4K影視制作輸出打包方式與色彩管理

羅新艷

（中央電視臺，北京 100859）

視頻技術

4K影視制作輸出打包方式與色彩管理

羅新艷

（中央電視臺，北京 100859）

介紹4K技術在影視制作中輸出打包方式與色彩管理的要點，并結合相關軟件進行問題探討。

數字院線文件包；超高清技術；數字電影；影視制作輸出；打包方式；色彩管理

2014年巴西足球世界杯期間，索尼和國際足聯利用4K（UHD，超高清）技術記錄了賽場上的每一個難忘的瞬間，令人震撼的4K浪潮席卷全球。4K數字攝影機具有高幀率、寬色域、高寬容度等優勢，在拍攝質量上已全面超越采用傳統膠片記錄電影的方式。目前，電影的數字中間片（Digital Intermediate，DI）制作和數字影院放映都支持2K和4K分辨率，大量的4K電影都是用35 mm或65 mm膠片拍攝后掃描成4K數據，再用4K數字中間片工藝制作?，F在，部分廠家的某些型號數字攝影機在分辨率、寬容度、靈敏度和色域等關鍵性能上都已達到甚至超越了65 mm膠片的拍攝效果，實現了4K制作流程中最后也是最困難的拍攝環節的數字化，4K數字影視中間片制作流程已全面暢通。

1 數字電影制作流程及文件格式

DCP全稱是Digital Cinema Package（數字院線文件包），是電影制作完成后，用于數字影院播放的文件包。對于目前以數字方式拍攝制作的電影來講，制作流程（見圖1）可以分為以下幾步。

1.1 前期拍攝

采用數字攝影機，拍攝記錄大于12 bit RAW格式的素材文件，并導出為DPX（Digital Picture Exchange，圖片序列格式）、TIFF（Tagged Image File Format，標簽圖像文件格式）、OpenEXR（開放標準的高動態范圍/高精度色彩的圖形文件格式）等無損的數字中間片格式，同時可導出一版低碼率文件用于粗剪。數字拍攝時，用兩種方法可以得到低碼率代理文件。第一種方法是，使用內置和外置的記錄單元同時記錄相同時碼的高碼率數字負片 RAW（原始數據）和低碼率代理文件，高碼率素材為16 bit直線或 10/12 bit對數伽瑪（Gamma），低碼率代理文件設置為 8/10 bit電視伽瑪，這樣就可以在計算機和監視器上看到正常對比度和彩色的圖像。第二種方法是，數字攝影機用內置或外置記錄單元記錄高碼率素材文件，在拍攝現場備份素材文件時用專用設備把所有素材文件轉換成相同時碼的離線編輯用低碼率電視伽瑪代理文件。

1.2 后期制作

獲得數字中間片之后，后期軟件中完成低碼粗剪、套片精剪、調色、特效、合成以及混音的過程。整部影片制作完成之后，就可以制作數字信源母帶（Digital Source Master，DSM）了，一般轉換為無損16 bit TIFF圖像序列或DPX序列，音頻部分是24 bit 48 kHz/96 kHz的無損PCM文件。數字信源母帶用來進一步制作影片的各種發行版本，比如影院、DVD等。其中的影院版，即數字院線發行母帶（Digital Cinema Distribution Master，DCDM）。DCDM的技術規格由數字院線聯盟（Digital Cinema Initiative，DCI）制定：

●2K級別：分辨率2 048×858（2.39∶1）或1 998×1 080（1.85∶1），24 f/s或48 f/s（支持3D，左右眼各24幀）

●4K級別：分辨率4 096×1 716（2.39∶1）或3 996×2 160（1.85∶1），24 f/s（不支持3D）

圖像格式為16 bit無損TIFF序列，伽瑪值為2.6，X'Y'Z'色彩空間，白點5 500 K，音頻格式為24 bit 48 kHz/96 kHz無損PCM文件。

1.3 影院放映

由于文件存儲空間過大，不便世界各地同時發布等原因，影院并不播放無壓縮的DCDM文件，而是播放數字院線文件包（DCP）。DCP是一種數字文件集，用于存儲和轉換數字影像的音頻、圖像和數據流，采用MXF格式進行封裝。其中，包含音頻和視頻流，以及XML格式的輔助索引文件，圖像部分是將DCDM的無損圖像序列以JPEG2000小波變換的方式進行有損壓縮，依然采用X'Y'Z'色彩空間，色深降為12 bit，碼率控制在250 Mb/s；音頻方面不進行壓縮，直接將譯制后或者原版的內容打包至MXF容器中。MXF文件包中還含有壓縮、編碼和加密的數據流，以此來減少所需的大量存儲空間和防止未授權使用。音頻加密標準采用的是CBC模式中的AES-128 bit。

