張 雪

（中國(guó)電影科學(xué)技術(shù)研究所，北京 100086）

學(xué)院顏色編碼規(guī)范 (Academy Color Encoding Specification，ACES)是一個(gè)免費(fèi)、開放、獨(dú)立的顏色管理及圖像交換框架，由美國(guó)電影藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院 (The Academy of Motion Picture Arts and Sciences，AMPAS)和行業(yè)合作伙伴聯(lián)合開發(fā)，貫穿拍攝、剪輯、特效、母版制作、放映乃至存檔全流程，并和當(dāng)前及未來(lái)大部分的電影拍攝制作流程實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接。

ACES的處理流程利用“拍攝參考數(shù)據(jù)”，即每個(gè)攝影機(jī)系統(tǒng)使用并寫入到素材中的色彩科學(xué)數(shù)據(jù)，在進(jìn)入色彩流程后，ACES會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向工程，即ACES輸入設(shè)備轉(zhuǎn)換 (Input Device Transform，IDT)，將其還原為攝影機(jī)在實(shí)際場(chǎng)景中拍攝的純線性光信息。ACES的線性場(chǎng)景僅運(yùn)用于工作生產(chǎn)流程，并不適用于直接觀看，因此ACES還涉及顯示端的色彩管理流程輸出設(shè)備轉(zhuǎn)換 (Output Device Transform，ODT)，通過(guò)針對(duì)不同顏色空間和顯示設(shè)備的不同轉(zhuǎn)換來(lái)解析ACES數(shù)據(jù)。

利用ACES色彩空間和特定的IDT-ODT 流程，可從任何采集設(shè)備獲取圖像，在校準(zhǔn)過(guò)的顯示器監(jiān)看下調(diào)色，最后輸出任何格式。其采用極廣色域的場(chǎng)景線性空間，涵蓋人類視覺(jué)區(qū)域的所有可見(jiàn)光區(qū)，甚至包括一部分不可見(jiàn)光，可在不使用負(fù)值的情況下對(duì)任何可見(jiàn)顏色進(jìn)行編碼，并能最大限度地利用輸出媒介的色彩空間和動(dòng)態(tài)范圍，保留色彩的豐富性，使“觀感”最大化。

精度方面，ACES使用OpenEXR 16位半浮點(diǎn)處理，能覆蓋至少30檔動(dòng)態(tài)范圍的場(chǎng)景曝光數(shù)據(jù)。這些EXR 數(shù)據(jù)僅用于應(yīng)用程序內(nèi)部運(yùn)算，除渲染器外，不會(huì)生成數(shù)據(jù)文件。

1 常用ACES工作空間

AP0和AP1分別是ACES的兩個(gè)不同色域。

AP0 (ACES 2065-1)主要用于存檔和文件交換，在實(shí)際調(diào)色或視效(VFX)制作中并不常用，取而代之的則是使用AP1，尤其是CG 和VFX 里的渲染和光照計(jì)算工作。

ACES AP1 與Rec.2020 色域相近，遠(yuǎn)大于Rec.709，主要用于ACEScc、ACEScct 和 ACEScg。

圖1 AP0和AP1

2 ACES應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與難點(diǎn)

由于HDR 的發(fā)展，除了過(guò)去常規(guī)的DCI-P3、Rec.709版本外，現(xiàn)在一部電影還可能需要交付HLG、HDR10、Dolby Vision等多種HDR 規(guī)格的版本。使用ACES流程是一個(gè)更方便管理多個(gè)版本制作的方法，由于ACES流程標(biāo)準(zhǔn)制定的相對(duì)前瞻性，即便日后出現(xiàn)更先進(jìn)的播放設(shè)備和播放標(biāo)準(zhǔn)，以ACES 規(guī)格方式存儲(chǔ)的畫面母版 (DCDM)，在將來(lái)進(jìn)行重制發(fā)行時(shí)，制作也更方便，畫質(zhì)更容易控制。

ACES在前期多攝影機(jī)拍攝素材、最終多版本導(dǎo)出的情況下，確實(shí)比傳統(tǒng)方案更加便捷、省時(shí)省力。拍攝、DIT、剪輯、特效、調(diào)色各個(gè)環(huán)節(jié)均可使用Open EXR 格式流轉(zhuǎn)，文件格式方面沒(méi)有銜接困難。ACES可以有效統(tǒng)一拍攝、制作和監(jiān)看的色彩空間，尤其適用于交接多、外包多的影視行業(yè)。ACES在特效制作中有非常好的效果，特別是ACES sRGB高光的rolloff處理非常適合特效制作。特效交接的畫面和HDR 調(diào)色也適合使用ACES。

雖然ACES優(yōu)勢(shì)明顯，但經(jīng)過(guò)多年應(yīng)用，國(guó)內(nèi)制作機(jī)構(gòu)在實(shí)踐中仍存在不少難點(diǎn)。通過(guò)多方調(diào)研，應(yīng)用難點(diǎn)主要如下。

