数字电影摄影中基于画面的曝光分析方法研究

朱云峰 吴方强 穆德远 雷载兴

（北京电影学院摄影系，北京100088）

1 研究背景

图1 数字电影曝光设计图

当前，电影拍摄领域已经完成胶片摄影机到数字电影摄影机的转型。数字摄影机在感光及曝光控制方面与胶片摄影机有区别也有联系，但传统摄影师积累的大量曝光控制的经验并未被数字摄影机厂商沿袭并加以参照。

如图1 所示，传统胶片摄影中，拍摄画面前，摄影师会对场景的曝光进行设计，事后标记在画面中。虽然数字摄影机为摄影师提供了更为直观的画面显示及质量评判依据，但是由于电影摄影对于画面曝光等技术参数有着非常严格精确的要求，仅仅对于画面的主观判断手段还是有局限性的，且该主观经验在不同电影摄影机上不能统一。

目前电影摄影师控制画面曝光及光线的方式主要有三种方式，一种是直接查看监视器主观画面，一种是采用测光表进行布光控制，另外是基于示波器的波形分析。但手段的增多并没有降低曝光控制的难度，而是增加了很多不确定知识，例如监视器直观易用，但标准的执行不统一且缺少辅助定量分析。测光表客观，也能进行定量分析，但缺少和主观画面的对应，示波器有客观数据和主观画面，但执行的标准与不同的摄影机厂商不同，不同的画面色彩模式下，曝光数据很难统一。上述问题的主要原因是，画面数字化后有了更多直观的曝光控制方式，但基于数字的方式又和每一个摄影机的每一个色域及伽马曲线设计相关，而不同的摄影机厂商又使用不同的曲线设计，这使得测光表与数字画面的对应没有统一的标准，摄影师需要自己建立测光表与数字指标及直观画面的对照经验，如何采用直观简洁的方式建立一个统一的曝光参数对照就显得非常重要。这将对数字摄影技术条件下传承胶片曝光技术及创作经验起到积极的促进作用。

目前该方面的学术研究资料较少，但关于这方面的应用探讨是行业热点。一方面是因为行业特点决定，行业有其特殊技术需求，研究需要跨学科、跨领域的知识背景，目前影视摄影中能够提供核心技术的公司和研究机构基本都是国外公司，且设备成本极其昂贵，国内公司介入门槛较高。另外，行业以应用为主要目标，因此，从事科学研究的较少，目前可参考的资料主要来自厂商资料及实验验证。

2 曝光分析系统功能设计方案

本文所研究的曝光分析系统，其设计的目的是在数字电影拍摄阶段，通过实时采集摄影机画面并进行定量分析，为影视摄影师提供精确的曝光及画面色彩方面数据参考。该研究将目前的基于数字的曝光控制方式与传统的基于胶片的曝光方式进行理论上的统一，在理论指导下开发了数字电影摄影机画面曝光及色彩分析系统，对目前主流的数字电影摄影机的不同色彩模式下的输出画面进行分析，提供统一的曝光控制定量参考数据。该系统的设计沿袭了影视摄影师从胶片阶段建立的工作习惯和分析读解画面的技术体系，为摄影师进行数字电影前期拍摄提供便利。

图2 系统整体工作流程

图3 曝光分析示意图 （相对光比、18%参考曝光、假色模式）

图2为该系统所设计的整体工作流程，其中，画面曝光分析主要包括3部分内容：一是加载用户指定的摄影机元数据参数组，包括摄影机类型、当前拍摄所设定的感光度、伽马、色域、信号范围（legal或data range等重要参数组）；二是将画面RGB数据进行伽马线性化转化；三是基于参考点（如18%灰）计算画面中指定位置的相对曝光值（以档为单位）。曝光分析中，除了以18%灰作为曝光参考点的相对曝光分析，还有画面中一对位置的光比分析，针对不同色彩模式的假色分析等多种画面曝光分析方式，如图3所示。

3 基于画面的曝光分析核心方法

图4为典型的LogC 曲线图，当横坐标以曝光档位来度量时，数字视频信号值或数字文件记录的数值与曝光亮度的对数之间的对应关系呈现为线性关系，这条线在10档左右的范围内呈现线性 （注意和数字上光电的线性转化的线性不是同一概念）。另外可以看到曲线左下方存在趾部 （左下方很短的非线性区域），趾部出现的原因是数字感光芯片无法在暗部做到和亮部区域一致的均匀量化。这条曲线整体上与胶片的感光曲线相似。另外这条曲线也不是从强度值0开始，这是为了与胶片转数字的处理兼容，因为胶片转数字后纯的黑会被编码在数值95处（10bit时），百分比约为9%。

图4 LogC曲线示意图

除了上述对数曲线的特点外，LogC 曲线所对应画面的色域定义为广色域 （wide gamut），它的线性部分有9―10档，线性部分的斜率即伽马变化范围为 （0.49―0.54，根据曝光指数不同而变化）。

图5 数字摄影机LogC曲线图

图5显示了不同曝光指数下的LogC 曲线，该图的横坐标是光电转换后的线性信号，而纵坐标为LogC信号的数值。图4与图5的常见Log曲线差别主要是横坐标度量单位，图4中，横坐标以曝光档位为单位，而图5中横坐标为数字感光元器件完成光电转后的线性信号值。不同感光度下，LogC曲线将18%的灰映射到logC 的数值400处 （10bit情况下），也就是39.1%。

