數字電影攝影中基于畫面的曝光分析方法研究

朱云峰 吳方強 穆德遠 雷載興

（北京電影學院攝影系，北京100088）

1 研究背景

圖1 數字電影曝光設計圖

當前，電影拍攝領域已經完成膠片攝影機到數字電影攝影機的轉型。數字攝影機在感光及曝光控制方面與膠片攝影機有區別也有聯系，但傳統攝影師積累的大量曝光控制的經驗并未被數字攝影機廠商沿襲并加以參照。

如圖1 所示，傳統膠片攝影中，拍攝畫面前，攝影師會對場景的曝光進行設計，事后標記在畫面中。雖然數字攝影機為攝影師提供了更為直觀的畫面顯示及質量評判依據，但是由于電影攝影對于畫面曝光等技術參數有著非常嚴格精確的要求，僅僅對于畫面的主觀判斷手段還是有局限性的，且該主觀經驗在不同電影攝影機上不能統一。

目前電影攝影師控制畫面曝光及光線的方式主要有三種方式，一種是直接查看監視器主觀畫面，一種是采用測光表進行布光控制，另外是基于示波器的波形分析。但手段的增多并沒有降低曝光控制的難度，而是增加了很多不確定知識，例如監視器直觀易用，但標準的執行不統一且缺少輔助定量分析。測光表客觀，也能進行定量分析，但缺少和主觀畫面的對應，示波器有客觀數據和主觀畫面，但執行的標準與不同的攝影機廠商不同，不同的畫面色彩模式下，曝光數據很難統一。上述問題的主要原因是，畫面數字化后有了更多直觀的曝光控制方式，但基于數字的方式又和每一個攝影機的每一個色域及伽馬曲線設計相關，而不同的攝影機廠商又使用不同的曲線設計，這使得測光表與數字畫面的對應沒有統一的標準，攝影師需要自己建立測光表與數字指標及直觀畫面的對照經驗，如何采用直觀簡潔的方式建立一個統一的曝光參數對照就顯得非常重要。這將對數字攝影技術條件下傳承膠片曝光技術及創作經驗起到積極的促進作用。

目前該方面的學術研究資料較少，但關于這方面的應用探討是行業熱點。一方面是因為行業特點決定，行業有其特殊技術需求，研究需要跨學科、跨領域的知識背景，目前影視攝影中能夠提供核心技術的公司和研究機構基本都是國外公司，且設備成本極其昂貴，國內公司介入門檻較高。另外，行業以應用為主要目標，因此，從事科學研究的較少，目前可參考的資料主要來自廠商資料及實驗驗證。

2 曝光分析系統功能設計方案

本文所研究的曝光分析系統，其設計的目的是在數字電影拍攝階段，通過實時采集攝影機畫面并進行定量分析，為影視攝影師提供精確的曝光及畫面色彩方面數據參考。該研究將目前的基于數字的曝光控制方式與傳統的基于膠片的曝光方式進行理論上的統一，在理論指導下開發了數字電影攝影機畫面曝光及色彩分析系統，對目前主流的數字電影攝影機的不同色彩模式下的輸出畫面進行分析，提供統一的曝光控制定量參考數據。該系統的設計沿襲了影視攝影師從膠片階段建立的工作習慣和分析讀解畫面的技術體系，為攝影師進行數字電影前期拍攝提供便利。

圖2 系統整體工作流程

圖3 曝光分析示意圖 （相對光比、18%參考曝光、假色模式）

圖2為該系統所設計的整體工作流程，其中，畫面曝光分析主要包括3部分內容：一是加載用戶指定的攝影機元數據參數組，包括攝影機類型、當前拍攝所設定的感光度、伽馬、色域、信號范圍（legal或data range等重要參數組）；二是將畫面RGB數據進行伽馬線性化轉化；三是基于參考點（如18%灰）計算畫面中指定位置的相對曝光值（以檔為單位）。曝光分析中，除了以18%灰作為曝光參考點的相對曝光分析，還有畫面中一對位置的光比分析，針對不同色彩模式的假色分析等多種畫面曝光分析方式，如圖3所示。

3 基于畫面的曝光分析核心方法

圖4為典型的LogC 曲線圖，當橫坐標以曝光檔位來度量時，數字視頻信號值或數字文件記錄的數值與曝光亮度的對數之間的對應關系呈現為線性關系，這條線在10檔左右的范圍內呈現線性 （注意和數字上光電的線性轉化的線性不是同一概念）。另外可以看到曲線左下方存在趾部 （左下方很短的非線性區域），趾部出現的原因是數字感光芯片無法在暗部做到和亮部區域一致的均勻量化。這條曲線整體上與膠片的感光曲線相似。另外這條曲線也不是從強度值0開始，這是為了與膠片轉數字的處理兼容，因為膠片轉數字后純的黑會被編碼在數值95處（10bit時），百分比約為9%。

圖4 LogC曲線示意圖

除了上述對數曲線的特點外，LogC 曲線所對應畫面的色域定義為廣色域 （wide gamut），它的線性部分有9―10檔，線性部分的斜率即伽馬變化范圍為 （0.49―0.54，根據曝光指數不同而變化）。

圖5 數字攝影機LogC曲線圖

圖5顯示了不同曝光指數下的LogC 曲線，該圖的橫坐標是光電轉換后的線性信號，而縱坐標為LogC信號的數值。圖4與圖5的常見Log曲線差別主要是橫坐標度量單位，圖4中，橫坐標以曝光檔位為單位，而圖5中橫坐標為數字感光元器件完成光電轉后的線性信號值。不同感光度下，LogC曲線將18%的灰映射到logC 的數值400處 （10bit情況下），也就是39.1%。

