数字电影制作技术 (5).pdf

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1、数字电影制作技术数字电影制作技术第三章 线性、伽玛、对数数字电影制作技术一点数学知识数字电影制作技术迪卡尔坐标系对视频信号的研究可以以数学的形式在坐标系里进行；笛卡尔坐标系（2D或3D）数字电影制作技术幂函数指数等于1，直线指数小于1，向下弯的曲线指数大于1，向上弯的曲线指数是常数，底数是变量数字电影制作技术幂函数指数等于1，直线指数小于1，向下弯的曲线指数大于1，向上弯的曲线数字电影制作技术幂函数数字电影制作技术对数函数线性是一条直线，对数是一条斜率变化的曲线数字电影制作技术对数函数对数对表现数据量变化较大的数量关系是有利的人类的视觉是对数规律的对于视觉而言，线性描述使数据不均匀，对数则实现

2、了均匀性对数压缩了大量无效数据数字电影制作技术对数函数人类的视觉是对数规律的对数压缩了大量无效数据数字电影制作技术韦伯-费希纳定律人对剌激变化的感知力与基础刺激量有关数字电影制作技术矩阵及其运算33矩阵数字电影制作技术矩阵及其运算矩阵的标量乘法：每个元素乘以相应的倍数矩阵的点积运算常用以进行色彩换算数字电影制作技术常用量的单位光强度的单位英尺朗伯亮度亮度照度照度光通量光通量英尺烛光流明尼特勒克斯坎德拉数字电影制作技术常用量的单位长度的单位米米毫米毫米微米微米纳米纳米时间的单位分分小时小时秒秒毫秒毫秒微秒微秒字节和比特比特比特字节字节千字节千字节兆字节兆字节太字节太字节千兆字节千兆字节拍字节拍字

3、节1B=8bkBMBGBTBPBbit数字电影制作技术常用量的单位分贝：度量两个相同量之数量比例的单位用以描述功率比值或强度比值的量每6dB增益相当于1档一点数学知识数字电影制作技术动态范围数字电影制作技术动态范围的定义亮度范围亮度范围更多指景物亮度差异的大小照度范围照度范围更多指光照强弱差异的大小动态范围动态范围更多指影像载体对景物亮度范围的承载能力（宽容度）其实是同一概念因使用对象而异的不同术语用比值或曝光档位来表示数字电影制作技术人眼的动态范围人类视觉具有非常宽的动态范围，大约20档；但这不是“在一次”时间进行观看的结果，眼睛通过改变虹膜（光孔）和化学适应从明视觉（正常光照t条件）到暗视

4、觉（黑暗条件）来适应环境。实际人眼瞬间观看时所拥有的动态范围要小得多，并且会上下移动。数字电影制作技术传感器的动态范围传感器的动态范围是传感器饱和时的曝光量与噪声完全填充的最低档的曝光量之比数字电影制作技术动态范围和信噪比动态范围噪声水平信噪比信噪比有效信号与噪声之比信噪比=动态范围/噪声水平动态范围数字电影制作技术线性响应数字电影制作技术理想和现实理想线性响应线性响应会使某些亮度超出影像载体的极限，从而导致影像的亮度或暗部失去细节问题问题数字电影制作技术理想和现实传感器的上限切割满势阱容量动态范围纯黑（0 IRE）到切割上限之间每一个感光点（势阱）吸收了它能力所及的最多光子数字电影制作技术作

5、为场景参考的线性查尔斯波因顿的定义：场景参考（scene-referred）的定义：线性代表准确的再现，所以它仍是我们渴望的理想实际场景的影调范围和色彩被图像传感器以其能够做到的任何程度再现在画面中（线性再现）如果成像系统具有从场景中的亮度到图像编码值的直接、确定的链接，且这一链接不受成像系统特性的影响，则该图像数据被称为场景参考数字电影制作技术图像中的经典S曲线数字电影制作技术图像中的经典S曲线胶片如何保住暗部和高光这是胶片的一种自然响应特性S曲线是胶片最大的优势之一，它拉伸了中间影调，且拥有恰好6档左右的曝光范围，它还压缩高光和阴影，这是眼睛对影调差异最不敏感的地方线性响应数字电影制作技术

6、胶片伽玛和视频伽玛数字电影制作技术胶片伽玛的定义伽玛虽会影响反差但不等于反差，它的影响不仅在反差数字电影制作技术视频伽玛的定义电视伽玛校正的简称，是为校正显像管的非线性特性而对视频信号的电平进行的非线性处理狭义狭义广义广义系统的灰度（亮度）特性，是拍摄、制作、显示系统的光电（亮度-编码值）转换特性的总称；影像制作中的伽玛主要指拍摄、记录、文件、制作的灰度特性数字电影制作技术视频伽玛的定义y=xr视频伽玛是一个幂函数中的指数视频伽玛小于1曲线向上弯曲视频伽玛大于1曲线向下弯曲数字电影制作技术视频伽玛的定义伽玛可以表示一个系统的灰度特性，可分为阶段伽玛和总伽玛上面的三条曲线均可称为：光电转换函数曲

