數(shù)字色彩管理與膠片電影的演變關(guān)系

戰(zhàn)冰

現(xiàn)階段，膠片介質(zhì)只用于拍攝和放映，而整個(gè)后期制作部分都已數(shù)字化，兩種介質(zhì)的互相轉(zhuǎn)換帶來了很多的問題，行業(yè)一直致力于解決這些問題，以確保導(dǎo)演的畫面能正確放映到大屏幕上。 行業(yè)努力的目標(biāo)很簡單：控制住數(shù)據(jù)大小和處理時(shí)間，避免圖像色彩偏移或質(zhì)量下降，同時(shí)推動電影制作技術(shù)的發(fā)展，從而制作出更多有吸引力、能感染觀眾的畫面。色彩管理是一個(gè)很大的話題，8比特文件到場景線性相關(guān)浮點(diǎn)文件（scene linear referred floating point file）的轉(zhuǎn)換。 摩爾定律提及的計(jì)算能力的提升與存儲介質(zhì)價(jià)格的下降帶來了行業(yè)發(fā)展的契機(jī)。 曾經(jīng)10比特文件看起來很大，需要存成32位（RGB x 10比特 + 2個(gè)占位比特）文件，它的存儲空間比存成24位（RGB x 8比特）的8比特文件增加了40%，但在消耗的計(jì)算時(shí)間方面，電影制作流程相比數(shù)字視頻制作流程更為夸張，位深越大，計(jì)算時(shí)間越長。不過在今天看來即使是64位文件都很合理，它能攜帶多個(gè)通道、遮罩和烘焙圖在制作流程中流竄，大家已經(jīng)對16比特半浮點(diǎn)的OpenEXR文件習(xí)以為常。

但DPX或OpenEXR文件只是容器載體。 色彩空間，伽瑪和相關(guān)的數(shù)學(xué)方法才是我們解釋世界的方式，它們也一直在發(fā)展演變。 Digital Domain曾組織過一批一線導(dǎo)演進(jìn)行內(nèi)部放映，看他們能否分辨出8比特電影流程（早期計(jì)算機(jī)性能差，還只能用8比特TIFF文件存儲膠片掃描數(shù)據(jù)）中的鏡頭和全10比特對數(shù)電影流程（等價(jià)12比特線性流程）中的鏡頭。然而當(dāng)一組相同的鏡頭放映出來時(shí)，只有一位導(dǎo)演分辨出不同，可見10比特并沒有比8比特提高多少畫質(zhì)。 既然如此，為什么這個(gè)行業(yè)還要自找麻煩，不斷地追求更大、更復(fù)雜的文件格式呢！因?yàn)槲覀冃枰@些新的文件能滿足新的需求。的確，來自膠片掃描數(shù)據(jù)的8比特文件與膠片原片對比確實(shí)看不出特別明顯的差別，但那個(gè)時(shí)代也不需要我們在這些序列上做太多的特效處理。

在九十年代早期，Discreet公司率先發(fā)布了Flame軟件，它是數(shù)字電影合成的先驅(qū)，也是那個(gè)時(shí)代在后期制作環(huán)節(jié)更精細(xì)分工的一個(gè)體現(xiàn)，那個(gè)時(shí)期許多電影流程都用LUTs把10比特Cineon膠片掃描文件轉(zhuǎn)換成8比特的“線性”文件。LUTs是不可逆的（文章此處說的不可逆指的是10比特到8比特的過程數(shù)據(jù)有損失，其實(shí)LUTs的轉(zhuǎn)換是可逆的），它會從膠片更大的色彩范圍中采樣出恰好8比特，并從Cineon印片機(jī)密度（Cineon Printer Density，簡單來講就是DPX文件的分辨率和色域。在這里密度不僅體現(xiàn)在掃描分辨率上，還體現(xiàn)在色域解析能力上，詳細(xì)請參考論文：Grayscale Transformations of Cineon Digital Film Datafor Display， Conversion， and Film Recording）的色彩空間轉(zhuǎn)換到數(shù)字視頻的色彩空間，以便制作電影特效。

