曝光控制中的傳統與革新

張寧

4.數字攝影時代的曝光控制

經常聽到攝影師的牢騷：“什么機器也比不上人的眼睛！”確實，從理論上講目前還沒有哪種設備或者哪種算法能夠還原人眼所能看到的一切。這里的還原主要是指影像記錄材料對影調再現的能力。

景物的亮度范圍有大有小，被攝體的明暗光亮比，受光源的強弱與反射狀態的影響，變化非常復雜。由于人眼對這種變化有較強的適應能力，即使在明暗光亮比很大的情況下，也能看清景物。如在夏季晴天，中午地面上接受的照度可達10萬勒克斯，而夜晚滿月時景物接受的照度只有大約0.3勒克斯，其變化范圍高達33.3萬倍。在這么大的范圍內人眼都能看清物體，而感光材料和數字攝影機的感光單元（CCD或CMOS），能夠按比例正確記錄的景物亮度范圍卻有了一定的限度。

為了“彌補”這種限度，傳統感光材料和數字攝影機的感光單元都采取了相應的策略。膠片通過改進感光乳劑的“配方”來提高寬容度，感光單元則通過處理電路施加伽馬（Gamma）控制提高動態范圍。記錄材料的本質區別決定了兩者在曝光控制方面的思路存在巨大差異。

4.1膠片的曝光控制

先來看膠片，雖然日漸式微，但卻是解決目前數字攝影曝光控制難題的一把鑰匙，不可不察。一般在創作中保守的估算黑白和彩色膠片的寬容度為128：1，也就是說膠片能按正比例記錄景物亮度范圍的能力是7級（可以理解為7檔光圈或者7EV）。用有限的寬容度記錄上萬倍的反差，取舍是關鍵。如圖43，從鏡面高光到純黑，被攝體的亮度范圍非常大。經過光學鏡頭后中間調和高光幾乎沒有衰減。受到鏡頭鏡片組之間2%眩光的影響，暗調子被壓縮。以反光率18%的中灰板測光、曝光，經過恰當的顯影（顯影的反差指數為0.56），底片擴展了記錄的范圍，密度等倍于寬容度9檔。這里等倍9檔的概念是指底片記錄下了被攝體影調的9級亮度范圍，但是呈現在底片上，這9級亮度被壓縮進不到6檔的密度空間，18%中灰的位置非常靠近整個影調的中部。

在膠片的曝光控制中，18%灰是關鍵，它是自然景物的平均反光系數。黃種人皮膚的平均反光系數是23%，白種人是30%。在這個曝光基準點之上保留3檔，之下保留4檔，最符合人眼的自然觀感，最大限度的保留了影像的層次細節。換個說法，是人眼最希望看到的層次細節。這也是經典的上三下四經典膠片曝光控制理論的由來。

值得注意的是，18%的灰又經常被稱作中灰，而不是數學計算中的50%灰。反光率和灰度是兩個概念，反光率18%的灰呈現在膠片上，恰好位于影調的中間。計算機的圖形處理中，50%的灰度和反光率18%的灰板的確具有相同的影調值。還有一點也要格外注意，就是對圖43的理解，18%灰板基線上下的檔位并不相等，為什么說它是在影調值的中點？答案在于暗部影調的檔位對應的是被攝體的亮度范圍，膠片曝光時的確記錄下了這些檔位，但是已經被極大地壓縮了。前文對等倍9檔的解釋也是這個意思。

4.2數字攝影機的特性

再來看數字攝影機。電視最早是以直播的形式傳輸電視節目，記錄的介質只有膠片。上個世紀70年代，攝像機開始大量用于電視廣播。攝像機的生產廠商首先面臨一個技術問題，即電視機對亮度信號的處理并非線性的問題16。由于之前的電視對亮度信號的處理并不是線性的方式，所以要么大規模改造電視設備，要么在攝像機中加入相反曲線的處理，這樣才能讓人眼的觀感和電視機的顯示匹配一致。顯然后者更具有操作性，攝像機采用了和電視機相反的曲線來處理亮度信號。把攝像機的曲線和電視機的曲線合并在一起就形成了一個伽馬的形狀，故而稱之為伽馬曲線。（圖44、45）

