數(shù)字色彩管理與膠片電影的演變關(guān)系

戰(zhàn)冰

現(xiàn)階段，膠片介質(zhì)只用于拍攝和放映，而整個后期制作部分都已數(shù)字化，兩種介質(zhì)的互相轉(zhuǎn)換帶來了很多的問題，行業(yè)一直致力于解決這些問題，以確保導(dǎo)演的畫面能正確放映到大屏幕上。 行業(yè)努力的目標(biāo)很簡單：控制住數(shù)據(jù)大小和處理時間，避免圖像色彩偏移或質(zhì)量下降，同時推動電影制作技術(shù)的發(fā)展，從而制作出更多有吸引力、能感染觀眾的畫面。色彩管理是一個很大的話題，8比特文件到場景線性相關(guān)浮點文件（scene linear referred floating point file）的轉(zhuǎn)換。 摩爾定律提及的計算能力的提升與存儲介質(zhì)價格的下降帶來了行業(yè)發(fā)展的契機(jī)。 曾經(jīng)10比特文件看起來很大，需要存成32位（RGB x 10比特 + 2個占位比特）文件，它的存儲空間比存成24位（RGB x 8比特）的8比特文件增加了40%，但在消耗的計算時間方面，電影制作流程相比數(shù)字視頻制作流程更為夸張，位深越大，計算時間越長。不過在今天看來即使是64位文件都很合理，它能攜帶多個通道、遮罩和烘焙圖在制作流程中流竄，大家已經(jīng)對16比特半浮點的OpenEXR文件習(xí)以為常。

但DPX或OpenEXR文件只是容器載體。 色彩空間，伽瑪和相關(guān)的數(shù)學(xué)方法才是我們解釋世界的方式，它們也一直在發(fā)展演變。 Digital Domain曾組織過一批一線導(dǎo)演進(jìn)行內(nèi)部放映，看他們能否分辨出8比特電影流程（早期計算機(jī)性能差，還只能用8比特TIFF文件存儲膠片掃描數(shù)據(jù)）中的鏡頭和全10比特對數(shù)電影流程（等價12比特線性流程）中的鏡頭。然而當(dāng)一組相同的鏡頭放映出來時，只有一位導(dǎo)演分辨出不同，可見10比特并沒有比8比特提高多少畫質(zhì)。 既然如此，為什么這個行業(yè)還要自找麻煩，不斷地追求更大、更復(fù)雜的文件格式呢！因為我們需要這些新的文件能滿足新的需求。的確，來自膠片掃描數(shù)據(jù)的8比特文件與膠片原片對比確實看不出特別明顯的差別，但那個時代也不需要我們在這些序列上做太多的特效處理。

在九十年代早期，Discreet公司率先發(fā)布了Flame軟件，它是數(shù)字電影合成的先驅(qū)，也是那個時代在后期制作環(huán)節(jié)更精細(xì)分工的一個體現(xiàn)，那個時期許多電影流程都用LUTs把10比特Cineon膠片掃描文件轉(zhuǎn)換成8比特的“線性”文件。LUTs是不可逆的（文章此處說的不可逆指的是10比特到8比特的過程數(shù)據(jù)有損失，其實LUTs的轉(zhuǎn)換是可逆的），它會從膠片更大的色彩范圍中采樣出恰好8比特，并從Cineon印片機(jī)密度（Cineon Printer Density，簡單來講就是DPX文件的分辨率和色域。在這里密度不僅體現(xiàn)在掃描分辨率上，還體現(xiàn)在色域解析能力上，詳細(xì)請參考論文：Grayscale Transformations of Cineon Digital Film Datafor Display， Conversion， and Film Recording）的色彩空間轉(zhuǎn)換到數(shù)字視頻的色彩空間，以便制作電影特效。

早期膠片和數(shù)字格式之間的隔閡比現(xiàn)在大的多。數(shù)字格式為了在電視或者電腦上播放，都有g(shù)amma校正的過程，但因為“線性”這個詞看起來和Cineon文件的“l(fā)og”編碼方式（柯達(dá)通過這種編碼方式把12位數(shù)據(jù)壓縮進(jìn)更小的10位的Cineon文件）相對應(yīng)，所以數(shù)字格式的色彩又被很多人稱為線性色彩。行業(yè)里有不少爭論就是從這種術(shù)語和概念的混淆開始的，比如文件格式、比特深度、gamma、膠片與數(shù)字視頻、真正的線性與gamma校正等，這些爭論持續(xù)至今。

實際上，過去許多高質(zhì)量數(shù)字視頻都采用膠片拍攝，并且通過電視電影機(jī)實時轉(zhuǎn)換過來。這些電視電影機(jī)早期有Cintel膠片記錄儀，后期有Spirit DataCine膠轉(zhuǎn)磁設(shè)備。但要談電視電影機(jī)的歷史還得回到John Logie Baird和電視廣播的誕生。

與Arriscan這樣的膠片掃描設(shè)備不同，電視電影機(jī)主要用來把膠片轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻格式。而Arriscan膠片掃描設(shè)備則是為保護(hù)肉眼可見的膠片密度和復(fù)雜度而開發(fā)的，簡而言之就是為了保真而開發(fā)的，最終掃描出的數(shù)據(jù)（Cineon文件）還要通過Arrilaser數(shù)字膠片記錄設(shè)備記錄回新的膠片拷貝。