7、线数字电影制作技术一个“巧合”CRT显示器由于自身的物理特性而自带一个大约为2.2的伽玛，为了配合CRT的这一特性，摄像机必须必须进行一个伽玛值约为0.45的非线性处理，此即摄像机的伽玛校正（编码）伽玛编码伽玛编码伽玛伽玛解解码码胶片伽玛和视频伽玛数字电影制作技术Rec.709系统数字电影制作技术Rec.709定义（BT.709）全称：ITU-R Recommendation BT.709这组技术规范包括：色彩空间、伽玛曲线、画幅比、帧频以及其它技术细节是针对1080的传统高清视频的一组技术规范Rec.709的特征：所见即所得WYSIWYGRec.709是显示参考的，从摄像机传感器出来的反差范

8、围被映射成一种标准化的反差范围，以适应于指定的显示设备，为此，它将所有色彩值都限制在一个相当有限的范围内，这个范围可被当时的显示设备所容纳数字电影制作技术Rec.709传递函数数字电影制作技术Rec.709传递函数数字电影制作技术Rec.709的“变种”技术上讲，Rec.709只有5档的亮度范围，但拐点和黑扩展可使其动态范围有所增加每个厂家都试图在围绕Rec.709的前提下做出自己的小“改动”，这些“改动”会使其显得与众不同。于是针对于Rec.709就有了“合法的”（Legal）和“扩展的”(Extended)的区别爱丽莎上的输出选择Legal：信号保持在0-100%的范围内Extended：

9、信号范围为-9%109%数字电影制作技术Rec.709的“变种”合法、演播室摇摆、扩展数字电影制作技术Rec.709的“变种”合法、演播室摇摆、扩展数字电影制作技术Rec.709的“变种”有些摄像机上可以选择Rec.709输出用于查看或记录，但它们通常不是真正的709，比如阿莱公司拥有自己的709模式，而且阿莱还提供了709的低反差曲线LCC，其目的是当摄像机在709色彩空间中拍摄时不至于牺牲过多的亮部信息Rec.709系统数字电影制作技术传统高清中的伽玛控制数字电影制作技术总伽玛Coarse Gamma总伽玛高反差高总伽玛低反差低数字电影制作技术拐点控制拐点控制由两个分离的调整组成：拐点+斜

10、率数字电影制作技术拐点控制拐点关闭拐点打开数字电影制作技术黑扩展/黑伽玛改变曲线底端的斜率，使画面暗部反差改变数字电影制作技术黑扩展/黑伽玛改变曲线底端的斜率，使画面暗部反差改变传统高清中的伽玛控制数字电影制作技术超伽玛/电影伽玛/胶片记录数字电影制作技术低反差曲线LCC另一种思路不同机器制造商各尽所能想出更复杂的方案以扩大机器的动态范围通过弯曲和伸展拐点以及改变阴影区域的反差可以取得保留细节的效果，但这些方法往往会导致画面不自然超伽玛Hypergamma电影伽玛Cinegamma胶片记录Film Rec扩大动态范围表示方示：以Rec.709为基数100，200%、400%等动态范围越大，曲线

11、越平坦，反差越低数字电影制作技术另一种思路数字电影制作技术索尼的超伽玛将抛物线曲线应用于伽玛校正电路，这样CCD的巨大的动态范围就可以在记录影像时被利用，不需要摄影师调整任何设置；它是一条平滑的曲线HG1索尼低端摄像机上配有四条超伽玛曲线，它们不同于拐点调整，因为曲线的变化是从中间开始的，这样就产生了一种对高光部分的更“整体”的压缩为电视工作流程中的100%白切割而优化HG2HG3HG4针对传统电影风格工作流程中普遍使用的109%白切割而优化数字电影制作技术索尼的超伽玛HG1为电视工作流程中的100%白切割而优化HG2HG3HG4针对传统电影风格工作流程中普遍使用的109%白切割而优化数字电影

12、制作技术索尼的超伽玛命名方式：HG8009G30800%的动态范围，白切割在109%，中灰曝光在30%HG4609G33460%的动态范围，白切割在109%，中灰曝光在33%数字电影制作技术RAW文件中的伽玛在RAW文件中，伽玛仅仅是元数据，直到它被“烧入”才能改变影像，而“烧入”的过程是迟早的Redone自推出以来，提供了几种不同的伽玛选择：RedGamma1RedGamma2RedGamma3RedLogFilm超伽玛/电影伽玛/胶片记录数字电影制作技术对数编码数字电影制作技术对数与伽玛的区别对数类似于伽玛，因为它减少了响应曲线的斜率以扩大动态范围，二者的区别是：对数编码使用对数曲线，伽玛

