張寧

4.數(shù)字?jǐn)z影時(shí)代的曝光控制

經(jīng)常聽(tīng)到攝影師的牢騷：“什么機(jī)器也比不上人的眼睛！”確實(shí)，從理論上講目前還沒(méi)有哪種設(shè)備或者哪種算法能夠還原人眼所能看到的一切。這里的還原主要是指影像記錄材料對(duì)影調(diào)再現(xiàn)的能力。

景物的亮度范圍有大有小，被攝體的明暗光亮比，受光源的強(qiáng)弱與反射狀態(tài)的影響，變化非常復(fù)雜。由于人眼對(duì)這種變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，即使在明暗光亮比很大的情況下，也能看清景物。如在夏季晴天，中午地面上接受的照度可達(dá)10萬(wàn)勒克斯，而夜晚滿(mǎn)月時(shí)景物接受的照度只有大約0.3勒克斯，其變化范圍高達(dá)33.3萬(wàn)倍。在這么大的范圍內(nèi)人眼都能看清物體，而感光材料和數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的感光單元（CCD或CMOS），能夠按比例正確記錄的景物亮度范圍卻有了一定的限度。

為了“彌補(bǔ)”這種限度，傳統(tǒng)感光材料和數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的感光單元都采取了相應(yīng)的策略。膠片通過(guò)改進(jìn)感光乳劑的“配方”來(lái)提高寬容度，感光單元?jiǎng)t通過(guò)處理電路施加伽馬（Gamma）控制提高動(dòng)態(tài)范圍。記錄材料的本質(zhì)區(qū)別決定了兩者在曝光控制方面的思路存在巨大差異。

4.1膠片的曝光控制

先來(lái)看膠片，雖然日漸式微，但卻是解決目前數(shù)字?jǐn)z影曝光控制難題的一把鑰匙，不可不察。一般在創(chuàng)作中保守的估算黑白和彩色膠片的寬容度為128：1，也就是說(shuō)膠片能按正比例記錄景物亮度范圍的能力是7級(jí)（可以理解為7檔光圈或者7EV）。用有限的寬容度記錄上萬(wàn)倍的反差，取舍是關(guān)鍵。如圖43，從鏡面高光到純黑，被攝體的亮度范圍非常大。經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭后中間調(diào)和高光幾乎沒(méi)有衰減。受到鏡頭鏡片組之間2%眩光的影響，暗調(diào)子被壓縮。以反光率18%的中灰板測(cè)光、曝光，經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)娘@影（顯影的反差指數(shù)為0.56），底片擴(kuò)展了記錄的范圍，密度等倍于寬容度9檔。這里等倍9檔的概念是指底片記錄下了被攝體影調(diào)的9級(jí)亮度范圍，但是呈現(xiàn)在底片上，這9級(jí)亮度被壓縮進(jìn)不到6檔的密度空間，18%中灰的位置非?？拷麄€(gè)影調(diào)的中部。

在膠片的曝光控制中，18%灰是關(guān)鍵，它是自然景物的平均反光系數(shù)。黃種人皮膚的平均反光系數(shù)是23%，白種人是30%。在這個(gè)曝光基準(zhǔn)點(diǎn)之上保留3檔，之下保留4檔，最符合人眼的自然觀(guān)感，最大限度的保留了影像的層次細(xì)節(jié)。換個(gè)說(shuō)法，是人眼最希望看到的層次細(xì)節(jié)。這也是經(jīng)典的上三下四經(jīng)典膠片曝光控制理論的由來(lái)。

值得注意的是，18%的灰又經(jīng)常被稱(chēng)作中灰，而不是數(shù)學(xué)計(jì)算中的50%灰。反光率和灰度是兩個(gè)概念，反光率18%的灰呈現(xiàn)在膠片上，恰好位于影調(diào)的中間。計(jì)算機(jī)的圖形處理中，50%的灰度和反光率18%的灰板的確具有相同的影調(diào)值。還有一點(diǎn)也要格外注意，就是對(duì)圖43的理解，18%灰板基線(xiàn)上下的檔位并不相等，為什么說(shuō)它是在影調(diào)值的中點(diǎn)？答案在于暗部影調(diào)的檔位對(duì)應(yīng)的是被攝體的亮度范圍，膠片曝光時(shí)的確記錄下了這些檔位，但是已經(jīng)被極大地壓縮了。前文對(duì)等倍9檔的解釋也是這個(gè)意思。

