數字攝影機動態范圍的主客觀評價關系探究

陳緒朋 李 勃

(北京電影學院中國電影高新技術研究院，北京 100088)

1 數字影像質量主客觀之間的關系意義

如今，隨著數字電影技術的不斷發展，數字影像在質量上不斷有新的突破，高幀率、高分辨率、高動態范圍、大畫幅等數字電影高新技術手段已成為數字電影技術發展的潮流，各大攝影機廠商也不斷在數字技術上進行新的研發和提升。例如大畫幅技術的出現，已經成為各大攝影機廠商的競爭力之一，ARRI推出了ALEXA LF 以及ALEXA mini LF，RED 公司推出了MONSTRO 8K VV，SONY推出Cine Alta V，甚至國產品牌KINEFINITY 也發布了MAVO LF 和MAVO Edge 8K。毫無疑問，隨著傳感器面積的增大以及各種技術指標的提升，大畫幅技術一定會提升畫面呈現的影像質量，但是人眼能感受到的影像質量提升的多少和技術進步的幅度是否直接相關，這是值得探討的。2006年北京電影學院王春水老師發表的一篇名為 《現代影視制作流程中的數字影像質量評測體系研究》，文中指出“對影像的主觀評價與其客觀參數的理論推算通常會不一致”，所以搞清楚客觀評價和主觀評價的關系是比較重要的一個課題。影像質量提升到一定程度之后，從人眼的角度來說并不能得到明顯的感受，有可能某個影像在客觀評價上非常突出，但是主觀評價上卻不那么突出，人眼對影像質量的感知畢竟有一個閾值，超過這個閾值人眼對其感受就不那么明顯了。

評價影像質量主客觀之間的關系涉及很多技術參數，需要多維度的從影響影像質量的指標入手來逐一分析。例如拍攝時使用傳感器的大小、幀速率、分辨率、快門開角、動態范圍、顏色、噪聲、混疊，因為客觀條件所限，本文主要從動態范圍這一維度為例，初步探索影像質量主客觀之間的關系，希望能提供一些有價值的結論。

2 主客觀測試準備

影像質量的主客觀測評使用的攝影機選用了目前行業內較為常見的SONY PMW-F55、ALEXA mini、RED DRAGON 6K 這三臺S35傳感器的攝影機，其中RED DRAGON 6K 在測試中未開啟HDRX 模式(HDRX 是RED 攝影機通過一次正確曝光和一次高光保護曝光獲取高動態范圍的模式)，表1是三臺機器標稱的主要技術參數。

表1 三臺機器標稱的主要技術參數

為了保證測試的準確性，客觀測試和主觀測試選擇了同一支鏡頭——ARRI Ultra Prime鏡頭，焦距為50mm，所得出的客觀和主觀數據均為整個攝影系統綜合數據；測試過程中使用世光L-758D 和美能達CL-200A 控制曝光和色溫；所有被測圖像是在Da Vinci Resolve STUDIO 17中DCI P3色域下導出的16bit Tiff格式圖像，最大程度保證原始圖像質量。

2.1 客觀評價方法

動態范圍的客觀測試拍攝方式是在全黑的環境下拍攝使用燈箱透射Xyla-21 Dynamic Range Test Chart測試卡，Xyla-21 Dynamic Range Test Chart是專業測試動態范圍的測試卡，有20檔F 光圈動態范圍級別(21級)，并允許光以1∶1000000的方式通過第21級，其所能測量的動態范圍超過目前市面上所有攝影機器，能夠精確地測試出攝影機能達到的最大動態范圍。

Imatest是美國Imatest LCC公司開發的一款專業影像評測軟件，能夠精細量化圖像數據。拍攝結束后，將畫面在Imatest軟件 “灰階卡”選項中進行讀取，同時輔助亮度示波器查看。

2.2 主觀評價方法

動態范圍的主觀測評方法主要是對低調光、中間調、高調光這三種光線下的實景進行拍攝，分為使用正常曝光、過三檔曝光、欠三檔曝光的方式進行拍攝，最后剪輯合成一個測試短片，將測試短片打包放映。同時邀請了16名測試觀眾，對觀眾主要使用單刺激連續質量分級法，輔助分屏進行主觀觀看測試。每放完一個測試片后要求被測者在測試打分卷上打分，收集統計分值得到MOS (Mean Opinion score)值。

