曝光控制中的传统与革新

张宁

4.数字摄影时代的曝光控制

经常听到摄影师的牢骚：“什么机器也比不上人的眼睛！”确实，从理论上讲目前还没有哪种设备或者哪种算法能够还原人眼所能看到的一切。这里的还原主要是指影像记录材料对影调再现的能力。

景物的亮度范围有大有小，被摄体的明暗光亮比，受光源的强弱与反射状态的影响，变化非常复杂。由于人眼对这种变化有较强的适应能力，即使在明暗光亮比很大的情况下，也能看清景物。如在夏季晴天，中午地面上接受的照度可达10万勒克斯，而夜晚满月时景物接受的照度只有大约0.3勒克斯，其变化范围高达33.3万倍。在这么大的范围内人眼都能看清物体，而感光材料和数字摄影机的感光单元（CCD或CMOS），能够按比例正确记录的景物亮度范围却有了一定的限度。

为了“弥补”这种限度，传统感光材料和数字摄影机的感光单元都采取了相应的策略。胶片通过改进感光乳剂的“配方”来提高宽容度，感光单元则通过处理电路施加伽马（Gamma）控制提高动态范围。记录材料的本质区别决定了两者在曝光控制方面的思路存在巨大差异。

4.1胶片的曝光控制

先来看胶片，虽然日渐式微，但却是解决目前数字摄影曝光控制难题的一把钥匙，不可不察。一般在创作中保守的估算黑白和彩色胶片的宽容度为128：1，也就是说胶片能按正比例记录景物亮度范围的能力是7级（可以理解为7档光圈或者7EV）。用有限的宽容度记录上万倍的反差，取舍是关键。如图43，从镜面高光到纯黑，被摄体的亮度范围非常大。经过光学镜头后中间调和高光几乎没有衰减。受到镜头镜片组之间2%眩光的影响，暗调子被压缩。以反光率18%的中灰板测光、曝光，经过恰当的显影（显影的反差指数为0.56），底片扩展了记录的范围，密度等倍于宽容度9档。这里等倍9档的概念是指底片记录下了被摄体影调的9级亮度范围，但是呈现在底片上，这9级亮度被压缩进不到6档的密度空间，18%中灰的位置非常靠近整个影调的中部。

在胶片的曝光控制中，18%灰是关键，它是自然景物的平均反光系数。黄种人皮肤的平均反光系数是23%，白种人是30%。在这个曝光基准点之上保留3档，之下保留4档，最符合人眼的自然观感，最大限度的保留了影像的层次细节。换个说法，是人眼最希望看到的层次细节。这也是经典的上三下四经典胶片曝光控制理论的由来。

值得注意的是，18%的灰又经常被称作中灰，而不是数学计算中的50%灰。反光率和灰度是两个概念，反光率18%的灰呈现在胶片上，恰好位于影调的中间。计算机的图形处理中，50%的灰度和反光率18%的灰板的確具有相同的影调值。还有一点也要格外注意，就是对图43的理解，18%灰板基线上下的档位并不相等，为什么说它是在影调值的中点？答案在于暗部影调的档位对应的是被摄体的亮度范围，胶片曝光时的确记录下了这些档位，但是已经被极大地压缩了。前文对等倍9档的解释也是这个意思。

4.2数字摄影机的特性

再来看数字摄影机。电视最早是以直播的形式传输电视节目，记录的介质只有胶片。上个世纪70年代，摄像机开始大量用于电视广播。摄像机的生产厂商首先面临一个技术问题，即电视机对亮度信号的处理并非线性的问题16。由于之前的电视对亮度信号的处理并不是线性的方式，所以要么大规模改造电视设备，要么在摄像机中加入相反曲线的处理，这样才能让人眼的观感和电视机的显示匹配一致。显然后者更具有操作性，摄像机采用了和电视机相反的曲线来处理亮度信号。把摄像机的曲线和电视机的曲线合并在一起就形成了一个伽马的形状，故而称之为伽马曲线。（图44、45）