4.2數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的特性

再來(lái)看數(shù)字?jǐn)z影機(jī)。電視最早是以直播的形式傳輸電視節(jié)目，記錄的介質(zhì)只有膠片。上個(gè)世紀(jì)70年代，攝像機(jī)開(kāi)始大量用于電視廣播。攝像機(jī)的生產(chǎn)廠(chǎng)商首先面臨一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，即電視機(jī)對(duì)亮度信號(hào)的處理并非線(xiàn)性的問(wèn)題16。由于之前的電視對(duì)亮度信號(hào)的處理并不是線(xiàn)性的方式，所以要么大規(guī)模改造電視設(shè)備，要么在攝像機(jī)中加入相反曲線(xiàn)的處理，這樣才能讓人眼的觀(guān)感和電視機(jī)的顯示匹配一致。顯然后者更具有操作性，攝像機(jī)采用了和電視機(jī)相反的曲線(xiàn)來(lái)處理亮度信號(hào)。把攝像機(jī)的曲線(xiàn)和電視機(jī)的曲線(xiàn)合并在一起就形成了一個(gè)伽馬的形狀，故而稱(chēng)之為伽馬曲線(xiàn)。（圖44、45）

經(jīng)過(guò)伽馬校正，還原了景物亮度的線(xiàn)性關(guān)系，最終輸出的畫(huà)面效果與我們眼睛看到的接近一致，從而真實(shí)地還原景物的明暗層次。（圖46）

細(xì)心的讀者可能已經(jīng)注意到了前面關(guān)于數(shù)字?jǐn)z影機(jī)和攝像機(jī)的提法，一字之差卻劃分了技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)時(shí)代：標(biāo)清時(shí)代和高清（包括超高清）時(shí)代。

第一階段：標(biāo)清時(shí)代的DCC控制

標(biāo)清電視時(shí)代，DCC（Dynamic Contrast Control）動(dòng)態(tài)對(duì)比度控制是控制曝光的核心技術(shù)。當(dāng)時(shí)大部分廣播級(jí)攝像機(jī)都采用電荷耦合單元CCD作為感光單元，作為一種光電轉(zhuǎn)換的器件，CCD的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了攝像機(jī)電路系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍17。高端的數(shù)字標(biāo)清攝像機(jī)的電路系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍能達(dá)到約6級(jí)光圈，換算成景物亮度比是1：60。而2/3英寸CCD的動(dòng)態(tài)范圍是電路系統(tǒng)的6倍18，即600%，為了把CCD的性能最大化，借助于伽馬曲線(xiàn)，廠(chǎng)商研發(fā)出了動(dòng)態(tài)對(duì)比度控制的算法。

動(dòng)態(tài)對(duì)比度控制的實(shí)質(zhì)是拐點(diǎn)（Knee Point）控制，圖47是拐點(diǎn)控制原理示意圖。當(dāng)入射光線(xiàn)的強(qiáng)度接近動(dòng)態(tài)范圍的上限時(shí)，攝像機(jī)輸出信號(hào)的大小將不再以原來(lái)的伽馬值隨入射光線(xiàn)的強(qiáng)度成比例變化，而是斜率突然變小，這樣在輸出信號(hào)電平達(dá)到最大值前，將能記錄更強(qiáng)的光線(xiàn)，從而明顯地拓寬了攝像機(jī)的感光動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)然在拐點(diǎn)后伽馬值發(fā)生了改變，除了通過(guò)菜單手動(dòng)的設(shè)置拐點(diǎn)的具體位置和拐點(diǎn)以后的曲線(xiàn)斜率，后期的標(biāo)清廣播級(jí)攝像機(jī)還提供自動(dòng)拐點(diǎn)控制曲線(xiàn)。像圖48索尼DSR-600PL/650WSPL、DVCAM攝像機(jī)通過(guò)分析某個(gè)場(chǎng)景的高光區(qū)域，系統(tǒng)自動(dòng)地設(shè)置多個(gè)不同的拐點(diǎn)和斜率，以防止光比過(guò)大的場(chǎng)景中（如一束強(qiáng)烈的陽(yáng)光照射進(jìn)昏暗的室內(nèi)）出現(xiàn)高亮部分曝光過(guò)度的現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)了具有一定智能特點(diǎn)的“自適應(yīng)高光控制”功能。