3 客觀測試的過程及測試結果

3.1 客觀測試過程

客觀評價測試是在全黑的環境下拍攝Xyla-21 Dynamic Range Test Chart測試卡，拍攝數據見圖1。

圖1 Xyla-21 Dynamic Range Test Chart測試卡

圖2 SONY PMW-F55的動態范圍客觀測試結果

圖3 SONY PMW-F55拍攝測試卡畫面的亮度示波器

使用攝影機SONY PMW-F55 (4K)拍攝Xyla-21 Dynamic Range Test Chart 測試卡畫面，將處理后的測試卡畫面導入Imatest軟件中進行分析，見圖2，畫面數據分析得出結果Slope-based DR=14.8。從示波器上來看，攝影機SONY PMW-F55 (4K)拍攝Xyla-21DynamicRangeTestChart測試卡畫面一共顯示14檔，見圖3。

圖4 ALEXA mini的動態范圍客觀測試結果

圖5 ALEXAmini拍攝測試卡畫面的亮度示波器

攝影機 ALEXA mini 使用3.4K分辨率、Opengate 拍 攝 的測試卡畫面，由Imatest軟件分析結果如圖4，數據分析結果顯示是攝影機ALEXAmini的動態范圍14.6 檔，從示波器顯示來看，表現的有效動態范圍為13.5檔，見圖5。

圖6 RED DRAGON 6K 的動態范圍客觀測試結果

圖7 RED DRAGON6K 拍攝測試卡畫面的亮度示波器

攝影機 RED DRAGON 6K 使用6K分辨率拍攝的測試卡畫面，經過數據分析得出結果如圖6所示，數據顯示14.8 檔，從示波器上來看，攝影機RED DRAGON6K 所呈現的有效動態范圍是13檔，見圖7。

3.2 客觀測試結論

從上面三組數據來看，imatest讀取的數據相對都偏高(使用斜率測量，在暗部區域信噪比(SNR)小于1的部分，因為色調映射和耀光的原因會導致數值偏高)，實際使用的動態范圍數值都在此基礎上減少一檔左右。三臺機器相差不多，基本都在13.5檔左右，SONY PMW-F55動態范圍要高一些，為14檔；ALEXA mini為13.5 檔，RED DRAGON 6K 相對低一些，為13檔。

4 主觀測試過程以及測試結果

4.1 主觀測試過程

4.1.1 拍攝階段

在北京電影學院數字影像評測實驗室布置了一個實景，見圖8，對攝影機動態范圍的呈現進行了變量的設計，其中實景光線和攝影機光圈作為拍攝變量，現場實景布置設置了低調、中間調、高調三種光線條件，對這三種光線條件下的實景，分別進行正常曝光、過三檔曝光、欠三檔曝光的方式拍攝。

圖8 實驗場地實景

同時，三臺機器分別進行拍攝時記錄raw 格式素材(RED 使用的是拍攝常用的5∶1壓縮比、考慮數據量大小兼畫面質量)，由于mini 的2K 分辨率沒有raw 格式，所以這個指標拍攝的是apple prores4444格式，盡量保證以高質量圖像進行測試。

4.1.2 后期處理放映階段

后期在DaVinciResolveSTUDIO17中進行處理，圖像數據解拜耳后，根據廠商提供的相應查色表將色彩空間轉換到DCIP3色域，伽馬值為2.6。剪輯后的測試片前30秒分別是3段10秒不同機器的畫面，后10秒是三個畫面的分屏畫面，單個測試片時長是40秒，再通過DVS Clipster 進行DCP制作，DCP符合DCI標準，最后將DCP 上載至放映系統中，進行放映。

測試片地點在北京電影學院C 樓放映廳，銀幕寬度為6米，高度為2.5米，觀看者距離銀幕距離為5米左右，視場角大約為61度，銀幕為標準亮度48cd/m，使用巴可DP4K-P 放映機進行放映。在測試片段制作中，三個畫面的排放順序是隨機的，以排除人眼的傾向性。主觀測評流程見圖9。

