HDR技術在電影現場制作中的應用
——以 《中國》(第二季)為例

尤子元 李 勃

(北京電影學院影視技術系,北京 100088)

1 項目背景介紹

《中國》(第二季)是一檔大型歷史文化紀錄片。該片第一季于2020年播出后,獲得了業界、媒體的高度關注和觀眾的一致好評,網絡影響力位居全網紀錄片第一,傳播聲量及流量均位居同期全網紀錄片節目第一。影片第二季共分為十二集拍攝,旨在立足于講述與世界并行的中國,在堅持文化自信的基礎上實現中華民族的偉大復興。

該片作為一部重點選題項目,要求在視聽上達到一流的電影級水準并以HDR作為一種主要版本進行完片制作。同時,為了確保完片效果,攝影指導要求在現場、近場制作環節實現HDR監看的全程覆蓋,并將現場基于HDR監看做出的調色決策完整地傳遞給后期部門。

2 項目需求分析

經過與攝影指導以及后期制作部門、發行平臺等多方面溝通,DIT部門進一步細化并落實了以下四方面具體項目需求。

2.1 完片格式

對于制作HDR影片而言,選擇合適的完片格式是觀看效果的重要保障；同時需要從拍攝現場、后期制作、發行平臺、觀眾收看設備等各個方面進行考量,選擇適合項目的HDR完片格式。此外,還應制作符合Rec.709標準的SDR版本。

2.2 現場HDR監看覆蓋

在電影現場制作中,一般存在以下三類監看需求且分別對應三種不同的技術指標要求。

(1)主創在較為固定的場地監看時,處在相對可控的監看環境,關注點更多放在光線、色彩和畫面質感上,需要盡可能高的畫面質量。這類場地往往也是DIT架設信號樞紐的場所,攝影指導會在此處有更多色彩調整、影像質量檢查的需求。因此,在現場工作環境中,這類監看需求對應的處理系統是最復雜的。

(2)由于監看環境不可控,主創在靠近表演區域的位置進行移動監看時的主要關注點往往在演員的表演和攝影機運動上,對于影像質量的要求相對較低。此類監看非常看重設備的靈活性,因此不宜使用較為笨重或功耗較高的設備。

(3)各部門工作人員參與監看時,主要關注的是接戲、穿幫等問題,對畫面質量的要求不高,有時甚至可以接受下轉后的SDR畫面。

經過與攝影指導及各部門的溝通,在影片 《中國》(第二季)的制作中,DIT部門需要實現在上述第一種場合下完整的HDR、SDR雙版本監看,第二種場合下的可選HDR、SDR監看,以及第三種場合下的部分HDR監看覆蓋。除此之外,還需實現對HDR和SDR兩個版本畫面的創意性調色并保持二者色彩風格的一致性。

2.3 HDR樣片審看

對于電影攝制而言,還應對先前所攝畫面形成的每日樣片進行審看且當監看規格提升到HDR時,審看樣片也應以HDR格式進行。

由于樣片的審看經常發生在主創會議、轉場途中等移動場合,不便使用較復雜的硬件系統。因此,應將HDR樣片的審看適配各類移動設備,如手機、平板電腦。

2.4 現場調色信息向下游傳遞

攝影指導在現場會選擇符合其創作意圖的調色預設方案 (事先由調色部門制作)施加于攝影機輸出信號,并在HDR監看條件下做出相應的調整。這些信息將會是剪輯、視效、調色等部門的重要參考,因此,為了實現這些調色信息向下游部門尤其是調色部門的傳遞,需要做到如下三點。

(1)每個拍攝素材片段對應其現場所用的調色預設方案名,以元數據的形式傳遞入Da Vinci Resolve(以下簡稱 “達芬奇”)軟件中,使調色可以快速篩選,對片段施加調色方案。

(2)攝影指導在現場所做的調色修改需以非破壞性的方式記錄為元數據,并傳遞至達芬奇軟件中,與素材一一對應。

(3)針對某一特定調色方案,通過現場調色設備施加在攝影機SDI輸出信號上的結果,需要與調色部門在達芬奇軟件中對攝影機素材施加的效果一致。

3 技術方案設計

3.1 完片格式選擇

表1中給出了常見的HDR完片格式參數。

表1 常見的HDR完片格式參數

影片 《中國》 (第二季)最終選擇了BT.2020+PQ,1000nit峰值亮度,HDR10元數據作為HDR版本的完片格式,同時將實際內容的色彩空間限制在P3-D65內。這樣的選擇主要是出于以下考量。