這種智能化防過(guò)曝自動(dòng)拐點(diǎn)控制功能即所謂的動(dòng)態(tài)對(duì)比度控制DCC。DCC功能特別適合于拍攝強(qiáng)光環(huán)境下處于陰影中或室內(nèi)背靠窗戶(hù)的人物及其他光比很大的景物，通過(guò)抑制高光強(qiáng)度，可防止圖像的高光區(qū)域出現(xiàn)“死白”現(xiàn)象，并能使強(qiáng)光照區(qū)域具有一定的影調(diào)層次和圖像細(xì)節(jié)。

在DCC的幫助下，攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍增加到了8檔光圈。這個(gè)范圍雖然非常接近印片用膠片的寬容度，但并沒(méi)有給電視畫(huà)面帶來(lái)所謂的“膠片感”。對(duì)比拐點(diǎn)控制曲線(xiàn)和膠片的特性曲線(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，拐點(diǎn)只是針對(duì)圖像高光部分的壓縮，并不會(huì)增加暗部和中間調(diào)的層次。而且過(guò)度的拐點(diǎn)控制會(huì)導(dǎo)致高光部分發(fā)悶，缺少必要的對(duì)比。標(biāo)清時(shí)代的攝像機(jī)依然呈現(xiàn)出圖像層次少，局部反差過(guò)大的缺陷。

這種智能化防過(guò)曝自動(dòng)拐點(diǎn)控制功能即所謂的動(dòng)態(tài)對(duì)比度控制DCC。DCC功能特別適合于拍攝強(qiáng)光環(huán)境下處于陰影中或室內(nèi)背靠窗戶(hù)的人物及其他光比很大的景物，通過(guò)抑制高光強(qiáng)度，可防止圖像的高光區(qū)域出現(xiàn)“死白”現(xiàn)象，并能使強(qiáng)光照區(qū)域具有一定的影調(diào)層次和圖像細(xì)節(jié)。

在DCC的幫助下，攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍增加到了8檔光圈。這個(gè)范圍雖然非常接近印片用膠片的寬容度，但并沒(méi)有給電視畫(huà)面帶來(lái)所謂的“膠片感”。對(duì)比拐點(diǎn)控制曲線(xiàn)和膠片的特性曲線(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，拐點(diǎn)只是針對(duì)圖像高光部分的壓縮，并不會(huì)增加暗部和中間調(diào)的層次。而且過(guò)度的拐點(diǎn)控制會(huì)導(dǎo)致高光部分發(fā)悶，缺少必要的對(duì)比。標(biāo)清時(shí)代的攝像機(jī)依然呈現(xiàn)出圖像層次少，局部反差過(guò)大的缺陷。

標(biāo)清時(shí)代的曝光控制和膠片的曝光控制存在巨大差異，電視攝像師基本不用曝光表。由于靈敏度差異，即使同一廠(chǎng)商的不同機(jī)型在拍攝同一場(chǎng)景時(shí)曝光參數(shù)也都不相同。曝光控制基本靠攝像師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)直接通過(guò)取景器監(jiān)看圖像進(jìn)行判斷（時(shí)常借助斑馬紋）。電視劇或者大型節(jié)目的錄制時(shí)，技術(shù)工程師會(huì)通過(guò)專(zhuān)業(yè)的示波器測(cè)量亮度指標(biāo)。

第二階段：數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的電影伽馬曲線(xiàn)