經過伽馬校正，還原了景物亮度的線性關系，最終輸出的畫面效果與我們眼睛看到的接近一致，從而真實地還原景物的明暗層次。（圖46）

細心的讀者可能已經注意到了前面關于數字攝影機和攝像機的提法，一字之差卻劃分了技術發展的兩個時代：標清時代和高清（包括超高清）時代。

第一階段：標清時代的DCC控制

標清電視時代，DCC（Dynamic Contrast Control）動態對比度控制是控制曝光的核心技術。當時大部分廣播級攝像機都采用電荷耦合單元CCD作為感光單元，作為一種光電轉換的器件，CCD的動態范圍遠遠超過了攝像機電路系統的動態范圍17。高端的數字標清攝像機的電路系統的動態范圍能達到約6級光圈，換算成景物亮度比是1：60。而2/3英寸CCD的動態范圍是電路系統的6倍18，即600%，為了把CCD的性能最大化，借助于伽馬曲線，廠商研發出了動態對比度控制的算法。

動態對比度控制的實質是拐點（Knee Point）控制，圖47是拐點控制原理示意圖。當入射光線的強度接近動態范圍的上限時，攝像機輸出信號的大小將不再以原來的伽馬值隨入射光線的強度成比例變化，而是斜率突然變小，這樣在輸出信號電平達到最大值前，將能記錄更強的光線，從而明顯地拓寬了攝像機的感光動態范圍。當然在拐點后伽馬值發生了改變，除了通過菜單手動的設置拐點的具體位置和拐點以后的曲線斜率，后期的標清廣播級攝像機還提供自動拐點控制曲線。像圖48索尼DSR-600PL/650WSPL、DVCAM攝像機通過分析某個場景的高光區域，系統自動地設置多個不同的拐點和斜率，以防止光比過大的場景中（如一束強烈的陽光照射進昏暗的室內）出現高亮部分曝光過度的現象，從而實現了具有一定智能特點的“自適應高光控制”功能。

這種智能化防過曝自動拐點控制功能即所謂的動態對比度控制DCC。DCC功能特別適合于拍攝強光環境下處于陰影中或室內背靠窗戶的人物及其他光比很大的景物，通過抑制高光強度，可防止圖像的高光區域出現“死白”現象，并能使強光照區域具有一定的影調層次和圖像細節。

在DCC的幫助下，攝像機的動態范圍增加到了8檔光圈。這個范圍雖然非常接近印片用膠片的寬容度，但并沒有給電視畫面帶來所謂的“膠片感”。對比拐點控制曲線和膠片的特性曲線不難發現，拐點只是針對圖像高光部分的壓縮，并不會增加暗部和中間調的層次。而且過度的拐點控制會導致高光部分發悶，缺少必要的對比。標清時代的攝像機依然呈現出圖像層次少，局部反差過大的缺陷。

這種智能化防過曝自動拐點控制功能即所謂的動態對比度控制DCC。DCC功能特別適合于拍攝強光環境下處于陰影中或室內背靠窗戶的人物及其他光比很大的景物，通過抑制高光強度，可防止圖像的高光區域出現“死白”現象，并能使強光照區域具有一定的影調層次和圖像細節。

在DCC的幫助下，攝像機的動態范圍增加到了8檔光圈。這個范圍雖然非常接近印片用膠片的寬容度，但并沒有給電視畫面帶來所謂的“膠片感”。對比拐點控制曲線和膠片的特性曲線不難發現，拐點只是針對圖像高光部分的壓縮，并不會增加暗部和中間調的層次。而且過度的拐點控制會導致高光部分發悶，缺少必要的對比。標清時代的攝像機依然呈現出圖像層次少，局部反差過大的缺陷。

標清時代的曝光控制和膠片的曝光控制存在巨大差異，電視攝像師基本不用曝光表。由于靈敏度差異，即使同一廠商的不同機型在拍攝同一場景時曝光參數也都不相同。曝光控制基本靠攝像師的個人經驗直接通過取景器監看圖像進行判斷（時常借助斑馬紋）。電視劇或者大型節目的錄制時，技術工程師會通過專業的示波器測量亮度指標。

第二階段：數字攝影機的電影伽馬曲線

技術發展到本世紀初，廣播級數字攝像機的字眼逐漸被高清攝像機、數字攝影機取代。高清時代，廠商的目標直奔“膠片感”而來，其擴張、吞并膠片的野心“路人皆知”。事實證明，他們成功了。在這場“數字革命”中，索尼HDW-F900R高清攝像機功不可沒，許多大電影用它拍攝，像喬治·盧卡斯的《星球大戰前傳2》和雅克·貝漢的《海洋》等，它的貢獻在于其創造了一類更加接近膠片特性曲線的伽馬曲線。