(1)從平臺方提供的終端用戶相關信息來看,有較大數量的用戶設備僅支持BT.2020+PQ的HDR視頻參數組合,而P3-D65+PQ、BT.2020+HLG這樣的參數組合在這些設備上存在無法正確解碼、播放的問題。

(2)大多數消費終端HDR顯示設備的峰值亮度都在1000nit及以下,而主流HDR技術監視器的峰值亮度也以1000nit為主。目前國內外已有的一些HDR節目,除少數技術測試片外,均以1000nit作為峰值亮度標準。因此,本片決定采用1000nit作為完片峰值亮度。

(3)根據平臺方所提供的平臺技術條件和終端用戶相關信息,在發行端使用杜比視界或HDR10+的動態元數據格式條件尚不成熟,只能選擇HDR10元數據或無元數據格式發行。考慮到HDR10雖采用靜態元數據,但其終端映射效果仍要好于無元數據的情況,因此,本片決定采用HDR10(ST-2086)作為完片的元數據格式。

(4)目前無論是消費終端HDR顯示設備,還是HDR技術監視器,都無法做到完整覆蓋BT.2020色彩空間。這意味著如果采用完整的BT.2020色彩空間,完片制作格式可能存在一部分超出色彩空間的顏色,無法被正確監看到。為了規避這一問題,本片決定采用將實際內容的色彩空間限制在P3-D65色彩空間內的方式進行完片制作。

3.2 視頻系統設計

現場的HDR監看由視頻系統承載,在本項目中,視頻系統的主要構成組件包括:攝影機、無線圖傳、現場調色系統、視頻助理 (Video Assist)系統、監視器。其中,攝影機、無線圖傳和視頻助理系統與常規項目并無太大區別,主要區別體現在現場調色系統、監視器和系統架構上。

3.2.1 信號格式

由于無線圖傳及部分監視器等仍使用3G-SDI甚至HD-SDI接口進行信號輸入/輸出,因此為保證最大兼容性,現場視頻信號統一采用1080p/25fps格式。

3.2.2 現場調色系統

現場調色系統由硬件和軟件兩部分組成,以下分別對二者進行討論。

(1)硬件方面:目前實現現場調色主要有兩種方案,一種是使用通用計算機平臺配合視頻I O板卡,接受畫面信號輸入,經過軟件處理后再輸出至外部。另一種是使用計算機將調色方案計算成為L UT文件,通過網絡接口輸出至一種專用的可加載L UT的畫面處理設備 (以下簡稱 “LUT Box”),由LUT Box接受畫面信號輸入,進行處理后再輸出。

對比這兩種技術方案,前者在帶來更強處理能力、更多處理方式的同時,也增加了系統復雜度,引入了更高的畫面延時問題 (約3～5幀),且降低了整體系統的魯棒性。此外,由于這種方案使用通用計算機進行處理,因此該方案存在功耗、供電、便攜性差、不便于靈活部署等問題。

而后者僅能通過L UT對畫面進行全局操作,引入的畫面延遲更低 (一般為1幀以內),幀生成時間穩定,監看體驗良好。且由于LUT Box使用專用畫面處理芯片,因此在功耗、體積上有著很大的優勢。

綜上考慮,結合本項目的機位數量和拍攝場地條件,決定使用L UT Box方案搭建現場調色系統。

當前市場上常見的L UT Box如表2所示:

表2 常見LUT Box設備及其主要參數

出于最大化處理能力的考量,本項目最終選擇了尊正BoxIO作為現場調色系統的主要LUT處理設備,還選擇了Teradek COLR DUO供移動監看時使用。

(2)軟件方面:當前市場上主要有三家可用作現場調色的軟件平臺,分別是Assi milate公司出品的Live Assist,Po mf ort公司出品的Livegrade和Black magic Design公司出品的Da Vinci Resol ve,其中支持控制LUT Box的有Live Assist和Livegrade。

在本項目中,現場調色軟件不僅需要實現對LUT Box的集控和管理,更要實現對調色方案預設、每個鏡頭及其對應調色信息的管理,并將這些信息準確、完整地向下游進行傳遞。

因此,考慮到軟件界面和操作邏輯的易用性,以及與DIT部門現有的基于Po mf ort公司Silverstack的數據管理工作流的兼容性,最終選擇了Livegrade作為現場調色的軟件平臺。