2 4K電視節目DCP打包流程

如圖1所示，數字電影與電視節目的制作流程差異已經不大，只是在最后的輸出及監看時略有不同。對于4K電視節目制作，并有影院播放需求的，由于目前的軟硬件設備直接剪輯制作4K RAW文件，存在效率極低、存儲空間占用過大等問題，因此，4K電視制作流程采用電影的粗剪、套片等流程，完成后最終輸出4K DPX序列（相當于電影中的DSM版）。但略去電影流程中的DCDM這個沒有必要在電視4K制作中出現的版本，直接使用軟件將4K DPX序列打包為DCP文件。

3 影院投影及DCP打包設備和軟件

3.1 碼率

雖然DCI規定了4K的幀速率為24 f/s，但仍然有少數4K投影及DCP打包軟件可以支持到最高4K 60 f/s。

實際上，DCI規定了DCP文件最大碼率是250 Mb/s，這就造成了2K-24P和4K-60P的最大碼率是一樣的。而基本上全部打包DCP的設備或軟件也遵循該規定，最大只有250 Mb/s碼率的設定。這明顯對于4K分辨率、高幀速率的影片存在著壓縮比過大的問題，導致了畫質有一定的降低，且降低的程度超出了DCI制定規范時的預估。

3.2 色彩空間的轉換

色彩空間源于英文“Color Space”，也稱為“色域”，建立不同維度坐標系統的色彩模型定義色彩范圍，來表示某一色彩。一組編碼值，如[0.506，0.266，0.266]本身是不足以指定一種顏色的，三個數字所代表的顏色在不同的色彩空間中是不同的。這些編碼值必須由一個特定的顏色空間來解讀。

色彩空間可分為兩類：與設備無關的色彩空間，使用絕對數值還原色彩；與設備相關的色彩空間，對色彩的還原取決于具體的硬件特性。與設備相關的色彩空間依賴于某一特定的相機、投影機、打印機、顯示器或其他裝置本身的特性，發送相同的數字顏色代碼值到不同的數字電影放映機以及電影膠片記錄儀時將產生不同的顏色。

然而，設備的特征是可以描述的。特征描述涉及到按照絕對色度表精確地測量它們的響應。這樣，特征描述提供了一種與設備相關和與設備無關的色彩空間之間轉換的方法。sRGB（由惠普公司和微軟公司開發的標準色彩空間，standard Red Green Blue）和AdobeRGB（由Adobe公司推出的色彩空間標準）本質上是與設備相關的虛擬空間，但特征描述文件將會使它們變得像與設備無關的色彩空間一樣。

為了使特征描述持續有效，設備必須進行校準，包括調整裝置的參數（如選擇的基色、白點和Υ值），以達到預期的顯示目標。這個過程必須周期性地重復，因為長期使用會導致器件的響應值產生漂移。

因此，DCI在數字電影編解碼系統中改為采用 X'Y'Z'色彩空間（見圖2）。CIE XYZ是由CIE（國際照明委員會）定義的與設備無關的加色制色彩空間，通常作為國際性的色彩空間標準，用作顏色的基本度量。而X'Y'Z'是對CIE XYZ進行編碼后的一種色彩空間。

要獲得X'Y'Z'數據，應先使亮度Y為亮度的絕對值對CIE XYZ進行調整。由于數字電影屏幕的參考白光亮度為48 cd/m2，而CIE XYZ中白光的亮度Y為1，因此調整系數為：k＝48。使用這一系數對CIE XYZ的三個分量分別進行調整：

Xa=k·X， Ya=k·Y， Za=k·Z

再對上述Xa、Ya、Za分別進行歸一化（除以52.37），伽瑪校正（Υ＝1／2.6）和范圍擴展（擴展為12 bit的整數）后，得到X'Y'Z'分量，其中對X'分量的處理為：

X'＝INT[4 095×（Xa/52.37）1/2.6]

當通過DCI Server（服務器）放映到銀幕上時，數字放映機將X'Y'Z'空間又轉換為DCI-P3規范的色彩空間。也就是說，無論給到DCI Server的是什么色彩空間的文件，數字放映機都會按照X'Y'Z'到DCI-P3來轉換。例如，DCI Server中是ITU709或DCI-P3色域的文件，數字放映機就會將ITU709或DCI-P3色域認為是X'Y'Z'空間，然后進行一次到DCI-P3的轉換。這就造成了顏色失真錯誤。

現在，很多影院數字放映機播放時支持將X'Y'Z'轉換為ITU709，即無論給什么色彩空間的文件，都進行X'Y'Z'到ITU709的轉換。但ITU709色域比DCI-P3還小，其作為比X'Y'Z'小得多的色域，在X'Y'Z'到ITU709轉換時會造成3倍于ITU709原片的噪波。雖然目前對硬件產生噪波的抑制愈加成熟，但由于片源原因，絕大多數院線投影也都遵循DCI標準，設置為X'Y'Z'到DCI-P3。