圖9 主觀測試流程圖

4.1.3 主觀測評實驗者觀看打分階段

共有16位實驗者進行了主觀評價，年齡在21～34歲之間，平均年齡26.9歲。男性13人、女性3人。其中影像從業者15位，主要從事電影攝影和數字電影技術，其中有一名是普通觀眾，所有人的視力或者矯正視力都達到1.0。樣本中專業人士偏多主要是由于疫情期間防疫管控形勢嚴峻，非專業人士無法到場，同時盡量減少聚集人數。

實驗者在觀看不同的測試片后會對每一個片段進行打分，每一個維度的測試會有一個打分規則。本節測試是三臺攝影機以全靶面攝同一實景高中低調三種光線效果下的明暗舒適度表現，每一種光線效果下通過改變光孔大小再取過曝三檔和欠三檔然后后期拉回正常曝光水平的圖像進行主觀測試。共有9大組實驗數據。

主觀評價標準有明顯不舒服-3分、比較不舒服-2分、一般-1分、比較舒服0分、舒服1分、特別舒服2分、非常舒服3分這七個級別。每組數據計算出MOS值(Mean Opinion score)以便評估使用。

4.2 主觀測試結果

4.2.1 低調光線效果下三種曝光畫面動態范圍測評結果

如圖10所示， 低調環境的布光方式為，以燈泡光源為主光，臺燈為輔光，一只萬源光引獵星300加束光筒形成側逆光增加反差。用亮度表測量燈芯最亮處和畫面最暗處亮度差大于20檔，然后用照度表測量人臉右側面頰，以此為曝光點進行拍攝。

圖10 低調光效場景示意圖

4.2.1.1 在低調光線下正常曝光畫面測評結果

攝影機用正常曝光的方式拍攝低調光場景下的畫面如圖11。

圖11 (a)為SONY PMW-F55 4K 正常曝光拍攝畫面；(b)為ALEXA mini 3.4K 正常曝光拍攝畫面；(c)為RED DRAGON 6K 正常曝光拍攝畫面

本次實驗中F55 4K、ALEXA mini 3.4K 和RED DRAGON 6K 明暗舒適度的MOS 值分別為0.867、0和-1.667，如圖12，得出低調光線正常曝光下，F55 4K 表現最好，其次是ALEXA mini 3.4K，最差的是RED DRAGON 6K，即F55 4K＞mini 3.4K＞RED DRAGON 6K。

圖12 三臺攝影機主觀測試打分分布

4.2.1.2 低調光線效果下過三檔曝光后拉回正常曝光水平畫面評價對比

攝影機用過三檔曝光的方式拍攝低調光場景，從示波器來看，燈泡高光以及人物輪廓光處已經被切割，經過后期處理成正常曝光水平的畫面如圖13。

圖13 (a)為SONY PMW-F55 4K 拍攝畫面；(b)為ALEXA mini 3.4K 拍攝畫面；(c)為RED DRAGON 6K 拍攝畫面

本次實驗中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒適度的MOS值分別為-0.6、-0.2 和0.733，如圖14。這次測試結果反而是RED DRAGON 6K 明暗舒適度最好，即RED DRAGON 6K＞mini 3.4K＞F55 4K。

圖14 三臺攝影機主觀測試打分分布

4.2.1.3 低調光線效果下欠三檔曝光后拉回正常曝光水平畫面評價對比

三臺攝影機用欠三檔曝光的方式拍攝低調光場景之后，經過后期處理成正常曝光水平的畫面如圖15所示。

圖15 (a)為SONY PMW-F55 4K 拍攝畫面；(b)為ALEXA mini 3.4K 拍攝畫面；(c)為RED DRAGON 6K 拍攝畫面

本次實驗中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒適度的MOS 值分別為-1.667、-1.733和-2.933，如圖16。測試結果跟本組測試第一個低調正常曝光下比較相似，即F55 4K＞mini 3.4K＞RED DRAGON 6K。

