HDR:创造沉浸体验式“真”影像——兼论光与影像的关系

■　张　宁　毕根辉



HDR:创造沉浸体验式“真”影像
——兼论光与影像的关系

■张宁毕根辉

业界对HDR的关注点本质上可以概括为“所拍即所见”,毕竟摄影的首要问题是“忠实”的记录,然后才是艺术处理使之更加“悦目”。HDR被热捧还在于它是下一代影像标准中的关键词,观众的期待聚焦在对影调更加逼真的再现。人类对光的感受与人眼的进化密切相关,人眼借助瞳孔调节有惊人的视觉成像能力,可以捕获1012∶1的亮度范围。无瞳孔调节时的人眼视觉参数也能达到光比105∶1,相当于16.7档光圈的宽容度。16+档的HDR是数字影像追求的终极目标,如果从记录、制作到最终显示,整个传递过程都能达到这个目标,将会是再一次影像质量的“工业革命”。

动态范围；HDR技术； Cineon10；对数伽马；沉浸式体验

一、引言:朝着沉浸式体验的真实影像技术迈进

在这个“所见即所得”的年代,还有几个打心底里认同摄影是“用光书写”这句话？对光的精确控制随着图像监看的数字化似乎已经变得“无足轻重”。实际上，影视创作的天平已经过度向设备制造商倾斜,越来越方便的摄制流程和越来越强大的自动化控制,彻底颠覆了数字时代的创作生态。

可喜的是，倾斜的天平的确把影像的质量提升了一大步,哪怕是一个初出茅庐的非专业人士,也能凭借设备的自动功能获得较高质量的作品；可悲的是，对于一些不求甚解的专业影视从业者来说,本应借助强大的数字再现能力完成超越胶片的高品质影像,却因对智能设备的“盲从”,影像质量乏善可陈,停留在“胶片感”的自我满足中。

胶片的时代创造出了许多伟大的作品,100多年来胶片电影一直是高品质影像的代名词。然而自2010年后,数字影像技术的关键突破一下子激活了影像制造业的潜质,借助于新材料科学的强有力支撑,短短的5年时间数字影像的跨越式发展就彻底超越了按比例结构还原的胶片感,朝着沉浸式体验的真实影像技术迈进。其中最关键的核心技术是对数伽马和HDR①,要想彻底厘清这个问题,还要从“光”本身以及“光”与影像的关系说起。

二、光与人眼的进化

光是宇宙之源,蕴含着超乎想象的巨大能量。太阳并不算什么威力巨大的恒星,在银河系中都排不上号。但即使如此,每秒钟太阳只使用了它不到0.00000004%的能量就照耀了地球。在相距太阳1.5亿公里人类赖以生存的这颗蓝色星球上,透过大气层的能量过滤,我们看到的直射阳光还高达10亿尼特。如果嫌数字不够感性,可以想象一下把10亿支烛光的亮度汇聚成一点的情形。当然把这么高的亮度记录下来是绝无可能也没有必要的,因为人眼的极限是2-10万尼特。超过这个限度,眼睛就再也分辨不出任何亮度变化了,10万尼特以上的阳光普照给人们白晃晃的感受非常直观的说明了这一点。

在人类长期的进化过程中,物种竞争优化了人眼结构,有利于提高生存几率的机能不断得到加强。自然万物绝大多数属于漫反射表面,并且反射率都在90%至1%之间。人类非常好的适应了这部分光线亮度,在人眼看来,这部分景物亮度适中,层次变化丰富,见图1。

一张普通的A4打印纸在北京9月下午2点晴朗阳光的垂直照射下,它的亮度能达到27000尼特,这就是柯达定义的90%白。超过90%的超白部分一直到100%的假想白(理想白)很少见,是由夹杂着部分镜面反射颗粒的漫反射物体制造的,像亮晶晶的白雪等。这部分超白亮度很大,接近人类眼睛的阈值上限,虽能被识别但层次感微弱。

漫反射表面不能制造超过假想白的高光,高光主要是光滑表面和镜面反射制造的,像波光、汽车漆面定向反射等。对于人眼来说,这些光线全部被“消波”,推断其原因,无非是在狩猎等生存进化中极少被用到,进而退化或从未进化出这部分能力。

图1　自然光比和人眼视阈

1%-90%的漫反射物体在阳光直射下,亮度为约300-27000尼特。100%也就是30000尼特进入了人眼的阈值极限范围,那在它之上的部分人眼是否能感受到其亮度变化呢？不同亮度的高光都会被“消波”。值得注意的是,虽然人眼对这部分高光没有分辨其细节层次的能力,却仍能根据光线对眼睛的刺痛程度比较其强弱。