從上述流程可以看出，4K電視制作流程中完成RGB色彩空間（ITU709和 DCI-P3都基于RGB空間）到X'Y'Z'色彩空間的轉換是在打包軟件中，而電影是在DSM到DCDM版本的制作中，使用后期軟件完成的該顏色空間轉換。

3.3 投影設備設置

目前，影院的數字放映機在完成X'Y'Z'到ITU709的轉換時，有Limited Range和RGB Full Range設置。

實際上，由于4K電視制作流程中采用dpx（Digital Picture Exchange）無壓縮制作輸出，即文件中包含完整的0～255（以8 bit為例）的信息，因此就會出現如下結果：

（1）當投影設置為Limited Range（16～235）時：

影片里所包含的0～16級灰階信息全部映射成顯示設備的16灰黑，同理235～255映射為235白，就造成畫面發灰發白、黯淡無光。

（2）當投影設置為RGB Full Range（0～255）時：0～255 全部范圍顯示灰階輸出正常。

4 色彩管理

在整個制作流程中需要色彩管理，以確保調色師在調色時看到的顏色與最終呈現在影院投影上的顏色一致。

在SMPTE RP 431-2: 2011 D-Cinema Quality-Reference Projector and Environment中提到了4種不同的P3色域及白點：P3 D55，P3 D61，P3 D65，P3 DCI WHITE。任何一種最終都可以使用。因此，在4K電視制作流程，最好的選擇是D65，但最終需要和影院確認白點位置。表1列出了4K電視節目制作影院版時DCP各流程中涉及到的色彩空間。

表1 4K電視制作流程中各階段的色彩空間

5 制作全流程中應注意的幾點

5.1 調整監視器

校色時若沒有數字放映機和標準銀幕作為圖像監看，則需要按照不同需求來調整制作過程中的監視器：如院線最終呈現DCI-P3色域，則需將監視器調整為DCI-P3（Gamma 2.6，白點D65）；如最終院線呈現為ITU709，則將監視器調整為ITU709（Gamma 2.2，白點D65）。目前少量廠家的4K（UHD）監視器已經支持DCI-P3色域，Eizo某些型號顯示器也可設置為DCI-P3色域進行觀看。

5.2 色域制作

一般的后期制作軟件沒有設置ITU709色域制作或者DCI-P3色域制作這樣的選項，因為色域的呈現都是在監視器上觀察到的，而后期軟件只是輸出給監視器電平。實際上，后期制作或調色軟件處理時，都是按照最高16 bit/32 bit RGB方式來運算的，然后再轉換為電平值輸出給監視器。同樣的輸出電平，監視器如果設置不同的色彩空間，則顏色就不同。因此，后期軟件本身處理沒有色彩空間上的限制，但后期軟件可以有“合法709”等視頻指標的限制，是為了保障播出安全，該限制對顏色也有影響。

5.3 色彩空間的轉換方法

后期編輯調色軟件大多可使用LUT（Look Up Table，映射表）等來進行色彩空間的轉換，但轉換只是基本準確。

例如，最終院線需要DCI-P3色域，而高清播出版需要ITU709色域，則可采用以下幾種方法。

（1）將監視器的色域設置為ITU709，在此環境下，調色師看到的顏色都是ITU709空間的，成片輸出dpx時，可套用ITU709到DCI-P3的LUT，來進行顏色轉換，將ITU709色域轉換為DCI-P3色域。這樣做的好處是，保證高清播出版顏色準確，院線版的顏色基本準確。

（2）支持DCI-P3色域的監視器，則可在P3環境下調色，調色師看到的顏色都是DCI-P3空間的，成片輸出dpx時，不用套用任何LUT，直接輸出，打包軟件將色彩空間轉為X'Y'Z'。院線播放時，又被數字放映機從X'Y'Z'轉回DCI-P3，相當于DCI-P3到 X'Y'Z'到DCIP3。這樣做的有利之處是，保證院線版準確，高清播出版則需套用DCI-P3到ITU709的LUT，顏色基本準確。

（3）為了色彩精準，分別在DCI-P3和 ITU709色域的監看環境下進行色彩校正，ITU709色域下的校正生成文件送高清播出，DCI-P3色域下的校正生成文件送到數字院線。

