淺析數字影像處理過程中的色彩溢出現象

(北京電影學院中國電影高新技術研究院，北京 100089)

1 引言

色彩溢出現象一直困擾著數字影像制作，降低畫面質量和影片制作水準。畫面中存在色彩溢出的區域，會出現色彩失真和細節損失。畫面的色彩溢出現象發生在數字影像處理的不同階段，色彩信息超出數字影像記錄范圍是造成畫面色彩溢出的成因。

圖1 拍攝過程中出現的色彩溢出現象①

影視制作中，色彩溢出發生在前期拍攝和后期制作兩個階段。本篇文章首先分析前期拍攝和后期制作過程中，數字影像出現色彩溢出的具體成因，然后總結現有解決辦法，最后梳理針對存在色彩溢出畫面的修復方法。在文章結尾，我們對數字影像處理過程中的色彩溢出現象做出總結，并對該現象的未來解決方法做出展望。

圖2 色彩空間轉換造成的色彩溢出現象②

2 前期拍攝階段的色彩溢出及解決方案

前期拍攝中，當景物色彩信息超出攝影機感光元器件記錄范圍時，超出攝影機記錄范圍的色彩信息會被裁切，最終在畫面中形成色彩溢出。合理設置攝影機曝光參數，是解決前期拍攝色彩溢出的主要手段之一。

如圖3(a)所示，由于整體畫面曝光設置問題，畫面中天空的亮度信息超出了攝影機的記錄范圍，導致畫面中天空藍色通道的色彩溢出，通過減小曝光量，圖3(b)修正天空的色彩溢出，正確還原天空的顏色。針對這種由于曝光不正確造成的畫面色彩溢出現象，我們需要在前期拍攝中，保證畫面曝光正常，確保畫面中不存在過曝的區域。為了保證攝影機的正確曝光，我們首先需要掌握攝影機所能記錄的動態范圍和色域范圍，結合測光表直方圖等輔助技術手段，在特殊情況下，使用ND 鏡減小攝影機進光量，最后使用RAW 格式進行錄制，最大程度記錄景物的色彩信息。

圖3

隨著數字攝影機記錄的動態范圍和色域范圍不斷提高，畫面整體曝光過量造成的色彩溢出得到有效避免。然而在使用攝影機拍攝直接射入鏡頭的光源時，特別是拍攝LED 光源造成的色彩溢出現象，依然存在。

發光二極管(Light Emitting Diode，LED)，是一種能夠將電能轉化為可見光的半導體器件。LED 有著節能、穩定、亮度高等優點，可以作為裝飾燈使用。彩色LED發光是依靠LED 內部電子碰撞產生的紫外光激發二極管中的填充化合物完成的，根據填充化合物的成分不同，LED 可以發出不同顏色的光，由于填充合成物不足或純度不夠，導致LED 內部無法完全吸收紫外光線，最終致使紫外光線泄露，這種現象被稱作LED燈具的“藍光溢出”。在拍攝光線直射入鏡頭的LED光源時，由于LED 光源亮度信息超出攝影機記錄范圍，且存在紫外線溢出現象，使得攝影機無法完全記錄LED 光源的色彩信息，造成畫面中直射光源的區域多會出現藍色通道的色彩溢出(圖4)。

圖4 LED指示燈藍色通道色彩溢出④

針對拍攝直射光源尤其是LED 光源可能出現的色彩溢出的問題，Sony 公司推出了Adaptive Matrix(自適應矩陣)功能。數字影像畫面色彩由紅綠藍三通道組合而成，通過矩陣控制三個通道可以設置攝影機的白平衡，起到更改畫面整體顏色的作用。Sony公司推出的自適應矩陣，可以根據預設的顯示標準，識別畫面中超出預設色域的區域，降低目標區域的亮度及色彩飽和度，從而達到修復畫面色彩溢出、還原畫面細節的目的。如圖5所示，拍攝時，水立方外墻的光線直射入鏡頭，造成畫面的藍色通道色彩溢出，水立方外墻細節丟失，使用自適應矩陣后，攝影機降低畫面中存在色彩溢出區域的飽和度，還原了水立方外墻的細節。

圖5

3 后期制作階段的色彩溢出及解決方案

進入后期制作后，我們需要對源素材的色彩進行處理。當我們將源素材從一個較大色域范圍轉換到較小色域范圍時，超出色域范圍的色彩信息，會被裁切，導致畫面中出現色彩溢出，圖2是將原始素材從ARRI Wide Gamut轉換到ACEScct/AP1 的過程中發生的色彩溢出現象。

色域轉換是色彩空間轉換的一部分，在完成色域轉換后，最大程度地保留轉換前畫面的色彩細節，是色域轉換的需求之一。色域轉換的方法有很多，根據色域轉換的意圖，主要可以分為：基于關聯性的色域轉換方式(Relative Rendering)和基于感知的色域轉換方式(Perceptual Rendering)。基于關聯性的色域轉換方式，通過建立不同色域之間相同色彩信息的精準對應關系，對目標色域之外的色彩信息做裁切處理，前文中色彩空間轉換過程中色彩溢出的現象(圖2)就是使用基于關聯性的色域轉換方式的結果。基于感知的色域轉換方式，嘗試保留目標色域范圍之外的色彩信息，構建冗余色彩信息與目標色域的對應關系，保留原始色域的色彩信息，在目標色域對原始色域進行重建，缺點是會導致色域內部色相及飽和度的變化，圖6是使用不同色域轉換方法的轉換結果對比。