人眼难道只能看到1%漫反射表面的亮度吗？而且是300尼特？现如今，家庭液晶电视的亮度在200-400尼特之间,把液晶电视放在直射的阳光下时，影像是绝对看不清楚的。据科学实验证实,人眼的阈值下限的确可以达到更低,尤其是在瞳孔调节到最大并且没有更强的光线干扰的情况下。

晴朗的白天,在1%黑以下,也就是300尼特以下是散射光照明,尤其是茂密的树林,深邃的树荫、山洞等,其亮度可低至几尼特,甚至零点几尼特。不借助瞳孔调节,人眼识别光线亮度的阈值下限是0.3尼特,相当于0.001%的漫反射表面的亮度。

有了具体的数据,就能准确的计算出人眼的宽容度。在瞳孔调节不介入的情况下,人眼可以识别的亮度范围是0.3-30000尼特,约为105∶1,换算成宽容度达到了16.7档光圈。参考标准观察者实验的方法,用DSCLabs 17档灰阶测试卡实验,人眼能够分辨18级灰阶的层次变化。人眼借助瞳孔调节还有惊人的暗视觉能力,最低能看到10-6尼特亮度。计算下来人眼的成像能力可以达到1012∶1,相当于40档光圈的宽容度,非常惊人,见图2。

图2　宽容度比较(SONY中国,王亚明)

“光比105∶1,16.7档光圈的宽容度”,获得无瞳孔调节的人眼视觉参数最重要,因为这才是数字影像追求的终极目标。从记录到制作,最终到显示,也就是光—电—光(ADA)的整个传递过程都能够达到16+档的HDR,创造沉浸式体验的“真”影像,为数字影像技术的发展指明了方向。

三、按比例结构还原的胶片感

前些年被炒得沸沸扬扬的胶片感已经淡出历史舞台,作为技术发展的特定阶段,胶片感的确引导了传统感光材料向数字感光材料的转变,其中核心的基础框架是Cineon10规范②。

综合胶片的感光性能(片基灰雾等)和人眼的关注范围,柯达把自然景物中能反射1%光线的黑色漫反射表面作为影调范围的起点——黑；把最亮的漫反射表面大约是能反射90%光线的白色物体,像白墙、白衬衫等,定义为白；把超过90%的发光体或者耀眼的反射面,像太阳、灯光、水面反光等,定义为超白。这样在视觉的亮度范围内就有了三个参照:1%的黑、90%的白和太阳。于是,视亮度范围分成了两个区域:1%黑至90%白之间,称之为“正常视亮度”；大于90%的白,称之为“超白”。正常视亮度范围内的物品包括自然界大部分景物和日常用品,像衣服、皮肤、建筑物、动物等。虽然漫反射表面“正常视亮度”的亮度范围只占极小的一部分,但是人眼和胶片的非线性对数响应拉伸了这个范围,同时压缩了亮部,见图3。

模拟量之间的转换遵循着宇宙通行的法则。胶片和人眼都有两个超级的能力,第一个是都有巨大的动态范围(人眼比彩色负片多4.7档),既可以记录暗的物体,又可以捕获差不多要亮数千倍的超白物体。第二个是在暗部具有非常丰富的细节,但对于非常明亮的物体,则只保留越来越少的细节。

在还原现实世界的道路上,胶片的伟大贡献在于它以仿对数的特性放大了人眼的“关注范围”(Area of Interest)。图4是时任柯达旗下电影制作者办事处的高级合成师和技术总监Steve Wright关于关注范围的精彩说明,其中X轴是亮度的绝对值,等比例变化。Y轴是不透明度,以百分比来表示。随着光线强度(数量)的递增,胶片的不透明度也随之增加,但并没有像光线一样等比例变化,而是变化的幅度在100以后迅速变缓。这正是物理感光材料的特性,随着乳剂层未感光的颗粒变少,光化学反应迅速衰减直至停止。从100至1000,占比光量90%的内容对于视觉来说并没有那么重要,在长期的进化中,人类的视觉系统压缩了对这部分光线的反应,而强化了1-100之间占比10%代表地面景物的光线亮度范围,毫无疑问,这部分“关注范围”对一个物种的生存至关重要。

图3　现实世界的亮度与感知的视亮度

改造图4的显示方式,图5以对数的形式匹配人眼的非线性特点,更有助于理解胶片在与人眼保持感知一致性方面的优势。“关注范围”得以放大,“定向高光”受到压缩,胶片影调值的特性和人的视觉特性高度匹配。几乎可以从中总结出一个哲理:模拟量对模拟量的再现天然符合自然定律。