（4）采用Academy IIF-ACES流程

如圖3所示，最大的三角形是Academy IIF-ACES（AcademyImage Interchange Framework- Academy Color Encoding Specification， Academy圖像交換框架－學院彩色編碼規范，是美國電影藝術與科學院為提高電影、電視制作質量提出的新一代制作標準）標準可顯示的色彩。美國電影藝術與科學院引入IIF的目的是用更高的精度整合膠片與數字拍攝資源，消除不同圖像格式轉換時的彩色誤差，在不同設備的流程之間提供改善的色彩管理，以高精度母版為基準支持膠片和數字電影、電視等多種發行方式。制定Academy IIF-ACES的主要原因是，Academy認為膠片已經不再是影視制作中的主要交換格式，數字設備逐步成為主要拍攝手段，而現有的圖像和編碼格式都是以電影或電視伽瑪為基礎制定的，難以滿足高質量的模板制作標準；而IIF支持高寬容度、大色域圖像制作，是超越現有電視空間、對數空間的線性空間。其實在IIF之前，工業光魔（Industrial Light and Magic）的Open EXR格式就已經開始使用16 bit直線伽瑪，Open EXR格式也被ACES吸收，成為IIF標準的一部分。IIF的核心是用高精度16 bit直線伽瑪與人眼可見色域相同的大色域制作母版，以保持最高精度的圖像質量，然后再根據需求轉換成符合電視空間或對數空間顯示的圖像文件。由于IIF工作在線性空間，因此在制作過程中必須使用LUT將線性空間轉換成適合大多數監視器和數字放映機顯示的電視空間，才能實現制作時的“所見即所得”。

ACES相當于一個“黑匣子”，將任何空間的素材都可轉換為最廣闊的ACES色彩空間，在此空間下進行制作，輸出時再將ACES空間轉換為所需顏色空間（ACES到P3，ACES到 ITU709，ACES到X＇Y＇Z＇，ACES到sRGB，等等）。其存在的意義在于建立了一個統一標準。ACES色彩空間超過人眼可視全部顏色范圍，同樣由于不可能有支持該空間的顯示設備，所以，編輯調色時需要加載ACES到 ITU709的LUT，以便看到的是ITU709的顏色。否則，由于素材被轉換至ACES空間，本來輸出到ITU709顯示器上看起來正常的電平值在轉換過程中有了改變，再輸出到ITU709監視器上就會有色彩偏差（同理，對于P3也一樣）。但ACES的缺點是占用存儲空間。因為按照ACES流程，任何素材都轉換為16 bit線性來進行存儲。

制作數字電影時，在ODT部分應選擇ACES到DCIP3色域變換；而在制作4K電視節目時，應選擇ACES到Rec2020色域變換；若是制作高清電視節目時，應選擇ACES到ITU709色域變換。歸檔時為了保留素材的原始屬性和盡可能多的元數據，最好在IDT轉換后的ACES色彩空間下用Open EXR文件格式保存。

6 關于打包軟件的一些探討

目前，打包及可播放DCP的主要軟件包括以下幾種。

DCP打包軟件：CuteDCP、DCP Tool、easyDCP Creator、OpenCubeDCP、OpenDCP；

播放軟件：dcpPlayer、easyDCP Player、Stereoscopic Player。

圖4、圖5是使用easyDCP、openDCP及Autodesk Smoke（Flame同）三種色彩空間轉換方式得到的X'Y'Z'空間下的兩組圖像。

可以看到，使用以上三個軟件進行空間轉換，得到的結果只有極小差別，但并沒有做到顏色完全一樣。實際上，ITU709到X'Y'Z'雖是固定的計算公式，可有些打包軟件為了提高效率，在空間轉換上的算法并不一致。例如，某打包軟件的算法描述如下：在逐像素轉換過程中，除了RGB到X'Y'Z'空間的轉換，在Gamma矯正運算上也會使打包效率降低。因此，該軟件會判斷“當前像素的R、G、B值與上一個像素的R、G、B值的差是否在設定范圍內，若是，則將上一個像素的X'Y'Z'值替換當前像素的R、G、B值”，導致了這些軟件結果的輕微差別。所以很多調色師會本著“所見即所得”的原則，部署院線的同型號數字放映機，讓調色師對著銀幕調色而不是監視器調色。

7 結束語

從電影由膠片轉向數字的那一刻起，電影技術就與數字技術緊密相聯。電影技術不再像過去一般發展緩慢，而是搭上了數字技術的火箭，以一種日新月異的新姿態沖擊著業界人士的思維觀念。過去電影一直以視聽媒體高端產業自居，電影界與電視界之間涇渭分明，但在數字時代，兩者在技術上的壁壘漸漸被打破，電影逐漸走下神壇，不用有大資金的支持也能制作電影。而且隨著民用數字視聽設備的不斷更新換代，4K分辨率的投影設備及顯示設備很快就會普及，老百姓坐在家中欣賞4K電影也指日可待了。

（編輯 張冠華）

Packing Mode and Color Management in Output of 4K Film and Video Production

LUO Xin-yan
(China Central Television , Beijing 100859, China)

The paper introduced the keypoint of packing mode and color management by DCP (Digital Cinema Package) outputing while producing film and video with 4K technology, and discuss some questions with some software.

digital cinema package; ultra HD technology; digital film; film and video production output; packing mode; color management

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.06.011