(1)由于ACES流程是美國(guó)方面為了更好配合視效部門管理畫面色彩的技術(shù)參數(shù)，由行業(yè)內(nèi)各大公司自發(fā)組織起來(lái)一同設(shè)計(jì)出的一個(gè)流程體系，國(guó)內(nèi)比較缺乏相應(yīng)資訊和相關(guān)交流。

(2)前期拍攝時(shí)，若需現(xiàn)場(chǎng)ACES監(jiān)看，還需專門搭建一套現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)看的設(shè)備和系統(tǒng)，外加具有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的DIT 人員。

(3)國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)視效團(tuán)隊(duì)、視效軟件針對(duì)ACES的使用與工具開發(fā)缺乏經(jīng)驗(yàn)，假如使用過(guò)程中有部分環(huán)節(jié)缺失，沒(méi)有明確的渠道尋求解答。

(4)由于工具的缺乏及相應(yīng)特種軟件工具開發(fā)人員的稀缺，大部分視效公司會(huì)缺乏改變工作流程、采用ACES方案的動(dòng)力與信心。調(diào)色部門相比視效部門，面對(duì)的使用難度和問(wèn)題相對(duì)較少。

(5)只有大型制作機(jī)構(gòu)有可能設(shè)置專門的技術(shù)人員做色彩管理方面的研究，一般公司基本不會(huì)做商業(yè)項(xiàng)目以外的延伸研究。

(6)國(guó)內(nèi)制片方并未使用影片資產(chǎn)復(fù)用、IP系列影片生產(chǎn)的長(zhǎng)遠(yuǎn)眼光看待制作流程，尚未形成如此的商業(yè)模式和思維，缺乏使用ACES的商業(yè)化動(dòng)力。

(7)國(guó)內(nèi)制片公司對(duì)數(shù)字資產(chǎn)的了解還處于初級(jí)階段，包括對(duì)物料的技術(shù)要求也不是十分明確，沒(méi)有統(tǒng)一的存檔規(guī)范。同時(shí)部分從業(yè)人員素質(zhì)難以勝任，如果使用ACES可能適得其反。

(8)后期調(diào)色在接到不同品牌攝影素材后，轉(zhuǎn)換到ACES色彩空間后仍需要先進(jìn)行色彩匹配后再進(jìn)行調(diào)色，在輸出不同分銷版本前，也仍需針對(duì)性進(jìn)行創(chuàng)造性調(diào)色。即使采用ACES色彩空間，特效公司和DI公司仍需要針對(duì)每個(gè)項(xiàng)目，進(jìn)行一遍測(cè)試校對(duì)流程，以保證色彩的正確性。

3 ACES短片攝制實(shí)踐

為驗(yàn)證ACES技術(shù)流程在實(shí)踐過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)與技術(shù)難點(diǎn)是否真如調(diào)研所說(shuō)，我們開展了ACES短片的攝制實(shí)驗(yàn)。

3.1 短片技術(shù)規(guī)格

(1)時(shí)長(zhǎng):6分鐘

(2)分辨率:DCI Scope 2.39 (4096×1716)

(3)幀率:24fps

(4)色彩空間/Gamma (光電轉(zhuǎn)換函數(shù)Electrical-Optical Transfer Function，EOTF)多版本輸出:

(5)聲音:立體聲

(6)技術(shù)流程:全流程使用ACES系統(tǒng)制作

3.2 攝制流程

(1)采用設(shè)備或素材

(2)攝影器材對(duì)應(yīng)拍攝色彩模式

(3)鏡頭設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目需求，混用攝影機(jī)，設(shè)計(jì)拍攝了日光、夜晚、高飽和度高亮度單色光源、燭光、直射鏡頭逆光等不同光線條件下的場(chǎng)景，包含了升格、運(yùn)動(dòng)等拍攝方法。

(4)現(xiàn)場(chǎng)DIT

使用LiveGrade控制兩臺(tái)尊正DM240 和尊正BOX IO 連接的兩臺(tái)監(jiān)視器進(jìn)行ACES色彩變換得到正確結(jié)果。

現(xiàn)場(chǎng)按照DIT 流程設(shè)置每臺(tái)機(jī)器的卷號(hào)，檢查拍攝格式幀速率是否符合拍攝要求以及數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)備份情況。

(5)數(shù)據(jù)IO

在達(dá)芬奇中導(dǎo)入并校驗(yàn)拍攝原素材，設(shè)置項(xiàng)目參數(shù)。

不同機(jī)器的素材設(shè)定對(duì)應(yīng)IDT，根據(jù)顯示設(shè)備設(shè)定ODT。

(6)剪輯

選用鏡頭并對(duì)其依次進(jìn)行IDT設(shè)置，轉(zhuǎn)換生成剪輯軟件Final Cut Pro X可用的代理及合板XML文件。

Final Cut Pro X 將剪輯完成的時(shí)間線導(dǎo)出XML給Da Vinci調(diào)色軟件，通過(guò)軟件中轉(zhuǎn)導(dǎo)出AAF或者OMF，并同時(shí)導(dǎo)出參考樣片，參考樣片需要發(fā)給調(diào)色和聲音，并作為剪輯的參考。