经过伽马校正，还原了景物亮度的线性关系，最终输出的画面效果与我们眼睛看到的接近一致，从而真实地还原景物的明暗层次。（图46）

细心的读者可能已经注意到了前面关于数字摄影机和摄像机的提法，一字之差却划分了技术发展的两个时代：标清时代和高清（包括超高清）时代。

第一阶段：标清时代的DCC控制

标清电视时代，DCC（Dynamic Contrast Control）动态对比度控制是控制曝光的核心技术。当时大部分广播级摄像机都采用电荷耦合单元CCD作为感光单元，作为一种光电转换的器件，CCD的动态范围远远超过了摄像机电路系统的动态范围17。高端的数字标清摄像机的电路系统的动态范围能达到约6级光圈，换算成景物亮度比是1：60。而2/3英寸CCD的动态范围是电路系统的6倍18，即600%，为了把CCD的性能最大化，借助于伽马曲线，厂商研发出了动态对比度控制的算法。

动态对比度控制的实质是拐点（Knee Point）控制，图47是拐点控制原理示意图。当入射光线的强度接近动态范围的上限时，摄像机输出信号的大小将不再以原来的伽马值随入射光线的强度成比例变化，而是斜率突然变小，这样在输出信号电平达到最大值前，将能记录更强的光线，从而明显地拓宽了摄像机的感光动态范围。当然在拐点后伽马值发生了改变，除了通过菜单手动的设置拐点的具体位置和拐点以后的曲线斜率，后期的标清广播级摄像机还提供自动拐点控制曲线。像图48索尼DSR-600PL/650WSPL、DVCAM摄像机通过分析某个场景的高光区域，系统自动地设置多个不同的拐点和斜率，以防止光比过大的场景中（如一束强烈的阳光照射进昏暗的室内）出现高亮部分曝光过度的现象，从而实现了具有一定智能特点的“自适应高光控制”功能。

这种智能化防过曝自动拐点控制功能即所谓的动态对比度控制DCC。DCC功能特别适合于拍摄强光环境下处于阴影中或室内背靠窗户的人物及其他光比很大的景物，通过抑制高光强度，可防止图像的高光区域出现“死白”现象，并能使强光照区域具有一定的影调层次和图像细节。

在DCC的帮助下，摄像机的动态范围增加到了8档光圈。这个范围虽然非常接近印片用胶片的寬容度，但并没有给电视画面带来所谓的“胶片感”。对比拐点控制曲线和胶片的特性曲线不难发现，拐点只是针对图像高光部分的压缩，并不会增加暗部和中间调的层次。而且过度的拐点控制会导致高光部分发闷，缺少必要的对比。标清时代的摄像机依然呈现出图像层次少，局部反差过大的缺陷。

这种智能化防过曝自动拐点控制功能即所谓的动态对比度控制DCC。DCC功能特别适合于拍摄强光环境下处于阴影中或室内背靠窗户的人物及其他光比很大的景物，通过抑制高光强度，可防止图像的高光区域出现“死白”现象，并能使强光照区域具有一定的影调层次和图像细节。

在DCC的帮助下，摄像机的动态范围增加到了8档光圈。这个范围虽然非常接近印片用胶片的宽容度，但并没有给电视画面带来所谓的“胶片感”。对比拐点控制曲线和胶片的特性曲线不难发现，拐点只是针对图像高光部分的压缩，并不会增加暗部和中间调的层次。而且过度的拐点控制会导致高光部分发闷，缺少必要的对比。标清时代的摄像机依然呈现出图像层次少，局部反差过大的缺陷。

标清时代的曝光控制和胶片的曝光控制存在巨大差异，电视摄像师基本不用曝光表。由于灵敏度差异，即使同一厂商的不同机型在拍摄同一场景时曝光参数也都不相同。曝光控制基本靠摄像师的个人经验直接通过取景器监看图像进行判断（时常借助斑马纹）。电视剧或者大型节目的录制时，技术工程师会通过专业的示波器测量亮度指标。

第二阶段：数字摄影机的电影伽马曲线

技术发展到本世纪初，广播级数字摄像机的字眼逐渐被高清摄像机、数字摄影机取代。高清时代，厂商的目标直奔“胶片感”而来，其扩张、吞并胶片的野心“路人皆知”。事实证明，他们成功了。在这场“数字革命”中，索尼HDW-F900R高清摄像机功不可没，许多大电影用它拍摄，像乔治·卢卡斯的《星球大战前传2》和雅克·贝汉的《海洋》等，它的贡献在于其创造了一类更加接近胶片特性曲线的伽马曲线。