圖6

目前，主流調色軟件不斷推出新的功能輔助色彩空間轉換，也給修正色彩空間轉換帶來的色彩溢出提供了更多解決方案。以Black Magic 公司的Davinci Resolve 調色軟件為例，可以自主選擇色域轉換方式，圖7是使用Color Space Transform 功能進行色域轉換的效果對比。原始素材使用Sony SLog3 色彩空間錄制，經過色彩空間轉換后，轉換到Rec.709色彩空間。我們可以觀察到，與圖7(b)相比，使用飽和度壓縮進行色域轉換的圖7(a)，高光部分過渡自然，畫面細節得到了保留，色彩溢出現象得到了顯著改善。針對不同的制作需求，我們在后期制作中，可以靈活選擇更適合的色域轉換方式。

圖7

圖8 Gamut compress 前后對比圖⑦

針對色域轉換造成的色彩溢出問題，主流調色軟件還提供了壓縮源素材色域的方法，通過壓縮超出目標色域邊界的色彩信息，從而達到修正色彩溢出、還原畫面細節的目的。Filmlight 公司的專業調色軟件Baselight 在5.0版本中，推出了色域壓縮(Compress Gamut)的功能，可以壓縮指定色彩的色域范圍，如圖8所示，通過壓縮藍色的色域范圍，消除了女演員手中絲巾的藍色溢出，與此同時，畫面中其他顏色的色相也得到了保護，減小了由于色域轉換造成的畫面色相偏移。

在調色環節，我們會對數字影像的對比度、色相、飽和度、亮度、色溫等色彩參數進行調整。數字影像的顏色由紅綠藍三通道的混合得到，在對數字影像進行調色時，當紅綠藍通道的數值超出原有記錄范圍時，就會在畫面中出現色彩溢出或過曝的現象(圖10)。

圖9

預防后期調色過程中的色彩溢出，需要借助示波器控制畫面的飽和度，Davinci Resolve 17推出了CIE色度圖監看功能，可以直觀觀測到畫面中的色彩信息，是否超出工程色彩空間的色域邊界。此外，主流調色軟件也在不斷推出新的調色工具，方便創作者更好地控制畫面中色彩的飽和度。Davinci Resolve 17 推出了色彩扭曲(Color Warper)功能，相較于傳統的曲線工具，操作更加便捷，可以更加直觀地調整畫面中的色相和飽和度。

4 色彩溢出修復

針對已經形成色彩溢出的畫面，現有研究提出了重建和修復兩種解決思路。

圖10

重建法首先分析畫面中存在色彩溢出的區域，再根據這些區域的飽和度進行劃分，將畫面中存在色彩溢出的區域劃分為不同的區塊，之后通過差值算法，根據每一區塊周圍的像素點顏色，校正區塊內像素顏色，最后使用平滑算法，對不同區塊的亮度、色相、飽和度做差值預算，復原畫面細節的平滑過渡，完成顏色溢出的修復(圖10)。

修復法通過分析畫面中存在色彩溢出區域中有利用價值的顏色信息，修復色彩信息被裁切的顏色通道，從而達到修復畫面內容的目的。在修復過程中，首先分析畫面中存在色彩溢出的區域，然后將色彩溢出區域擴展到對應的色彩線對(Color Lines)中，最后根據條帶中非溢出通道的色彩信息，修復溢出通道，找回畫面丟失的內容細節。

圖11 色彩修復效果圖，未被裁切的藍色通道(a)保留了被裁切的綠色通道(b)丟失的亮度細節，這些信息被用來修復畫面中的色彩溢出，最終得到(c)

5 結語

本篇文章分析了前期拍攝和后期制作兩個環節發生色彩溢出的成因，結合前人研究，給出了現有技術手段下的有效解決方案，并介紹了修復色彩溢出畫面的方法。最后，我們對數字影像處理中的色彩溢出現象的未來發展趨勢，做出三點展望。

(1)隨著影視技術的提升，攝影機所能記錄的亮度動態范圍以及色域范圍不斷提升，視頻顯示設備所能呈現的色彩信息不斷增大，在未來的影視制作中，由于設備性能的局限性所導致的色彩溢出現象，將會減少。

(2)在色彩空間轉換中出現的畫面色彩溢出現象依然無法避免，由較大色域轉換到較小色域的過程中，超出較小色域的色彩信息，無論以何種方式進行處理，都無法在較小色域中被精準還原。未來針對這一問題的主要解決思路，還是集中在改善色域轉換的映射方式，在精確還原色彩信息和保留畫面細節之中找到一個折中點。

(3)現有色彩溢出修復方法，還存在局限性和有待提高的空間，未來會出現更好的修復方法。

注釋

①圖片來源：https∶//www.eoshd.com/comments/topic/7172-sony-a7s-color-channel-clipping-issues/。

②圖片來源：https∶//acescentral.com/knowledge-base-2/crushed-colors-caused-by-brightly-colored-lights/。

③圖片來源：https∶//en.wikipedia.org/wiki/Clipping_(photography)。

④圖片來源：https∶//www.bilibili.com/video/av74624769。

⑤圖片淶源：https∶//www.bilibili.com/read/cv1378416。

⑥圖片來源：https∶//www.cambridgeincolour.com/tutorials/color-space-conversion.htm。

⑦圖片來源：https∶//www.filmlight.ltd.uk/store/?s=gamut+compress。