早期膠片和數(shù)字格式之間的隔閡比現(xiàn)在大的多。數(shù)字格式為了在電視或者電腦上播放，都有g(shù)amma校正的過程，但因?yàn)椤熬€性”這個(gè)詞看起來和Cineon文件的“l(fā)og”編碼方式（柯達(dá)通過這種編碼方式把12位數(shù)據(jù)壓縮進(jìn)更小的10位的Cineon文件）相對應(yīng)，所以數(shù)字格式的色彩又被很多人稱為線性色彩。行業(yè)里有不少爭論就是從這種術(shù)語和概念的混淆開始的，比如文件格式、比特深度、gamma、膠片與數(shù)字視頻、真正的線性與gamma校正等，這些爭論持續(xù)至今。

實(shí)際上，過去許多高質(zhì)量數(shù)字視頻都采用膠片拍攝，并且通過電視電影機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換過來。這些電視電影機(jī)早期有Cintel膠片記錄儀，后期有Spirit DataCine膠轉(zhuǎn)磁設(shè)備。但要談電視電影機(jī)的歷史還得回到John Logie Baird和電視廣播的誕生。

與Arriscan這樣的膠片掃描設(shè)備不同，電視電影機(jī)主要用來把膠片轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻格式。而Arriscan膠片掃描設(shè)備則是為保護(hù)肉眼可見的膠片密度和復(fù)雜度而開發(fā)的，簡而言之就是為了保真而開發(fā)的，最終掃描出的數(shù)據(jù)（Cineon文件）還要通過Arrilaser數(shù)字膠片記錄設(shè)備記錄回新的膠片拷貝。

在有計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的時(shí)候，膠片格式恰好就出現(xiàn)了，Cineon的生命從這里開始。Cineon被設(shè)計(jì)成一個(gè)全流程的數(shù)字膠片計(jì)算處理系統(tǒng)，它包括膠片掃描硬件和膠片記錄硬件。Kodak也正是為了數(shù)字中間片的制作而設(shè)計(jì)Cineon的。它包括掃描設(shè)備，磁帶機(jī)，帶數(shù)字合成軟件的工作站，和膠片記錄設(shè)備。這個(gè)系統(tǒng)于1993年首次發(fā)布，1997年結(jié)束使用。

柯達(dá)的工程團(tuán)隊(duì)宣稱全尺寸的膠片能用數(shù)字的方式錄制并存儲到一種10比特的log文件格式中，作為這個(gè)系統(tǒng)的一部分，這種文件格式與整個(gè)處理系統(tǒng)同名，也被稱為Cineon（后綴為.cin）。重點(diǎn)是，這是一種中間格式，它被設(shè)計(jì)作為膠片之間的橋梁，它不是為CGI設(shè)計(jì)的，也不是最終的數(shù)字交付格式。它用來表示印片密度（printing density），即印片環(huán)節(jié)對膠片的分辨密度。Cineon文件作為膠片工序的一部分，它能確保無論從負(fù)片上掃描出什么數(shù)值，之后都能通過膠片記錄設(shè)備轉(zhuǎn)回膠片。它是為了保留原始負(fù)片的性質(zhì)諸如色彩分量串?dāng)_、伽馬而設(shè)計(jì)的，理解這一點(diǎn)非常重要。

與數(shù)字傳感器不同，色光要到達(dá)記錄其特定顏色的感光層，需要先穿過膠片中的其他感光層。藍(lán)色光會被膠片的藍(lán)色感光層所記錄，但在此之前它需要穿透其他的感光層，包括綠色和紅色感光層。這就涉及到膠片的一些關(guān)鍵特性。比如串?dāng)_或者RGB三色的互混特性，這種特性比在CMOS傳感器上要嚴(yán)重的多，CMOS有互相獨(dú)立的藍(lán)綠紅感光元件，而膠片某層的感光效果卻會受其他層影響。當(dāng)然CMOS也有自己的問題，之后會解釋。