在有計算機(jī)操作系統(tǒng)的時候，膠片格式恰好就出現(xiàn)了，Cineon的生命從這里開始。Cineon被設(shè)計成一個全流程的數(shù)字膠片計算處理系統(tǒng)，它包括膠片掃描硬件和膠片記錄硬件。Kodak也正是為了數(shù)字中間片的制作而設(shè)計Cineon的。它包括掃描設(shè)備，磁帶機(jī)，帶數(shù)字合成軟件的工作站，和膠片記錄設(shè)備。這個系統(tǒng)于1993年首次發(fā)布，1997年結(jié)束使用。

柯達(dá)的工程團(tuán)隊宣稱全尺寸的膠片能用數(shù)字的方式錄制并存儲到一種10比特的log文件格式中，作為這個系統(tǒng)的一部分，這種文件格式與整個處理系統(tǒng)同名，也被稱為Cineon（后綴為.cin）。重點是，這是一種中間格式，它被設(shè)計作為膠片之間的橋梁，它不是為CGI設(shè)計的，也不是最終的數(shù)字交付格式。它用來表示印片密度（printing density），即印片環(huán)節(jié)對膠片的分辨密度。Cineon文件作為膠片工序的一部分，它能確保無論從負(fù)片上掃描出什么數(shù)值，之后都能通過膠片記錄設(shè)備轉(zhuǎn)回膠片。它是為了保留原始負(fù)片的性質(zhì)諸如色彩分量串?dāng)_、伽馬而設(shè)計的，理解這一點非常重要。

與數(shù)字傳感器不同，色光要到達(dá)記錄其特定顏色的感光層，需要先穿過膠片中的其他感光層。藍(lán)色光會被膠片的藍(lán)色感光層所記錄，但在此之前它需要穿透其他的感光層，包括綠色和紅色感光層。這就涉及到膠片的一些關(guān)鍵特性。比如串?dāng)_或者RGB三色的互混特性，這種特性比在CMOS傳感器上要嚴(yán)重的多，CMOS有互相獨立的藍(lán)綠紅感光元件，而膠片某層的感光效果卻會受其他層影響。當(dāng)然CMOS也有自己的問題，之后會解釋。

從膠片到數(shù)字格式的轉(zhuǎn)換通常會涉及黑點（black point）、白點（white point）的概念。舉個例子，純白色（白點）在數(shù)字格式中相當(dāng)于所有通道完全曝光，用8比特表示就是[256，256，256]，但在膠片上看則更接近白色啞光紙的那種白色。膠片所記錄的真實亮度往往更高，比如汽車的閃光。如果這個超大的白光數(shù)值在轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式時被當(dāng)作純白色處理，膠片的寬容度就會導(dǎo)致為了把這些特別亮的白光涵蓋進(jìn)來，所有實際上正常的曝光都會被壓的很暗，最終圖像也會顯得很暗。這也反映了一個現(xiàn)象，雖然客觀上光線是均勻的，但事實上作為人類我們是使用非線的方式來理解真實的線性自然光的。舉個例子，如果給你看一個從黑到白的漸變圖，大部分非專業(yè)人士都會選擇18%灰度作為中灰色。

膠片到數(shù)字格式文件的常見轉(zhuǎn)換點是0-1023范圍里的95和685。大于685的像素值就會視作比白點亮，比如鍍鉻上的亮斑或明亮的高光;低于95的像素值則表示為負(fù)值的黑色，實際上這些像素數(shù)值能下降到20或30。如你所見，在今天Cineon格式依然還在廣泛使用，Cineon在電影特效和制作的發(fā)展中取得了巨大成功并具有極其重要的意義。但Cineon作為文件格式還是會有一些限制，于是在90年代DPX文件格式被開發(fā)出來。它可以被視作是Cineon文件的容器載體，在DPX文件里經(jīng)常能看到Cineon數(shù)據(jù)的身影。DPX或稱為數(shù)字圖像交換格式（Digital Picture Exchange），遵循ANSI/SMPTE 標(biāo)準(zhǔn) （268M-2003），是現(xiàn)今后期制作和視效工作中最為普遍的文件格式。

最初的DPX文件格式隨著時間推移得到了改進(jìn)，最新的2.0版本在2011年前后由SMPTE以ANSI/SMPTE 268M-2003標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。由于文件格式的核心通常都是原汁原味的Cineon文件風(fēng)格，DPX太過于表現(xiàn)被掃描的負(fù)片中每個顏色通道的密度了，同時這種由膠片掃描設(shè)備掃描得到的，采用無壓縮“對數(shù)”編碼的圖像也保留了原始膠片的gamma信息。DPX文件通常用來調(diào)光，但最新的DPX格式也允許攜帶一定數(shù)量的元數(shù)據(jù)（metadata）在相同的文件中傳遞。

色彩管理和色彩工作流已經(jīng)發(fā)展了多年。從Cineon開始，到場景相關(guān)（Scene Referred）的線性O(shè)penEXR格式。Cineon支撐了這個行業(yè)18年，為了能在視效流程中完美匹配實拍和CGI，我們需要知道我們工作軟硬件所處的色彩空間。 若你不能復(fù)現(xiàn)電影圖像的色彩空間，那你就很難生成色調(diào)一致的CGI圖像并與電影圖像無縫合成。如果不知道實拍鏡頭在色彩空間的表示方法和位置，你就無法在計算機(jī)中生成與實拍鏡頭一樣的畫面，你也不可能合成CGI鏡頭和實拍鏡頭。