图50是官方公布的HDW-F900R的伽马曲线，曲线上任一点的切线斜率，即伽马值，不再是定数，而是随光照强度的变化而变化。通过调整伽马曲线的形状，摄像机可以产生高反差硬调画面、低反差软调画面，以及模仿胶片感光特性的电影风格画面等。索尼HDW-F900R高清摄像机的四条预置伽马曲线，每条曲线对应一种伽马模式，即对应一种画面风格。Gamma1和Gamma3的初始部分比较陡峭（伽马值大），意味着人为地提高了感光灵敏度，所以在低照度场景下拍摄，有利于黑暗区域得到更好的细节再现和色彩还原。而Gamma2和Gamma4适合从低亮度到高对比度的拍摄环境。

2010年，作为阿莱公司进入数字摄影领域之后的重要产品，ARRI Alexa的出现彻底改写了胶片影坛霸主的格局。它是一款35mm胶片风格的数字摄影机，所谓胶片风格关键在于Log-C。Log-C里面的字母“C”代表的是“Cineon”。“Cineon”是上世纪九十年代柯达公司开发的胶片数码扫描、处理和记录系统，同时也是一种文件格式的名称，包含了扫描负片的密度数据。密度是胶片感光特性的对数测量标准，密度与以对数单位测量的胶片曝光度的关系被称为胶片的特性曲线。每一种胶片都有它自己的特性曲线，但整体看来曲线变化的规律是一致的。对于Alexa和D-21而言，阿莱推出的Log编码方式与扫描负片的密度数据相似，因此它被称为“Log-C”。在现在的电视系统中直接监看，在未经任何处理时Log-C是灰的，画面非常平，但是却为后期提供了极大的灵活性20。（图51）

2012，柯达破产，数字电影摄影机一统天下已成定局。厂商全部跟进Log格式，佳能的C系列用C-Log，Sony F系列用S-Log，BMD系列用Film，虽有差异，但思路相同。

用电影对数伽马取代电视伽马的最大好处是影调细节能和胶片相媲美，甚至超越胶片。图52中的电影伽马的特点是暗部斜率最大，对应输出电平范围也最大，记录景物的层次细节也最丰富。针对这一部分，电路系统分配的记录比特数也最多，达到了14比特和12比特。结合人眼视觉的对数特性，以及人眼对暗部细节最敏感，这种数据分配更合理。

对数伽马极大扩展了数字设备的动态范围，但同时也使的曝光控制变得非常复杂。胶片时代只要掌握了特定胶片型号的特性曲线，通过洗印试片摄影师就能非常自信的调整曝光。因为特性曲线的特性都是相似的，层次最丰富的直线部分是成比例变化的，百余年来从拍摄到冲印形成了一整套可控的体系，结果是可预测的。而数字摄影机的感光特性曲线还是一个新生事物，远没有形成成熟的工业流程规范。由于Log自身的特点，再加上没有配套的监看和技术指标测量设备，曝光控制既不能沿用标清时代的做法，也不能照搬胶片的上三下四。

从图53彩色负片与对数伽马感光特性的曲线对比来看，本文开篇介绍的胶片的技术规范显然不适用于Log模式，以18%的灰板作为曝光的基点势必会导致中间调和暗部曝光不足。那么如何才能进行精确的曝光控制？要科学的回答这个问题，必须清楚胶片和数字摄影机的区别。（未完待续）

16.“伽马是灰度特性，在电子成像技术中就是光电转换特性。显像管的光电转换特性并不是直线而是非线性的指数特性，也就是反对数特性，而成像器件的光电转换特性是直线性的。为了补偿显像管的非线性指数特性，必须在摄像机内对输出信号进行与指数特性相反的对数变换，才能在显像管上显示出正常对比度和彩色的图像，这就是电视伽马。因此，电视伽马的初始来源是显像管的反对数（指数）原生特性。”——索尼中国专业系统集团技术总监 王亚明

17. 动态范围：类似于胶片的宽容度，是指摄像机能够正常成像时所对应的入射光线最大照度和最小照度的比值。低于最小照度，画面呈现全黑，高于最大照度，画面呈现全白。

18. 当前的超35毫米CMOS已经达到了800%。

19. 通常摄像机都会保留一定的动态范围余量，比如标称动态范围上限为100%，那么最大可以达到110% ，超过110 % 的部分，摄像机将通过白电平切割的方式使画面的高亮部分呈现为全白状态。

20. 灵活性的代价是工业流程变得比以前复杂了。用Log模式拍摄的素材，如果用普通的监视器上监看，无法判断画面的曝光和反差。