图4　用线性单位表示的胶片对光线的响应曲线③

图5　以对数单位表示的胶片对光线的响应曲线④

借助于这条响应曲线,影视工业流程逐渐确定了创作的规范,摄影部门在拍摄时要先进行定光的工作。即先确定光圈值,记作N,在影调结构中数值是0.0Stops(0档)。以此位置为基准设定场景标准中灰的亮度,然后通过照明手段,使各要素成像后的亮度按照创作需要合理分布在特性曲线上,见图6。

图6　柯达(KODAK VISION3 Color Negative Film)胶片的特性曲线

N点(0点)称为曝光点或定光点,摄影曝光控制的中心工作就是围绕N点,把灯光照明和所使用的摄影胶片特性精密结合,有目的的取舍,以最高的影像质量满足“故事”的讲述对形式的内在需求。

定光点上3档到4档是基准白,再往上3档留给超白。定光点下5档留给大部分中间调和所有暗部。遗憾的是,商用的彩色负片宽容度“定格”在了12档。相比人眼的16.7档,只占不到十六分之一。而现在的数字摄影机通过改造传感器自身的直线性特性,以对数的方式已经能够实现15+档的宽容度。随着显示技术的突破,很快便能匹配与人眼的感知一致性,在还原真实世界的道路上更进一步。

四、沉浸体验式“真”影像

作为数字影像的始作俑者和胶片帝国的“掘墓人”,柯达在上个世纪90年代开启了数字中间片的大门,开发了胶片数字化的Cineon规范。把传感器的直线性数字化改为对数数字化,将胶片的全动态范围看做大约10档,后来经过改良的Cineon10比特标准实际上提供了稍大于11档的范围。Cineon功不可没,它孕育了当前最流行的影像数字编码范式。2010年开始,在它的基础上数字摄影机迅速崛起,仅仅两年后柯达宣布破产。通过提升传感器材料性能,借助对数曲线,数字摄影机已经达到了15+档的宽容度(少数厂商宣称已经超过了16档),拍摄已经基本实现HDR。后期流程中ACES⑤用25档的宽容度,16比特半浮点运算,在整个框架规范上也已经实现HDR。

影像记录领域的一切努力都是为了一个目标,那就是更逼真的再现我们赖以生存的世界。HDR近在咫尺,数字影像不应该仅仅以“胶片感”为目标,充当胶片的替代品,而是应该全方位应用HDR,成为沉浸式逼真影像的创造者。

HDR是首先应用于数字照相机中的技术。数字动态影像虽然也用HDR这种表述,实际上却不是一回事。照相机的HDR是同时拍摄两张或多张照片,采用包围式曝光,然后再合成。虽然RED开发了自己特有的X帧技术,但严格讲动态影像并不适用这种包围式的方法,因为时域上的错位会造成重影和模糊。现在的数字摄影机HDR技术的核心是提高传感器件性能,扩展其宽容度,达到15+档甚至16+档的动态范围,填满人眼的视阈界限。目前这个技术在数字摄影机上已经基本实现。

既然前期拍摄能实现HDR,那么就要毫不吝惜的使用16BitRAW或是对数特性的Log,并在拍摄时区分明视觉和暗视觉。在明视觉环境下(以晴天阳光照射为例),不过分追求300nits以下的暗部细节,重点要集中在7000nits上下部分的表现,兼顾30000nits的层次。用Log模式拍摄时,要针对不同的Log进行测试,掌握不同厂商的对数编码在影调关系上表达重点的诉求差异,给主要被摄对象分配更多的码率资源,以丰富这一部分的影调层次。

当宽容度不够时,胶片时期的创作首先考虑的是取舍。第一,以人物或其他拍摄对象的正确曝光作为定光点,以此为中心舍弃不能记录的高光或暗部,见图7。第二,以高光处作为感光材料的曝光上限,然后根据感光材料的宽容度计算,推导出这场戏的定光点。实拍时被摄主体的亮度如果不能满足定光点的曝光量,用人工布光的方式补光。如果超出了定光点的要求,则要通过挡光的方式减光,达到理想的影调关系,见图8。

图7　胶片摄影对影调的取舍⑥

图8　影片《出租车司机》办公室实景

HDR和胶片的创作理念整体上一致,只是因为其接近人眼的大宽容度,被胶片肩部压缩的高光在HDR中能够得到比较充分的展开,影调控制的具体参数上还是存在不小差异的。

第一,数字摄影机多出来的2-4档的宽容度,意味着4倍甚至16倍于胶片的光比,更为丰富的高光表现的一定是HDR影像的特质。这里的高光和胶片时代有了根本的不同,胶片依靠它非常有弹性的肩部的确能够记录更亮的部分,但是在影调上却极大压缩了层次关系。通过后期配光也无法完全展开,能展开的部分亦缺少层次。所以HDR在创作中一定是以丰富的高光层次为诉求,见图9。