圖16 三臺攝影機主觀測試打分分布

4.2.2 中間調光線效果下的明暗舒適度測試

圖17 中間調光效場景示意圖

如圖17所示，中間調的布光，畫面左右兩側各放置了一只加了柔光傘的萬源光引獵星300，左右兩側測量出的光比為2∶1，用黑棋控制背景區域暗部亮度。利用亮度表測量燈泡最亮處與桌面下最暗處亮度差達到20檔以上，用照度表測量右側臉頰讀數，以此為曝光點進行拍攝。

4.2.2.1 中間調光線效果下正常曝光評價對比

圖18 (a)為SONY PMW-F55 4K 正常曝光拍攝畫面；(b)為ALEXA mini 3.4K 正常曝光拍攝畫面；(c)為RED DRAGON 6K 正常曝光拍攝畫面

攝影機用正常曝光的方式拍攝中間調光線場景下的畫面如圖18所示。

本次實驗中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒適度的MOS 值分別為1.2、0.867和-0.2，如圖19。即F55 4K＞mini 3.4K＞RED DRAGON 6K。

圖19 三臺攝影機主觀測試打分分布

4.2.2.2 中間調光線效果下過三檔曝光后拉回正常曝光水平畫面評價對比

攝影機用過三檔曝光的方式拍攝中間調光線場景，亮度示波器顯示燈泡高光處已經被切割，經過后期處理成正常曝光水平的畫面如圖20所示。

圖20 (a)為SONY PMW-F55 4K 拍攝畫面；(b)為ALEXA mini 3.4K 拍攝畫面；(c)為RED DRAGON 6K 拍攝畫面

本次實驗中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒適度的MOS 值分別為-0.857、-2.214和0.071，如圖21。即舒適度RED DRAGON 6K＞F55 4K＞mini 3.4K。

圖21 三臺攝影機主觀測試打分分布

4.2.2.3 中間調光線效果下欠三檔曝光后拉回正常曝光水平畫面評價對比

三臺攝影機用欠三檔曝光的方式拍攝中間調光線場景之后，經過后期處理成正常曝光水平的畫面如圖22所示。

圖22 (a)為SONY PMW-F55 4K 拍攝畫面；(b)為ALEXA mini 3.4K 拍攝畫面；(c)為RED DRAGON 6K 拍攝畫面

本次實驗中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒適度的MOS值分別為-1.5、-1.86 和-2.71，如圖23。即舒適度F55 4K＞mini 3.4K＞RED DRAGON 6K，F55在暗部表現突出。

圖23 三臺攝影機主觀測試打分分布

4.2.3 高調光效效果下的明暗舒適度測試

圖24 高調光效場景示意圖

如圖24所示，高調光的布光以左右兩側各一只裝有柔光傘的萬源光引獵星300為主光，光比為1∶1，不用控光附件使光線平鋪到前景和背景。用亮度表測量燈泡處和桌子下面暗部亮度差達到20檔以上，用照度表測量右側臉頰照度，以此為曝光點進行拍攝。

4.2.3.1 高調光效果下正常曝光評價對比

攝影機用正常曝光的方式拍攝高調光場景下的畫面如圖25所示。

圖25 (a)為SONY PMW-F55 4K 正常曝光拍攝畫面；(b)為ALEXA mini 3.4K 正常曝光拍攝畫面；(c)為RED DRAGON 6K 正常曝光拍攝畫面

本次實驗中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒適度的MOS值分別為0.714、1.5 和0.857，如圖26。即舒適度mini 3.4K＞RED DRAGON 6K＞F55 4K，mini表現比較突出。

圖26 三臺攝影機主觀測試打分分布

4.2.3.2 高調光效果下過三檔曝光后拉回正常曝光水平畫面評價對比

圖27 (a)為SONY PMW-F55 4K 拍攝畫面；(b)為ALEXA mini 3.4K 拍攝畫面；(c)為RED DRAGON 6K 拍攝畫面

攝影機用過三檔曝光的方式拍攝高調光場景，經亮度示波器查看，燈泡、臺燈以及背景白色織物被切割。經過后期處理成正常曝光水平的畫面如圖27所示。

本次實驗中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒適度的MOS 值分別為-1.429、-2.214 和-0.071，如圖28。即舒適度RED DRAGON 6K＞F55 4K＞mini 3.4K。