3.2.3 監看設備選擇

表3中列出了一部分經過前期測試后作為備選型號的HDR監視器型號、性能參數,以及劇組相關人員對其顯示效果主觀測評的結果。

表3 項目備選HDR監視器主要參數及主觀評價結果

綜合考慮上述技術參數因素和主觀評價結果,決定選擇一臺藝卓CG3145搭配兩臺佳能DPV-2420作為主創在固定場地監看使用的HDR監視器,以CG3145的顯示效果作為基準,DPV-2420作為多機位監看的補充；選擇Ato mos Su mo 19作為主創移動監看和各部門工作人員監看所用的HDR監視器；選擇Ato mos Shogun 7作為各部門工作人員監視器的補充。

此外,我們還準備了數臺索尼PV M-A250監視器作為SDR監看設備,以及一臺65寸OLED HDR電視供主創預覽觀眾端的畫面呈現效果。

3.2.4 信號系統架構

本項目的視頻系統可以分為現場和近場兩部分,其詳細架構方案如下。

(1)現場信號系統:現場信號系統主要由攝影機、圖傳設備與移動監視器組成。攝影機的兩路SDI輸出信號分別連接至圖傳發射端與機身上的小型監視器。現場的移動監看設備通過圖傳接收端獲取信號,中間經由Teradek COLR DUO加載LUT以實現監看帶有色彩風格的畫面。

(2)近場信號系統:近場信號系統主要由圖傳設備、現場調色系統、視頻助理系統組成。圖傳接收端的信號首先進入現場調色系統的視頻矩陣,該矩陣為圖傳接收端、L UT處理設備、色彩示波設備等提供信號調度功能。同時,現場調色系統的視頻矩陣與視頻助理系統的視頻矩陣進行級聯,由前者向后者發送調色后視頻信號,由后者負責提供錄制、回放、向各部門監視器發送信號等功能。

最終的信號系統圖如圖1所示。

圖1 信號系統圖

3.3 色彩管理方案

為了確保HDR監看的準確性,需要對項目中視頻信號途徑的所有設備進行測試和驗證,確保信號被正確地轉換,也可準確顯示。同時,SDR版本的畫面信號也需要選擇合適的方式進行生成,確保SDR版本與HDR版本的觀感盡可能一致。

3.3.1 驗證攝影機輸出信號

為了確保同一色彩方案在現場施加于攝影機輸出信號上的效果與后期在達芬奇軟件中施加于素材上的效果一致,首先需要確保攝影機輸出信號與后期解碼素材的色彩空間、光電傳遞函數 (以下簡稱“OETF”)等參數一致。

為此,DIT部門在籌備階段就進行了針對性測試,通過抓取攝影機輸出信號,并就同時錄制的RA W素材在達芬奇軟件中進行比對測試,確認了在達芬奇軟件RA W解碼設置與機內色彩輸出設置匹配時,二者在技術上擁有一致的色彩空間和OETF特性 (圖2)。

圖2 機內輸出信號與RA W素材解碼對比

3.3.2 排除設備對色彩的影響

針對視頻系統中信號途徑的設備,包括無線圖傳、視頻助理系統、現場調色系統等,使用灰階、彩條等標準測試信號進行了測試,確保信號經過前后色彩不發生異常變化。尤其是針對現場調色系統,通過比較相同LUT使用現場調色系統施加和使用達芬奇軟件施加的結果,確定其調色功能切實可靠,輸出結果具有確定性。

3.3.3 監視器測試與校正

本項目中,HDR監視器的測試校正目標為1000nit亮度,PQ傳遞函數,覆蓋P3色域,白點為D65。SDR監視器的測試校正目標為120nit亮度,BT.1886傳遞函數,覆蓋BT.709色域,白點為D65。其中,主監視器CG3145的校正目標為在P3-D65/1000nit的色體積內平均d E小于2(圖3)。

圖3 監視器校正報告

在項目開始前所有監視器都進行了統一的測試與校正,之后每周都對主要的HDR監視器進行跟蹤測量,確保其顯示效果準確。

3.3.4 SDR下變換方案

HDR圖像向SDR圖像的下變換可以分為靜態下變換映射和動態下變換映射,前者采用固定參數進行像素值下變換,后者的下變換參數可以進行動態調整。在本項目中,為了降低系統復雜度,確保下變換結果有更高可預見性,決定采用靜態下變換,并以L UT方式實現。

選擇下變換算法的核心考量是在下變換后的SDR圖像中盡可能保持源HDR圖像的觀感。根據ITU在BT.2408-4報告中給出的建議,PQ格式的HDR內容向SDR下變換,應當采用顯示參考轉換的方式。轉換算法如圖4所示。