13、使用幂函数曲线对数编码的使用是为了解决线性编码的低效率问题对数曲线和幂函数曲线在绘制时看起来有些相似，而且它们的确也以类似的方式工作，但它们之间存在“数理”上的差异。数字电影制作技术对数与伽玛的区别伽玛曲线往往并非是简单的幂函数，可能是多个幂函数或其它函数的组合，这是厂家间的秘密数字电影制作技术对数编码的简史20世纪90年代柯达公司的一个胶转磁项目，用一个10比特的对数文件把影像完全扫描了下来，后来这个文件被称为“数字中间片”（DI）Cineon文件数字电影制作技术对数编码的简史Cineon文件对数编码提供了如此大的动态范围数字电影制作技术超级白对于10比特的Cineon文件而言，“正常曝光”

14、的影像编码只占据了整个编码值的一部分（95代表黑、685代表90%反光的参考白）685以上为超级白、95以下为超级黑数字电影制作技术超级白对于10比特的Cineon文件而言，“正常曝光”的影像编码只占据了整个编码值的一部分（95代表黑、685代表90%反光的参考白）685以上为超级白、95以下为超级黑数字电影制作技术所见非所得对数编码虽有明显优势，但其无法被正常观看（苍白且低反差）也使其受一定的限制red摄影机以RedLogFilm拍摄以RedColor拍摄，且用RedGamma3查找表观看数字电影制作技术所见非所得特别注意波形的差异：在对数情况下，示波器和矢量仪将不再精确地对应实际的场景值r

15、ed摄影机以RedLogFilm拍摄以RedColor拍摄，且用RedGamma3查找表观看数字电影制作技术所见非所得索尼S-Log和709的对比数字电影制作技术对数和Raw是不同的事情Raw可以是线性的，也可以对数的“烧入”录制通常是非线性的，可以是一般的709，也可以是对数的对数编码数字电影制作技术专利对数曲线数字电影制作技术索尼S-Log曲线3对比曲线2:缩短了趾部以得到反差更大的暗部3的中灰比2更亮一些动态范围扩大了1档半s-log3是一条动态范围为1300%的对数曲线，接近于cineon数字电影制作技术阿莱LogCLog c是基于cineon曲线的和负片的曲线很相似不是单一函数，是一

16、系列基于不同感光度的曲线不同感光度的表现不同改变ISO不影响动态范围大小（14档）但影响中灰上下范围的分布数字电影制作技术阿莱LogC所有这些曲线均把18%中灰映射到了400的编码值（10比特）不是单一函数，是一系列基于不同感光度的曲线曲线的最大值取决于EI值，当镜头缩小一档光圈时，传感器会捕捉多一档的高光信息，由于LogC输出值代表着场景曝光值，所以最大值会增加数字电影制作技术佳能C-Log佳能表示：当信噪比在54dB时,仍可产生可接受的噪波水平通过提高机器的主增益，动态范围可扩大至800%数字电影制作技术佳能C-Log数字电影制作技术潘那维申PanlogPanlog是一种感知均匀的传输特性

17、，它将由Genesis摄像机模数转换器输出的每个通道14比特的线性信号内部转换为每个通道10比特的准对数编码数字电影制作技术RedLogREDgamma3（右）是普通对数曲线（左）和反差曲线（中）相加的结果Redlog 是一种对数编码，是将raw格式的12比特R3D文件映射到10比特曲线（cineon)上中间的反差曲线可以让暗部和亮部过渡更柔和，类似于胶片的效果这也可以看作是log曲线的常见实现方式：在普通伽玛上施加S形变化专利对数曲线数字电影制作技术对数曲线中的18%中灰数字电影制作技术18%灰的重要性美国国家标准协会规定：照度表以12.5%（不同厂家略有差异）作为基准，而亮度表大约以17.

18、6%（不同厂家亦为差异）为基准Rec.709标准中，传递函数把18%置于40.9%（约等于41%）的位置，而100%的“白”被置于100IRE的位置不同厂家的“变异”的709或其它对数曲线中，18%灰的位置变化很大厂家会把18%灰放置在任何他们认为可以获得最大宽容度的位置通常他们把中灰放在曲线上更靠下的位置，以保留更多的高光（有例外）数字电影制作技术对数中的18%对数编码的核心问题有两个：中灰点和白点对数编码的目的：将高光推到可以安全记录的地方，并将最黑值置于噪声之上这一处理必然会影响中灰的“落点”数字电影制作技术对数中的18%白点和中灰点在各曲线上的位置数字电影制作技术对数中的18%Rec.

19、709没有足够的动态范围来记录全部11级（中灰上下各5级）的亮度Redlogfilm提高了暗部的亮度同时降低了亮部数字电影制作技术对数中的18%RedGamma3保留了所有的11级，但它不是均匀的，中间部分得到了最大的分离，亮暗部则是压缩的Arri709保留了所有的11级，中间影调得到最大强调，两端压缩数字电影制作技术对数中的18%ArriLogC是一条更平坦的曲线，最亮级下降至75%，中灰远低于50%索尼S-Log保持暗部压缩的同时保证了亮部更多的分离，最亮级达到100%数字电影制作技术对数中的18%S-Log2对暗部压缩更多，但仍保持暗部在0%以上800%的索尼Rec.709将最亮级放在100%以上，但亮部层次分离不明显；中间调得到最大分离对数曲线中的18%中灰