淺析數(shù)字影像處理過程中的色彩溢出現(xiàn)象

(北京電影學(xué)院中國(guó)電影高新技術(shù)研究院，北京 100089)

1 引言

色彩溢出現(xiàn)象一直困擾著數(shù)字影像制作，降低畫面質(zhì)量和影片制作水準(zhǔn)。畫面中存在色彩溢出的區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)色彩失真和細(xì)節(jié)損失。畫面的色彩溢出現(xiàn)象發(fā)生在數(shù)字影像處理的不同階段，色彩信息超出數(shù)字影像記錄范圍是造成畫面色彩溢出的成因。

圖1 拍攝過程中出現(xiàn)的色彩溢出現(xiàn)象①

影視制作中，色彩溢出發(fā)生在前期拍攝和后期制作兩個(gè)階段。本篇文章首先分析前期拍攝和后期制作過程中，數(shù)字影像出現(xiàn)色彩溢出的具體成因，然后總結(jié)現(xiàn)有解決辦法，最后梳理針對(duì)存在色彩溢出畫面的修復(fù)方法。在文章結(jié)尾，我們對(duì)數(shù)字影像處理過程中的色彩溢出現(xiàn)象做出總結(jié)，并對(duì)該現(xiàn)象的未來解決方法做出展望。

圖2 色彩空間轉(zhuǎn)換造成的色彩溢出現(xiàn)象②

2 前期拍攝階段的色彩溢出及解決方案

前期拍攝中，當(dāng)景物色彩信息超出攝影機(jī)感光元器件記錄范圍時(shí)，超出攝影機(jī)記錄范圍的色彩信息會(huì)被裁切，最終在畫面中形成色彩溢出。合理設(shè)置攝影機(jī)曝光參數(shù)，是解決前期拍攝色彩溢出的主要手段之一。

如圖3(a)所示，由于整體畫面曝光設(shè)置問題，畫面中天空的亮度信息超出了攝影機(jī)的記錄范圍，導(dǎo)致畫面中天空藍(lán)色通道的色彩溢出，通過減小曝光量，圖3(b)修正天空的色彩溢出，正確還原天空的顏色。針對(duì)這種由于曝光不正確造成的畫面色彩溢出現(xiàn)象，我們需要在前期拍攝中，保證畫面曝光正常，確保畫面中不存在過曝的區(qū)域。為了保證攝影機(jī)的正確曝光，我們首先需要掌握攝影機(jī)所能記錄的動(dòng)態(tài)范圍和色域范圍，結(jié)合測(cè)光表直方圖等輔助技術(shù)手段，在特殊情況下，使用ND 鏡減小攝影機(jī)進(jìn)光量，最后使用RAW 格式進(jìn)行錄制，最大程度記錄景物的色彩信息。

圖3

隨著數(shù)字?jǐn)z影機(jī)記錄的動(dòng)態(tài)范圍和色域范圍不斷提高，畫面整體曝光過量造成的色彩溢出得到有效避免。然而在使用攝影機(jī)拍攝直接射入鏡頭的光源時(shí)，特別是拍攝LED 光源造成的色彩溢出現(xiàn)象，依然存在。

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體器件。LED 有著節(jié)能、穩(wěn)定、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，可以作為裝飾燈使用。彩色LED發(fā)光是依靠LED 內(nèi)部電子碰撞產(chǎn)生的紫外光激發(fā)二極管中的填充化合物完成的，根據(jù)填充化合物的成分不同，LED 可以發(fā)出不同顏色的光，由于填充合成物不足或純度不夠，導(dǎo)致LED 內(nèi)部無(wú)法完全吸收紫外光線，最終致使紫外光線泄露，這種現(xiàn)象被稱作LED燈具的“藍(lán)光溢出”。在拍攝光線直射入鏡頭的LED光源時(shí)，由于LED 光源亮度信息超出攝影機(jī)記錄范圍，且存在紫外線溢出現(xiàn)象，使得攝影機(jī)無(wú)法完全記錄LED 光源的色彩信息，造成畫面中直射光源的區(qū)域多會(huì)出現(xiàn)藍(lán)色通道的色彩溢出(圖4)。

圖4 LED指示燈藍(lán)色通道色彩溢出④

針對(duì)拍攝直射光源尤其是LED 光源可能出現(xiàn)的色彩溢出的問題，Sony 公司推出了Adaptive Matrix(自適應(yīng)矩陣)功能。數(shù)字影像畫面色彩由紅綠藍(lán)三通道組合而成，通過矩陣控制三個(gè)通道可以設(shè)置攝影機(jī)的白平衡，起到更改畫面整體顏色的作用。Sony公司推出的自適應(yīng)矩陣，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的顯示標(biāo)準(zhǔn)，識(shí)別畫面中超出預(yù)設(shè)色域的區(qū)域，降低目標(biāo)區(qū)域的亮度及色彩飽和度，從而達(dá)到修復(fù)畫面色彩溢出、還原畫面細(xì)節(jié)的目的。如圖5所示，拍攝時(shí)，水立方外墻的光線直射入鏡頭，造成畫面的藍(lán)色通道色彩溢出，水立方外墻細(xì)節(jié)丟失，使用自適應(yīng)矩陣后，攝影機(jī)降低畫面中存在色彩溢出區(qū)域的飽和度，還原了水立方外墻的細(xì)節(jié)。