LogC曲线设计公式如下，公式 （1）：

其中x为数字感光器件光电转换后，电信号经过A/D 转换后的线性信号数值；参数有a，b，c，d，e，f，cut，分别与不同感光指数有关，不同感光度下的参数值可在阿莱官方网站查阅。有了LogC曲线的设计函数，我们可以反向得到LogC 曲线转换为线性曲线的公式，公式 （2）：

公式中f为LogC信号数值或LogC视频文件的数值。通过实时采集摄影机的LogC 信号输出或打开已记录的LogC mov文件可以得到LogC 的数值f，由于彩色画面有RGB 三个通道，因此f此处代表任何一个通道的强度数值。LogC 信号转化为线性信号后，该线性数值还是属于广色域 （wide gamut）下，因此还需要将其转换至CIE XYZ标准色域下，进而通过单独的亮度信号Y 进行曝光分析。其具体计算操作如下：首先通过 WIDE GAMUT 转CIE XYZ的3×3转换矩阵将广色域的下线性RGB数值进行转换，得到XYZ标准化数值，进而使用Y通道分析曝光。

在线性XYZ情况下，通过计算手动点选的画面中的任意一点与18%灰参照数值 （也就是与LogC RGB数值为400的参考值）进行比较，即可计算出相对于18%的曝光值，该计算公式为：

基于公式 （3）就可以得到画面中任一点相对18%灰的相对曝光，把公式中18%灰这个固定参考基准换成画面中任意一点时，同样方法可以得到任意一对位置的光比关系。

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4 LogC与Rec.709模式的关系

图6 LogC画面加载LogC To Rec.709 3D LUT 前后比较画面

如图6所示，一般电影摄影机除了输出Log信号外，还会针对高清电视标准输出Rec.709 信号。对数信号属于基于场景的信号，Rec.709属于基于显示目的的信号。基于场景的对数信号和基于显示的信号之间在曲线上要完成S型曲线转化，另外在色域上要完成从大色域到小色域的色域映射，在这一处理上不同厂商均遵循这一理论原则，但实现方式并无统一标准。以艾丽莎的LogC信号为例 （图7中3号曲线）：

图7 LogC曲线、LogC转Rec.709及逆向转换曲线

图7中2号曲线为LogC 转Rec.709信号的S型曲线，但计算机实现阶段，不是通过曲线进行计算，而是采用色彩查找表 （3D LUT，3D Lookup Table）进行快速查找计算，3D LUT 需要根据不同的感光指数选择不同的LUT 文件，3D LUT 转换前后的信号范围可选extend 范围 （full range）或limited范围 （video range），这需要和输入信号类型相匹配。反过来，2号曲线沿y=x的45度直线进行对称翻转，可以得到Rec.709到LogC 的转换曲线 （图7中1号曲线）。通过计算可知，LogC 画面中，正确曝光对应的灰板亮度所在位置在39.1%，但当采集的信号为Rec.709信号时，正确曝光对应的灰板亮度所对应位置在40%。

5 基于画面的曝光计算实现步骤

基于上述理论分析，本系统设计实现步骤如下：

步骤一：通过视频采集设备获取摄影机实时输出信号，该信号采用YCbCr 10bit编码传输，系统得到YCbCr信号后，通过计算公式将信号转换为10bit RGB信号。计算公式如下：

步骤二：加载摄影机当前拍摄所使用的画面技术指标，包括感光度、伽马、色域、色温、信号范围参数。

步骤三：用户采用2种模式来分析获取曝光数据，一种模式称为18%灰参考模式，一种为光比模式。第一种模式下，曝光值显示为相对于18%灰的相对值。第二种模式将计算中画面中任意2点的亮度比。无论采用哪种模式，2个点之间的相对曝光计算方式都是一样的。

在计算之前，首先要判断目前画面为Log模式还是Rec.709模式，如果是Log模式，则采用公式（2）的方法计算对数到线性的转换，如果是709模式，则采用Rec.709到LogC 的逆向转换内部完成到LogC的数据的转换，进而完成对数到线性的转换。当画面数据转化至线性数据后，通过与画面色域模式相对应的色域转化矩阵将画面转换至CIE XYZ国际标准色彩空间，在该空间下，采用公式（3）来计算2 个点的相对曝光值。需要注意的是，在相对曝光模式情况下，公式 （3）中Y 和Y就会变成用户任意选择的2个点的Y0和Y1值。

步骤四：将相对曝光值显示在画面相应位置，同时在示波器画面上显示用户选择的点。当模式为18%参考模式下，示波器画面还将显示18%的参考线。最终显示结果如图8所示。

图8 以18%灰为基准的曝光分析结果

6 系统设计总结与展望

本文所述内容是以一款典型电影摄影机的对数模式，也就是艾丽莎LogC 模式进行实际分析计算解释，但LogC是对数模式在某一款摄影机上的具体实现，只是一个厂商标准的对数模式。实际应用中，不同的电影摄影机厂商都设计了自己的对数模式，但设计思路均在理论上具有相似性，只是针对不同感光芯片的特点，具体的参数不同。本系统需要根据不同的摄影机类型分别进行不同的对数至线性模式的转换。目前主流电影摄影机厂商对数模式有如下几种：德国艾丽莎的LogC 模式、美国RED摄影机的Red LogFilm 和Red Log3G10 模式，日本索尼的SLog3 模式，本系统能够支持上述对数模式，也将在下一步中支持更多对数模式的摄影机信号接入 （如松下的VLog模式、佳能的CLog模式、大疆D-Log模式等）。