圖28 三臺攝影機主觀測試打分分布

4.2.3.3 高調光效果下欠三檔曝光后拉回正常曝光水平畫面評價對比

三臺攝影機用欠三檔曝光的方式拍攝高調光場景下的畫面之后，經過后期處理成正常曝光水平的畫面如圖29所示。

圖29 (a)為SONY PMW-F55 4K 拍攝畫面；(b)為ALEXA mini 3.4K 拍攝畫面；(c)為RED DRAGON 6K 拍攝畫面

本次實驗中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒適度的MOS 值分別為-0.714、-2.143 和-2.786，如圖30。即舒適度F55 4K＞mini 3.4K＞RED DRAGON 6K。

圖30 三臺攝影機主觀測試打分分布

4.3 主觀測試結論

從9大組測試的每組數據可以看出，三臺機器測試的動態范圍評價結果往往因為光效和曝光的不同，產生不一樣的結果。但是不難看出，9 大組數據還是有一定的規律可循，SONY PMW-F55 在整體畫面亮度在曝光點以下時，表現往往會比其他機器要好；RED DRAGON 6K 往往在整體畫面亮度在曝光點以上時，表現比其他機器要好，ALEXA mini的表現傾向性就沒有那么明顯。

5 動態范圍的主客觀評價關系分析

表2 9組動態范圍Mos值得分情況

從表2可以看出，主觀測試得出的明暗舒適度結論并不是跟客觀整體寬容度數據完全吻合，有一定程度的背離。

在客觀測試部分用imatest和示波器綜合分析，SONY PMW-F55、ALEXA Mini和RED DRAGON 6K 的有效動態范圍分別是14檔、13.5檔和13檔。可以看出，動態范圍三臺機器相差并不多，SONY PMW-F55稍微高一點，RED DRAGON 6K稍微低一點，ALEXA Mini在兩者之間。

主觀測試結果得出，從整體上看，SONY PMW-F55表現比較出色，在低調光、中間調光的正常曝光以及三種光線效果的欠三檔曝光中，MOS得分都是最高的。說明SONY PMW-F55在曝光點以下部分的層次感比較好。在拍攝偵探片、黑色電影時可能更適合，可以把暗部的影調呈現的更豐富。相反，RED DRAGON 6K 在三種光線效果的欠三檔測試以及低調和中間調正常曝光中表現最差，說明其表現暗部層次的能力會弱一些。然而RED DRAGON 6K 在三種光線效果的過三檔曝光中卻表現突出，說明其在曝光點以上的區域層次表現比較好，那么就比較適合拍攝高調一些的畫面，比如說電視廣告、輕喜劇等電影內容或者在拍攝這些類型的影像時曝光可以稍微過一些。ALEXA Mini的表現在三臺機器沒有那么突出，唯一在高調正確曝光中占領優勢，說明ALEXA Mini在曝光正常、整體畫面亮度在曝光點以上的畫面中表現比較好。

從這一角度來看，主觀得出的這一結論和客觀測試得出的結論又基本是一致的，在圖2、圖4、圖6中可以看到，SONY PMW-F55 在曝光點以下密度響應相對比較密集，說明暗部亮度過度就比較平滑，層次比較多；RED DRAGON 6K 在曝光點以上密度響應比較密集，說明亮部亮度過度就比較平滑，層次比較多；ALEXA Mini則表現比較平均。

所以在判斷一款攝影機動態范圍表現如何，并不能只看傳感器整體的動態范圍表現，還應該根據實際情況測試暗部、亮部、中間調等的具體表現。

綜上所述，攝影機的動態范圍客觀和主觀的評價關系，不能簡單的將結論歸為一致或者不一致。首先不同的攝影機表現出來的關系可能會不同；其次動態范圍這個指標可能也只是衡量影調層次的基礎指標，具體面對復雜的影像畫面構成，還需要具體畫面具體測試分析。在實際應用中，面對不同形式風格的項目時，拍攝前做好攝影機主觀和客觀方面的測試就顯得尤為重要。?