技術(shù)發(fā)展到本世紀(jì)初，廣播級(jí)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的字眼逐漸被高清攝像機(jī)、數(shù)字?jǐn)z影機(jī)取代。高清時(shí)代，廠(chǎng)商的目標(biāo)直奔“膠片感”而來(lái)，其擴(kuò)張、吞并膠片的野心“路人皆知”。事實(shí)證明，他們成功了。在這場(chǎng)“數(shù)字革命”中，索尼HDW-F900R高清攝像機(jī)功不可沒(méi)，許多大電影用它拍攝，像喬治·盧卡斯的《星球大戰(zhàn)前傳2》和雅克·貝漢的《海洋》等，它的貢獻(xiàn)在于其創(chuàng)造了一類(lèi)更加接近膠片特性曲線(xiàn)的伽馬曲線(xiàn)。

圖50是官方公布的HDW-F900R的伽馬曲線(xiàn)，曲線(xiàn)上任一點(diǎn)的切線(xiàn)斜率，即伽馬值，不再是定數(shù)，而是隨光照強(qiáng)度的變化而變化。通過(guò)調(diào)整伽馬曲線(xiàn)的形狀，攝像機(jī)可以產(chǎn)生高反差硬調(diào)畫(huà)面、低反差軟調(diào)畫(huà)面，以及模仿膠片感光特性的電影風(fēng)格畫(huà)面等。索尼HDW-F900R高清攝像機(jī)的四條預(yù)置伽馬曲線(xiàn)，每條曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)一種伽馬模式，即對(duì)應(yīng)一種畫(huà)面風(fēng)格。Gamma1和Gamma3的初始部分比較陡峭（伽馬值大），意味著人為地提高了感光靈敏度，所以在低照度場(chǎng)景下拍攝，有利于黑暗區(qū)域得到更好的細(xì)節(jié)再現(xiàn)和色彩還原。而Gamma2和Gamma4適合從低亮度到高對(duì)比度的拍攝環(huán)境。

2010年，作為阿萊公司進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影領(lǐng)域之后的重要產(chǎn)品，ARRI Alexa的出現(xiàn)徹底改寫(xiě)了膠片影壇霸主的格局。它是一款35mm膠片風(fēng)格的數(shù)字?jǐn)z影機(jī)，所謂膠片風(fēng)格關(guān)鍵在于Log-C。Log-C里面的字母“C”代表的是“Cineon”?！癈ineon”是上世紀(jì)九十年代柯達(dá)公司開(kāi)發(fā)的膠片數(shù)碼掃描、處理和記錄系統(tǒng)，同時(shí)也是一種文件格式的名稱(chēng)，包含了掃描負(fù)片的密度數(shù)據(jù)。密度是膠片感光特性的對(duì)數(shù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，密度與以對(duì)數(shù)單位測(cè)量的膠片曝光度的關(guān)系被稱(chēng)為膠片的特性曲線(xiàn)。每一種膠片都有它自己的特性曲線(xiàn)，但整體看來(lái)曲線(xiàn)變化的規(guī)律是一致的。對(duì)于A(yíng)lexa和D-21而言，阿萊推出的Log編碼方式與掃描負(fù)片的密度數(shù)據(jù)相似，因此它被稱(chēng)為“Log-C”。在現(xiàn)在的電視系統(tǒng)中直接監(jiān)看，在未經(jīng)任何處理時(shí)Log-C是灰的，畫(huà)面非常平，但是卻為后期提供了極大的靈活性20。（圖51）

2012，柯達(dá)破產(chǎn)，數(shù)字電影攝影機(jī)一統(tǒng)天下已成定局。廠(chǎng)商全部跟進(jìn)Log格式，佳能的C系列用C-Log，Sony F系列用S-Log，BMD系列用Film，雖有差異，但思路相同。

