14 Screenshot of 3 200 K oscilloscope of No.6 fixture

1)HSI模式，即亮度—色相—飽和度模式。該模式下有三個按鈕分別可以控制亮度、色相以及飽和度。

2)RGBW模式。通過分別控制紅色、綠色、藍(lán)色、白色的強(qiáng)度，來整體控制色彩輸出。

3)XY坐標(biāo)模式。通過輸入CIE1931色度圖當(dāng)中的X、Y坐標(biāo)來確定色彩，同時可以單獨控制亮度。

4)GEL模式。燈具內(nèi)置了各大色紙廠家的品牌及色紙?zhí)柎a，可以通過調(diào)用某一品牌、某一型號的色紙，來確定輸出的顏色。另外亮度參數(shù)也可以同時單獨控制。

在測試中，筆者先使用燈具的HSI 模式來分別調(diào)整出R、G、B三基色。先調(diào)整色相為0°(R紅色)，然后連續(xù)調(diào)整飽和度從0～100%的同時，觀察示波器的亮度分量，控制畫面的亮度不要過曝光。在這個過程中，不斷觀察示波器中的色域圖像，記錄紅色的最大區(qū)域與BT.2020色域范圍之間的比較。

按照上述方法，繼續(xù)測試色相中120°與240°的色域范圍。

通過連續(xù)的顏色和飽和度的調(diào)整，可以發(fā)現(xiàn)燈具輸出的顏色可以基本覆蓋BT.2020范圍，由于4K攝像機(jī)的色域范圍限定，在色域圖中，燈具輸出的顏色被限定在了BT.2020的邊界內(nèi)，如圖15～圖17所示。

圖15 R色相Fig.15 R Hue

圖17 B色相Fig.17 B Hue

對于飽和度較高的場景，在拍攝制作4K HDR節(jié)目時，應(yīng)密切關(guān)注下變換后的HD SDR信號輸出。為確保高清圖像質(zhì)量，應(yīng)避免高飽和基色，同時避免顏色溢出現(xiàn)象。

筆者還在燈具中使用RGBW模式以及XY模式來測試燈具輸出的色彩在示波器中的色域范圍。其結(jié)果與上述利用HIS模式的結(jié)果基本一致。

5 總結(jié)

本次測試中選用了6款燈具，其中前5款為當(dāng)前國內(nèi)外廠商的最新產(chǎn)品，第6款為在用的老款燈具，為10年前的老款LED產(chǎn)品，與前5款燈具作為對照。通過對燈具顯色性方面的測量，前5款燈具都具有較好的顯色性，第6款燈具顯色指數(shù)較低，根據(jù)當(dāng)前的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，已經(jīng)不適合在演播室繼續(xù)使用。

通過主觀評價與燈具客觀數(shù)據(jù)(顯色性)的對比，可以發(fā)現(xiàn)顯色指數(shù)與畫面的主觀評價呈現(xiàn)一定的正相關(guān)。顯色指數(shù)較高的燈具對人物膚色的還原與保護(hù)較好，對各類高飽和色彩能夠較為正確地還原。但顯色指數(shù)較高的燈具之間還存在肉眼可見的區(qū)別，觀眾對燈具之間的不同色彩傾向存在一定的喜好分歧。另外，顯色指數(shù)低的燈具存在人物膚色較差、高飽和色彩溢出失真的情況。

在判斷燈具的顯色性上，建議將CRI、TLCI、TM-30與燈具的光譜分布結(jié)合使用。光譜曲線連續(xù)且波動越小，燈具的特性越好。在電視演播室當(dāng)中，除了整體數(shù)值，我們還比較關(guān)注CRIRa中的R9和R15，TM-30中的顏色矢量圖形，再結(jié)合TLCI的數(shù)值，這樣能較為全面的體現(xiàn)LED燈具在色彩方面的特性，有利于針對實際應(yīng)用場景來選擇燈具設(shè)備。在4K超高清下且有較高要求時，建議Ra、TLCI、TM-30均不低于92。

在色域方面，當(dāng)前的LED彩色光源燈具基本覆蓋4K BT.2020色域。在拍攝時，要注意高飽和基色的使用，特別是高飽和藍(lán)色和紅色，抑制色彩溢出現(xiàn)象。

本次測試由于時間和條件限制，在測試設(shè)計和數(shù)據(jù)分析上還存在很多改進(jìn)空間，本文更多的是從筆者自身工作實踐等需求來對該課題做的一些探究，希望能夠為相關(guān)研究提供一些參考。