從膠片到數(shù)字格式的轉(zhuǎn)換通常會涉及黑點(diǎn)（black point）、白點(diǎn)（white point）的概念。舉個(gè)例子，純白色（白點(diǎn)）在數(shù)字格式中相當(dāng)于所有通道完全曝光，用8比特表示就是[256，256，256]，但在膠片上看則更接近白色啞光紙的那種白色。膠片所記錄的真實(shí)亮度往往更高，比如汽車的閃光。如果這個(gè)超大的白光數(shù)值在轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式時(shí)被當(dāng)作純白色處理，膠片的寬容度就會導(dǎo)致為了把這些特別亮的白光涵蓋進(jìn)來，所有實(shí)際上正常的曝光都會被壓的很暗，最終圖像也會顯得很暗。這也反映了一個(gè)現(xiàn)象，雖然客觀上光線是均勻的，但事實(shí)上作為人類我們是使用非線的方式來理解真實(shí)的線性自然光的。舉個(gè)例子，如果給你看一個(gè)從黑到白的漸變圖，大部分非專業(yè)人士都會選擇18%灰度作為中灰色。

膠片到數(shù)字格式文件的常見轉(zhuǎn)換點(diǎn)是0-1023范圍里的95和685。大于685的像素值就會視作比白點(diǎn)亮，比如鍍鉻上的亮斑或明亮的高光;低于95的像素值則表示為負(fù)值的黑色，實(shí)際上這些像素?cái)?shù)值能下降到20或30。如你所見，在今天Cineon格式依然還在廣泛使用，Cineon在電影特效和制作的發(fā)展中取得了巨大成功并具有極其重要的意義。但Cineon作為文件格式還是會有一些限制，于是在90年代DPX文件格式被開發(fā)出來。它可以被視作是Cineon文件的容器載體，在DPX文件里經(jīng)常能看到Cineon數(shù)據(jù)的身影。DPX或稱為數(shù)字圖像交換格式（Digital Picture Exchange），遵循ANSI/SMPTE 標(biāo)準(zhǔn) （268M-2003），是現(xiàn)今后期制作和視效工作中最為普遍的文件格式。

最初的DPX文件格式隨著時(shí)間推移得到了改進(jìn)，最新的2.0版本在2011年前后由SMPTE以ANSI/SMPTE 268M-2003標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。由于文件格式的核心通常都是原汁原味的Cineon文件風(fēng)格，DPX太過于表現(xiàn)被掃描的負(fù)片中每個(gè)顏色通道的密度了，同時(shí)這種由膠片掃描設(shè)備掃描得到的，采用無壓縮“對數(shù)”編碼的圖像也保留了原始膠片的gamma信息。DPX文件通常用來調(diào)光，但最新的DPX格式也允許攜帶一定數(shù)量的元數(shù)據(jù)（metadata）在相同的文件中傳遞。

色彩管理和色彩工作流已經(jīng)發(fā)展了多年。從Cineon開始，到場景相關(guān)（Scene Referred）的線性O(shè)penEXR格式。Cineon支撐了這個(gè)行業(yè)18年，為了能在視效流程中完美匹配實(shí)拍和CGI，我們需要知道我們工作軟硬件所處的色彩空間。 若你不能復(fù)現(xiàn)電影圖像的色彩空間，那你就很難生成色調(diào)一致的CGI圖像并與電影圖像無縫合成。如果不知道實(shí)拍鏡頭在色彩空間的表示方法和位置，你就無法在計(jì)算機(jī)中生成與實(shí)拍鏡頭一樣的畫面，你也不可能合成CGI鏡頭和實(shí)拍鏡頭。