用電影對(duì)數(shù)伽馬取代電視伽馬的最大好處是影調(diào)細(xì)節(jié)能和膠片相媲美，甚至超越膠片。圖52中的電影伽馬的特點(diǎn)是暗部斜率最大，對(duì)應(yīng)輸出電平范圍也最大，記錄景物的層次細(xì)節(jié)也最豐富。針對(duì)這一部分，電路系統(tǒng)分配的記錄比特?cái)?shù)也最多，達(dá)到了14比特和12比特。結(jié)合人眼視覺(jué)的對(duì)數(shù)特性，以及人眼對(duì)暗部細(xì)節(jié)最敏感，這種數(shù)據(jù)分配更合理。

對(duì)數(shù)伽馬極大擴(kuò)展了數(shù)字設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍，但同時(shí)也使的曝光控制變得非常復(fù)雜。膠片時(shí)代只要掌握了特定膠片型號(hào)的特性曲線(xiàn)，通過(guò)洗印試片攝影師就能非常自信的調(diào)整曝光。因?yàn)樘匦郧€(xiàn)的特性都是相似的，層次最豐富的直線(xiàn)部分是成比例變化的，百余年來(lái)從拍攝到?jīng)_印形成了一整套可控的體系，結(jié)果是可預(yù)測(cè)的。而數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的感光特性曲線(xiàn)還是一個(gè)新生事物，遠(yuǎn)沒(méi)有形成成熟的工業(yè)流程規(guī)范。由于Log自身的特點(diǎn)，再加上沒(méi)有配套的監(jiān)看和技術(shù)指標(biāo)測(cè)量設(shè)備，曝光控制既不能沿用標(biāo)清時(shí)代的做法，也不能照搬膠片的上三下四。

從圖53彩色負(fù)片與對(duì)數(shù)伽馬感光特性的曲線(xiàn)對(duì)比來(lái)看，本文開(kāi)篇介紹的膠片的技術(shù)規(guī)范顯然不適用于Log模式，以18%的灰板作為曝光的基點(diǎn)勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致中間調(diào)和暗部曝光不足。那么如何才能進(jìn)行精確的曝光控制？要科學(xué)的回答這個(gè)問(wèn)題，必須清楚膠片和數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的區(qū)別。（未完待續(xù)）

16.“伽馬是灰度特性，在電子成像技術(shù)中就是光電轉(zhuǎn)換特性。顯像管的光電轉(zhuǎn)換特性并不是直線(xiàn)而是非線(xiàn)性的指數(shù)特性，也就是反對(duì)數(shù)特性，而成像器件的光電轉(zhuǎn)換特性是直線(xiàn)性的。為了補(bǔ)償顯像管的非線(xiàn)性指數(shù)特性，必須在攝像機(jī)內(nèi)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行與指數(shù)特性相反的對(duì)數(shù)變換，才能在顯像管上顯示出正常對(duì)比度和彩色的圖像，這就是電視伽馬。因此，電視伽馬的初始來(lái)源是顯像管的反對(duì)數(shù)（指數(shù)）原生特性?！薄髂嶂袊?guó)專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)集團(tuán)技術(shù)總監(jiān) 王亞明

17. 動(dòng)態(tài)范圍：類(lèi)似于膠片的寬容度，是指攝像機(jī)能夠正常成像時(shí)所對(duì)應(yīng)的入射光線(xiàn)最大照度和最小照度的比值。低于最小照度，畫(huà)面呈現(xiàn)全黑，高于最大照度，畫(huà)面呈現(xiàn)全白。

18. 當(dāng)前的超35毫米CMOS已經(jīng)達(dá)到了800%。

19. 通常攝像機(jī)都會(huì)保留一定的動(dòng)態(tài)范圍余量，比如標(biāo)稱(chēng)動(dòng)態(tài)范圍上限為100%，那么最大可以達(dá)到110% ，超過(guò)110 % 的部分，攝像機(jī)將通過(guò)白電平切割的方式使畫(huà)面的高亮部分呈現(xiàn)為全白狀態(tài)。

20. 靈活性的代價(jià)是工業(yè)流程變得比以前復(fù)雜了。用Log模式拍攝的素材，如果用普通的監(jiān)視器上監(jiān)看，無(wú)法判斷畫(huà)面的曝光和反差。