圖5

3 后期制作階段的色彩溢出及解決方案

進(jìn)入后期制作后，我們需要對(duì)源素材的色彩進(jìn)行處理。當(dāng)我們將源素材從一個(gè)較大色域范圍轉(zhuǎn)換到較小色域范圍時(shí)，超出色域范圍的色彩信息，會(huì)被裁切，導(dǎo)致畫面中出現(xiàn)色彩溢出，圖2是將原始素材從ARRI Wide Gamut轉(zhuǎn)換到ACEScct/AP1 的過程中發(fā)生的色彩溢出現(xiàn)象。

色域轉(zhuǎn)換是色彩空間轉(zhuǎn)換的一部分，在完成色域轉(zhuǎn)換后，最大程度地保留轉(zhuǎn)換前畫面的色彩細(xì)節(jié)，是色域轉(zhuǎn)換的需求之一。色域轉(zhuǎn)換的方法有很多，根據(jù)色域轉(zhuǎn)換的意圖，主要可以分為：基于關(guān)聯(lián)性的色域轉(zhuǎn)換方式(Relative Rendering)和基于感知的色域轉(zhuǎn)換方式(Perceptual Rendering)?；陉P(guān)聯(lián)性的色域轉(zhuǎn)換方式，通過建立不同色域之間相同色彩信息的精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)目標(biāo)色域之外的色彩信息做裁切處理，前文中色彩空間轉(zhuǎn)換過程中色彩溢出的現(xiàn)象(圖2)就是使用基于關(guān)聯(lián)性的色域轉(zhuǎn)換方式的結(jié)果?；诟兄纳蜣D(zhuǎn)換方式，嘗試保留目標(biāo)色域范圍之外的色彩信息，構(gòu)建冗余色彩信息與目標(biāo)色域的對(duì)應(yīng)關(guān)系，保留原始色域的色彩信息，在目標(biāo)色域?qū)υ忌蜻M(jìn)行重建，缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致色域內(nèi)部色相及飽和度的變化，圖6是使用不同色域轉(zhuǎn)換方法的轉(zhuǎn)換結(jié)果對(duì)比。

圖6

目前，主流調(diào)色軟件不斷推出新的功能輔助色彩空間轉(zhuǎn)換，也給修正色彩空間轉(zhuǎn)換帶來的色彩溢出提供了更多解決方案。以Black Magic 公司的Davinci Resolve 調(diào)色軟件為例，可以自主選擇色域轉(zhuǎn)換方式，圖7是使用Color Space Transform 功能進(jìn)行色域轉(zhuǎn)換的效果對(duì)比。原始素材使用Sony SLog3 色彩空間錄制，經(jīng)過色彩空間轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換到Rec.709色彩空間。我們可以觀察到，與圖7(b)相比，使用飽和度壓縮進(jìn)行色域轉(zhuǎn)換的圖7(a)，高光部分過渡自然，畫面細(xì)節(jié)得到了保留，色彩溢出現(xiàn)象得到了顯著改善。針對(duì)不同的制作需求，我們?cè)诤笃谥谱髦?，可以靈活選擇更適合的色域轉(zhuǎn)換方式。

圖7

圖8 Gamut compress 前后對(duì)比圖⑦

針對(duì)色域轉(zhuǎn)換造成的色彩溢出問題，主流調(diào)色軟件還提供了壓縮源素材色域的方法，通過壓縮超出目標(biāo)色域邊界的色彩信息，從而達(dá)到修正色彩溢出、還原畫面細(xì)節(jié)的目的。Filmlight 公司的專業(yè)調(diào)色軟件Baselight 在5.0版本中，推出了色域壓縮(Compress Gamut)的功能，可以壓縮指定色彩的色域范圍，如圖8所示，通過壓縮藍(lán)色的色域范圍，消除了女演員手中絲巾的藍(lán)色溢出，與此同時(shí)，畫面中其他顏色的色相也得到了保護(hù)，減小了由于色域轉(zhuǎn)換造成的畫面色相偏移。

在調(diào)色環(huán)節(jié)，我們會(huì)對(duì)數(shù)字影像的對(duì)比度、色相、飽和度、亮度、色溫等色彩參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。數(shù)字影像的顏色由紅綠藍(lán)三通道的混合得到，在對(duì)數(shù)字影像進(jìn)行調(diào)色時(shí)，當(dāng)紅綠藍(lán)通道的數(shù)值超出原有記錄范圍時(shí)，就會(huì)在畫面中出現(xiàn)色彩溢出或過曝的現(xiàn)象(圖10)。