圖4 顯示參考轉換算法示意

其中,BT.2020到BT.709的映射算法使用了色域壓縮的方式處理超出BT.709范圍的色彩。

DIT部門聯合調色部門使用前期測試拍攝的素材對這一下變換算法進行了測試,結果表明,其轉換效果基本上保留了HDR版本信號中的創意調色意圖,但在某些高飽和色光、高亮度調性場景下有一定的效果局限性。考慮到下變換SDR版本的現場信號主要起到參考作用,在后期調色中對此類鏡頭還有修正空間,因此接受此種下變換算法在現場監看中的全面使用。

3.4 調色信息的管理與傳遞

調色信息包括調色預設方案和現場調色改動產生的CDL。這些信息一方面需要在現場隨時可查閱、調取,供攝影指導參考；另一方面,這些信息必須向下游部門完整傳遞,確保后續各制作環節中看到的畫面色彩與現場監看效果一致。

在現場,調色信息的管理可以不依賴于攝影機素材文件,而完全在Livegrade軟件中完成。所有調色方案都在Livegrade中事先存儲為預設,而Livegrade本身可以看作一個簡易的場記數據庫,現場DIT可以快速地向數據庫中添加素材片段信息,如拍攝日、機位號、片段名、時碼、所用調色方案名、所做CDL更改、場鏡次等,快速根據其中任意一項信息進行片段的檢索,并將該片段的調色方案施加于當前現場信號上。

在每個拍攝日結束后,現場DIT會將當日所有拍攝片段的調色信息打包為專用格式.pfla傳遞給駐地的DIT。駐地DIT可以根據片段名、時碼等多項元數據在Silverstack中自動將調色信息匹配到實際素材上,而后通過Silverstack的ALE、CSV、CCC等元數據交換格式導出功能,將調色信息進一步向下游傳遞。

3.5 HDR樣片審看APP

為了便于主創進行HDR樣片審看,DIT部門結合支持HDR顯示的12.9英寸i Pad Pr o(第5代)開發了一款HDR樣片審看APP(圖5)。這款APP不僅實現了便捷快速的HDR格式樣片審看,還具備樣片管理、使用者權限管理、元數據顯示、HDR調色風格切換預覽、LUT的管理與效果預覽等功能。該APP在現場的普及使用,極大提高了片場的工作效率。尤其是在檢查接戲、穿幫、影調一致性時,可以不依賴于視頻助理提供的回放,也便于主創在創作會議、轉場途中對所攝素材進行檢查、探討。

圖5 HDR樣片審看APP界面示意

4 總結與展望

目前,越來越多的影片以HDR格式制作,而在拍攝現場鮮有真正做到全程以HDR格式監看的。本文所介紹的案例提供了一種HDR監看在現場全程覆蓋的可行方案,可供希望將HDR技術與影片制作更深度結合的影視工作者參考。然而,由于種種限制,文中介紹的方案也存在一些不足,以下對這些不足以及未來的改進方向作出展望:

(1)視頻系統所用信號格式為高清格式,且攝影機信號接入系統中的方式為深有損壓縮無線圖傳。相比于SDR制作,對于HDR制作而言,源信號的質量要求更高,壓縮造成的圖像質量劣化也更易被察覺。未來可以考慮引入淺壓縮、甚至無壓縮的畫面傳輸方式,并將視頻系統格式升級為超高清(4 K)格式,提升監看效果,幫助主創作出更準確的判斷。

(2)現場調色系統與視頻助理系統之間的級聯采用的是基帶SDI信號,一路信號必須對應一個物理接口,而擴展攝影機信號接入數量需要線性擴容系統接口數量,這極大限制了系統的靈活性和可擴展性。目前電視行業已開始使用IP化信號傳輸方式替代基帶信號,這樣的替代擺脫了對信號數量與接口數量的線性對應關系,可以考慮將IP化技術引入到影視現場制作的視頻系統中,提升系統靈活性和可擴展性。

(3)HDR向SDR的下變換使用靜態參數,不能根據場景內容進行適應性調整。未來可以考慮引入諸如杜比視界CMU的硬件和人工智能算法,通過對畫面內容的實時分析,動態智能地對HDR下變換參數進行調整,實現在高亮度、高飽和度等極限畫面條件下視覺效果更優秀、更一致的下變換。

隨著HDR技術的進一步成熟,會有越來越多的HDR影片實現HDR技術在整個流程中的覆蓋與深度融合,這將幫助創作者們拍攝出更多擁有優秀視覺效果的HDR影片,為觀眾們提供更加耳目一新的視覺體驗。

①CCC,即Color Correction Collection,是一種在單文件中包含多個CDL的文件格式。