圖50是官方公布的HDW-F900R的伽馬曲線，曲線上任一點的切線斜率，即伽馬值，不再是定數，而是隨光照強度的變化而變化。通過調整伽馬曲線的形狀，攝像機可以產生高反差硬調畫面、低反差軟調畫面，以及模仿膠片感光特性的電影風格畫面等。索尼HDW-F900R高清攝像機的四條預置伽馬曲線，每條曲線對應一種伽馬模式，即對應一種畫面風格。Gamma1和Gamma3的初始部分比較陡峭（伽馬值大），意味著人為地提高了感光靈敏度，所以在低照度場景下拍攝，有利于黑暗區域得到更好的細節再現和色彩還原。而Gamma2和Gamma4適合從低亮度到高對比度的拍攝環境。

2010年，作為阿萊公司進入數字攝影領域之后的重要產品，ARRI Alexa的出現徹底改寫了膠片影壇霸主的格局。它是一款35mm膠片風格的數字攝影機，所謂膠片風格關鍵在于Log-C。Log-C里面的字母“C”代表的是“Cineon”。“Cineon”是上世紀九十年代柯達公司開發的膠片數碼掃描、處理和記錄系統，同時也是一種文件格式的名稱，包含了掃描負片的密度數據。密度是膠片感光特性的對數測量標準，密度與以對數單位測量的膠片曝光度的關系被稱為膠片的特性曲線。每一種膠片都有它自己的特性曲線，但整體看來曲線變化的規律是一致的。對于Alexa和D-21而言，阿萊推出的Log編碼方式與掃描負片的密度數據相似，因此它被稱為“Log-C”。在現在的電視系統中直接監看，在未經任何處理時Log-C是灰的，畫面非常平，但是卻為后期提供了極大的靈活性20。（圖51）

2012，柯達破產，數字電影攝影機一統天下已成定局。廠商全部跟進Log格式，佳能的C系列用C-Log，Sony F系列用S-Log，BMD系列用Film，雖有差異，但思路相同。

用電影對數伽馬取代電視伽馬的最大好處是影調細節能和膠片相媲美，甚至超越膠片。圖52中的電影伽馬的特點是暗部斜率最大，對應輸出電平范圍也最大，記錄景物的層次細節也最豐富。針對這一部分，電路系統分配的記錄比特數也最多，達到了14比特和12比特。結合人眼視覺的對數特性，以及人眼對暗部細節最敏感，這種數據分配更合理。

對數伽馬極大擴展了數字設備的動態范圍，但同時也使的曝光控制變得非常復雜。膠片時代只要掌握了特定膠片型號的特性曲線，通過洗印試片攝影師就能非常自信的調整曝光。因為特性曲線的特性都是相似的，層次最豐富的直線部分是成比例變化的，百余年來從拍攝到沖印形成了一整套可控的體系，結果是可預測的。而數字攝影機的感光特性曲線還是一個新生事物，遠沒有形成成熟的工業流程規范。由于Log自身的特點，再加上沒有配套的監看和技術指標測量設備，曝光控制既不能沿用標清時代的做法，也不能照搬膠片的上三下四。

從圖53彩色負片與對數伽馬感光特性的曲線對比來看，本文開篇介紹的膠片的技術規范顯然不適用于Log模式，以18%的灰板作為曝光的基點勢必會導致中間調和暗部曝光不足。那么如何才能進行精確的曝光控制？要科學的回答這個問題，必須清楚膠片和數字攝影機的區別。（未完待續）

16.“伽馬是灰度特性，在電子成像技術中就是光電轉換特性。顯像管的光電轉換特性并不是直線而是非線性的指數特性，也就是反對數特性，而成像器件的光電轉換特性是直線性的。為了補償顯像管的非線性指數特性，必須在攝像機內對輸出信號進行與指數特性相反的對數變換，才能在顯像管上顯示出正常對比度和彩色的圖像，這就是電視伽馬。因此，電視伽馬的初始來源是顯像管的反對數（指數）原生特性。”——索尼中國專業系統集團技術總監 王亞明

17. 動態范圍：類似于膠片的寬容度，是指攝像機能夠正常成像時所對應的入射光線最大照度和最小照度的比值。低于最小照度，畫面呈現全黑，高于最大照度，畫面呈現全白。

18. 當前的超35毫米CMOS已經達到了800%。

19. 通常攝像機都會保留一定的動態范圍余量，比如標稱動態范圍上限為100%，那么最大可以達到110% ，超過110 % 的部分，攝像機將通過白電平切割的方式使畫面的高亮部分呈現為全白狀態。

20. 靈活性的代價是工業流程變得比以前復雜了。用Log模式拍攝的素材，如果用普通的監視器上監看，無法判斷畫面的曝光和反差。