圖9

預(yù)防后期調(diào)色過程中的色彩溢出，需要借助示波器控制畫面的飽和度，Davinci Resolve 17推出了CIE色度圖監(jiān)看功能，可以直觀觀測(cè)到畫面中的色彩信息，是否超出工程色彩空間的色域邊界。此外，主流調(diào)色軟件也在不斷推出新的調(diào)色工具，方便創(chuàng)作者更好地控制畫面中色彩的飽和度。Davinci Resolve 17 推出了色彩扭曲(Color Warper)功能，相較于傳統(tǒng)的曲線工具，操作更加便捷，可以更加直觀地調(diào)整畫面中的色相和飽和度。

4 色彩溢出修復(fù)

針對(duì)已經(jīng)形成色彩溢出的畫面，現(xiàn)有研究提出了重建和修復(fù)兩種解決思路。

圖10

重建法首先分析畫面中存在色彩溢出的區(qū)域，再根據(jù)這些區(qū)域的飽和度進(jìn)行劃分，將畫面中存在色彩溢出的區(qū)域劃分為不同的區(qū)塊，之后通過差值算法，根據(jù)每一區(qū)塊周圍的像素點(diǎn)顏色，校正區(qū)塊內(nèi)像素顏色，最后使用平滑算法，對(duì)不同區(qū)塊的亮度、色相、飽和度做差值預(yù)算，復(fù)原畫面細(xì)節(jié)的平滑過渡，完成顏色溢出的修復(fù)(圖10)。

修復(fù)法通過分析畫面中存在色彩溢出區(qū)域中有利用價(jià)值的顏色信息，修復(fù)色彩信息被裁切的顏色通道，從而達(dá)到修復(fù)畫面內(nèi)容的目的。在修復(fù)過程中，首先分析畫面中存在色彩溢出的區(qū)域，然后將色彩溢出區(qū)域擴(kuò)展到對(duì)應(yīng)的色彩線對(duì)(Color Lines)中，最后根據(jù)條帶中非溢出通道的色彩信息，修復(fù)溢出通道，找回畫面丟失的內(nèi)容細(xì)節(jié)。

圖11 色彩修復(fù)效果圖，未被裁切的藍(lán)色通道(a)保留了被裁切的綠色通道(b)丟失的亮度細(xì)節(jié)，這些信息被用來修復(fù)畫面中的色彩溢出，最終得到(c)

5 結(jié)語(yǔ)

本篇文章分析了前期拍攝和后期制作兩個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生色彩溢出的成因，結(jié)合前人研究，給出了現(xiàn)有技術(shù)手段下的有效解決方案，并介紹了修復(fù)色彩溢出畫面的方法。最后，我們對(duì)數(shù)字影像處理中的色彩溢出現(xiàn)象的未來發(fā)展趨勢(shì)，做出三點(diǎn)展望。

(1)隨著影視技術(shù)的提升，攝影機(jī)所能記錄的亮度動(dòng)態(tài)范圍以及色域范圍不斷提升，視頻顯示設(shè)備所能呈現(xiàn)的色彩信息不斷增大，在未來的影視制作中，由于設(shè)備性能的局限性所導(dǎo)致的色彩溢出現(xiàn)象，將會(huì)減少。

(2)在色彩空間轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的畫面色彩溢出現(xiàn)象依然無(wú)法避免，由較大色域轉(zhuǎn)換到較小色域的過程中，超出較小色域的色彩信息，無(wú)論以何種方式進(jìn)行處理，都無(wú)法在較小色域中被精準(zhǔn)還原。未來針對(duì)這一問題的主要解決思路，還是集中在改善色域轉(zhuǎn)換的映射方式，在精確還原色彩信息和保留畫面細(xì)節(jié)之中找到一個(gè)折中點(diǎn)。

(3)現(xiàn)有色彩溢出修復(fù)方法，還存在局限性和有待提高的空間，未來會(huì)出現(xiàn)更好的修復(fù)方法。

注釋

①圖片來源：https∶//www.eoshd.com/comments/topic/7172-sony-a7s-color-channel-clipping-issues/。

②圖片來源：https∶//acescentral.com/knowledge-base-2/crushed-colors-caused-by-brightly-colored-lights/。

③圖片來源：https∶//en.wikipedia.org/wiki/Clipping_(photography)。

④圖片來源：https∶//www.bilibili.com/video/av74624769。

⑤圖片淶源：https∶//www.bilibili.com/read/cv1378416。

⑥圖片來源：https∶//www.cambridgeincolour.com/tutorials/color-space-conversion.htm。

⑦圖片來源：https∶//www.filmlight.ltd.uk/store/?s=gamut+compress。