LogC曲線設計公式如下，公式 （1）：

其中x為數字感光器件光電轉換后，電信號經過A/D 轉換后的線性信號數值；參數有a，b，c，d，e，f，cut，分別與不同感光指數有關，不同感光度下的參數值可在阿萊官方網站查閱。有了LogC曲線的設計函數，我們可以反向得到LogC 曲線轉換為線性曲線的公式，公式 （2）：

公式中f為LogC信號數值或LogC視頻文件的數值。通過實時采集攝影機的LogC 信號輸出或打開已記錄的LogC mov文件可以得到LogC 的數值f，由于彩色畫面有RGB 三個通道，因此f此處代表任何一個通道的強度數值。LogC 信號轉化為線性信號后，該線性數值還是屬于廣色域 （wide gamut）下，因此還需要將其轉換至CIE XYZ標準色域下，進而通過單獨的亮度信號Y 進行曝光分析。其具體計算操作如下：首先通過 WIDE GAMUT 轉CIE XYZ的3×3轉換矩陣將廣色域的下線性RGB數值進行轉換，得到XYZ標準化數值，進而使用Y通道分析曝光。

在線性XYZ情況下，通過計算手動點選的畫面中的任意一點與18%灰參照數值 （也就是與LogC RGB數值為400的參考值）進行比較，即可計算出相對于18%的曝光值，該計算公式為：

基于公式 （3）就可以得到畫面中任一點相對18%灰的相對曝光，把公式中18%灰這個固定參考基準換成畫面中任意一點時，同樣方法可以得到任意一對位置的光比關系。

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4 LogC與Rec.709模式的關系

圖6 LogC畫面加載LogC To Rec.709 3D LUT 前后比較畫面

如圖6所示，一般電影攝影機除了輸出Log信號外，還會針對高清電視標準輸出Rec.709 信號。對數信號屬于基于場景的信號，Rec.709屬于基于顯示目的的信號。基于場景的對數信號和基于顯示的信號之間在曲線上要完成S型曲線轉化，另外在色域上要完成從大色域到小色域的色域映射，在這一處理上不同廠商均遵循這一理論原則，但實現方式并無統一標準。以艾麗莎的LogC信號為例 （圖7中3號曲線）：

圖7 LogC曲線、LogC轉Rec.709及逆向轉換曲線

圖7中2號曲線為LogC 轉Rec.709信號的S型曲線，但計算機實現階段，不是通過曲線進行計算，而是采用色彩查找表 （3D LUT，3D Lookup Table）進行快速查找計算，3D LUT 需要根據不同的感光指數選擇不同的LUT 文件，3D LUT 轉換前后的信號范圍可選extend 范圍 （full range）或limited范圍 （video range），這需要和輸入信號類型相匹配。反過來，2號曲線沿y=x的45度直線進行對稱翻轉，可以得到Rec.709到LogC 的轉換曲線 （圖7中1號曲線）。通過計算可知，LogC 畫面中，正確曝光對應的灰板亮度所在位置在39.1%，但當采集的信號為Rec.709信號時，正確曝光對應的灰板亮度所對應位置在40%。

5 基于畫面的曝光計算實現步驟

基于上述理論分析，本系統設計實現步驟如下：

步驟一：通過視頻采集設備獲取攝影機實時輸出信號，該信號采用YCbCr 10bit編碼傳輸，系統得到YCbCr信號后，通過計算公式將信號轉換為10bit RGB信號。計算公式如下：

步驟二：加載攝影機當前拍攝所使用的畫面技術指標，包括感光度、伽馬、色域、色溫、信號范圍參數。

步驟三：用戶采用2種模式來分析獲取曝光數據，一種模式稱為18%灰參考模式，一種為光比模式。第一種模式下，曝光值顯示為相對于18%灰的相對值。第二種模式將計算中畫面中任意2點的亮度比。無論采用哪種模式，2個點之間的相對曝光計算方式都是一樣的。

在計算之前，首先要判斷目前畫面為Log模式還是Rec.709模式，如果是Log模式，則采用公式（2）的方法計算對數到線性的轉換，如果是709模式，則采用Rec.709到LogC 的逆向轉換內部完成到LogC的數據的轉換，進而完成對數到線性的轉換。當畫面數據轉化至線性數據后，通過與畫面色域模式相對應的色域轉化矩陣將畫面轉換至CIE XYZ國際標準色彩空間，在該空間下，采用公式（3）來計算2 個點的相對曝光值。需要注意的是，在相對曝光模式情況下，公式 （3）中Y 和Y就會變成用戶任意選擇的2個點的Y0和Y1值。

步驟四：將相對曝光值顯示在畫面相應位置，同時在示波器畫面上顯示用戶選擇的點。當模式為18%參考模式下，示波器畫面還將顯示18%的參考線。最終顯示結果如圖8所示。

圖8 以18%灰為基準的曝光分析結果

6 系統設計總結與展望

本文所述內容是以一款典型電影攝影機的對數模式，也就是艾麗莎LogC 模式進行實際分析計算解釋，但LogC是對數模式在某一款攝影機上的具體實現，只是一個廠商標準的對數模式。實際應用中，不同的電影攝影機廠商都設計了自己的對數模式，但設計思路均在理論上具有相似性，只是針對不同感光芯片的特點，具體的參數不同。本系統需要根據不同的攝影機類型分別進行不同的對數至線性模式的轉換。目前主流電影攝影機廠商對數模式有如下幾種：德國艾麗莎的LogC 模式、美國RED攝影機的Red LogFilm 和Red Log3G10 模式，日本索尼的SLog3 模式，本系統能夠支持上述對數模式，也將在下一步中支持更多對數模式的攝影機信號接入 （如松下的VLog模式、佳能的CLog模式、大疆D-Log模式等）。