图9　非HDR图像的动态范围和HDR的

第二,定光点要准确,不能过分依赖后期调整。高光点的位置从定光点以上不再是4档,而是6档甚至7档。既然有这么大的余地,可否放松对曝光控制的要求,通过后期调整加以弥补？答案当然是否定的。创作从来都是一件严肃的事情,“前期不够后期补”从来都不是正确的选择。当然,前期有拿捏不准的情况,为了给后期留足余地,需要考虑用高比特的RAW格式拍摄。余地有多大？这取决于究竟有多少冗余码值供我们使用,实践表明RAW多一些,而Log只有1-2档。

第三,影调控制要精准。由于不同摄影机传感器感光度、宽容度、工作空间特性的不同,在记录同一场景时会产生不同的影调结构。了解了不同摄影机以及不同工作空间模式的影调传递特性,自然场景和人工照明场景的影调结构和最终呈现的关系就会变得非常明确。在此基础上,总结100多年来影视创作在影调结构设计中的经验,结合摄影机不同的工作空间特性,调整用光量和光比,能够精确控制画面创作中的影调结构和预判最终的画面效果呈现。

当然要想全面实现HDR,还需要在终端显示技术上突破。观众家庭普通的液晶电视机的亮度在200-400尼特,对比度1000∶1,和人眼能看到的10万比1的自然界亮度比相比,简直是“茶壶里煮饺子”(王亚明语)。电影院放映设备的亮度更低,一般为48尼特,借助于全黑的观看环境,对比度也能达到1000∶1。杜比vision利用激光技术把放映机的亮度提高到了106尼特,大大提高了影像的观感,效果震撼。超高亮度的显示屏也已经被研发出来,最高可以达到4000尼特。SONY的OLED技术虽然最高亮度只有1000尼特,但是自发光材料的特性可以得到亮度极低的“黑”,官方给出的数据是对比度1000000∶1,甚是惊人。

五、结语:为造型语言创造了一种新的美的形式

数字化是影像记录领域最伟大的革命,它正带领我们走入两个截然不同的世界。一个是基于计算机的虚拟仿真,也就是VR。另一个是更加逼真的再现人眼看到的现实世界,即HDR。VR正在起步,大家对它的巨大潜能充满好奇,但在具体应用中还存在许多未知数。而HDR正相反,借助人类一百多年的研究实践成果和材料科学的不断突破,这项伟大的创造在技术层面已经尘埃落定,在创作中正在结出硕果。优秀的HDR画面,在表现自然场景时层次丰富、细节突出。以人物为表现主体时有更强烈的质感,情绪传递更加准确到位。可以说HDR是影视艺术创作价值评判的技术实现,是对光影关系的重新定义。HDR还意味着在“逼真”呈现的初始要义之外,现有的技术手段对光影的重塑能力被大大增强了,它为造型语言创造了一种新的美的形式。

HDR使人类第一次有能力完美的复制大自然的光影关系。如果说之前的影视艺术模拟人的感知,观众被动接受,那么HDR则是用沉浸式参与,激励观众进入积极主动的审美接受状态。从感知到沉浸,获得更高层次的审美体验,这应该是HDR创作应用的终极追求。

注释:

①高动态范围图像(High-Dynamic Range,简称HDR),相比普通的图像,可以提供更多的动态范围和图像细节,根据不同的曝光时间的LDR(Low-Dynamic Range)图像,利用每个曝光时间相对应最佳细节的LDR图像来合成最终HDR图像,能够更好的反映出真实环境中的视觉效果。

②Cineon系统是一个突破性的基于计算机的数字电影系统,上世纪90年代由柯达创建。它由胶片扫描仪、胶片记录仪和工作站组成(硬件和软件),合称为Cineon 数字电影工作站,用于合成、特效、影像复原和色彩管理。Cineon系统项目还负责设计数字电影的画面处理,也即是著名的Cineon10,它是一个10比特对数格式,一经推出统治电影视效领域十余年,并成为SMPTE数字图像交换格式DPX的基础框架。

③④Steve Wright.DigitalCompositingforFilmandVideo.Focal Press.2010.p.315,p.318.

⑤ACES是Academy Color Encoding Specification(学院色彩编码规范)的缩写,是由AMPAS(美国电影艺术与科学学院)制定的色彩管理标准,其目的是通过在视频制作工作流程中,采用一个标准化色彩空间来简化复杂的色彩管理工作流程,提高效率。

⑥⑦何清:《电影摄影照明技巧教程》,世界图书出版公司2012年版,第246、189页。

(作者张宁系中国传媒大学继续教育学部讲师；毕根辉系中国传媒大学继续教育学部教授)

【责任编辑:刘俊】