(7)基礎(chǔ)調(diào)色

針對(duì)每個(gè)鏡頭進(jìn)行手動(dòng)色彩匹配，主要使用一級(jí)調(diào)色工具。

(8)視效制作

燭光轉(zhuǎn)場(chǎng)添加特效。特效部分使用CINEMA 4D 和NUKE。

CINEMA 4D 設(shè)置:需要先在CINEMA 4D 中安裝Arnold Renderer插件，然后在該插件中使用OCIO 選擇相應(yīng)的ACES設(shè)置。將視效鏡頭提取以原始分辨率轉(zhuǎn)換為Open EXR 16bit(ACES 2065-1)AP0序列幀進(jìn)入CINEMA 4D 進(jìn)行完成燭光轉(zhuǎn)場(chǎng)光效制作，然后以ACES 2065-1 的空間輸出給NUKE。

NUKE設(shè)置:需要使用OpenColorIO (OCIO)進(jìn)行ACES色彩管理。需先安裝OCIO 插件，然后在NUKE中打開OCIO，在其中設(shè)置ACES參數(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。在NUKE 中完成合成，并生成分層的Open EXR ACES 2065-1空間發(fā)送給Da Vinci。

(9)調(diào)色

使用DaVinci在ACES AP1色彩空間完成所有鏡頭的匹配和調(diào)光工作，設(shè)置色彩科學(xué)為ACEScct。

(10)聲畫合成

將聲音交付的文件在Da Vinci中合成為成片，并在時(shí)間線上做最終的檢查和校對(duì)。

(11)多格式母版交付

在Da Vinci的交付功能中完成成片輸出。

最終輸出多版本成片:HEVC (mov)、OpenEXR 16bit(ACES 2065-1)序列幀＋2.0聲音文件、IMF、DCP。

其中，IMF是ACES推薦的數(shù)字電影母版歸檔格式，可完全包含ACES 2065-1 色彩空間全部信息，用于分發(fā)和存檔。根據(jù)不同用途需要，對(duì)其他版本進(jìn)行相應(yīng)色彩轉(zhuǎn)換及輸出。

3.3 實(shí)踐感受

ACES色彩流程為制作電影提供了便利條件，特別是在多種機(jī)器混用時(shí)，素材匹配的效率極大提升。正如ACES官方文檔所提及的動(dòng)態(tài)范圍，在配合EXR 文件使用的時(shí)候，以ACES 色彩空間能很好地適應(yīng)當(dāng)下和未來(lái)HDR 輸出和交付。

ACES在色彩轉(zhuǎn)換中會(huì)出現(xiàn)一些畫面問(wèn)題，在極高亮度和飽和度條件下，尤其是使用LED 光源進(jìn)行明亮色彩打光時(shí)出現(xiàn)的超出色域(Out of Gamut，OOG)即顏色溢出(簡(jiǎn)稱溢色)情況，進(jìn)而導(dǎo)致畫面細(xì)節(jié)與層次丟失。例如在本次測(cè)試的BMD Cintel素材中，霓虹燈高亮的區(qū)域在ACES轉(zhuǎn)換之后出現(xiàn)了溢出。此外，從攝影機(jī)RAW RGB向ACES AP0轉(zhuǎn)換、從ACES AP0向ACES AP1轉(zhuǎn)換、視效制作、調(diào)色、輸出轉(zhuǎn)換時(shí)都有可能出現(xiàn)超出色域的情況。

4 色域超出問(wèn)題

針對(duì)色域超出問(wèn)題，此前的解決方案有三種:一是使用外觀修正轉(zhuǎn)換矩陣 (Look Modification Transforms，LMT)BlueLight ArtifactFix，在ACES色彩空間中進(jìn)行外觀轉(zhuǎn)換來(lái)修正色彩；二是采用查找表 (Look Up Table，LUT)或達(dá)芬奇色彩空間變換語(yǔ)言 (Da Vinci Colorspace Transform Language，DCTL)進(jìn)行處理，ACES 官方論壇里提供的色域映射DCTL可將大部分溢出AP0區(qū)域的攝影機(jī)原生空間進(jìn)行映射，確保錯(cuò)誤減少到最低；三是先將素材處理為一個(gè)固定的小色域 (例如將RAW 通過(guò)非ACES的流程轉(zhuǎn)換為 DCI-P3、Rec.709等小于AP1的空間)，再使用這個(gè)色彩空間進(jìn)行IDT。

本次攝制實(shí)踐中第二種方法，即使用霓虹燈抑制的LUT 和DCTL進(jìn)行處理。

上述方法屬于制作人員在實(shí)踐過(guò)程中探索出來(lái)的解決方案。2021年5月，美國(guó)電影藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院(AMPAS)發(fā)布了學(xué)院顏色編碼系統(tǒng) (ACES)的1.3 版本，新版本增加了色域壓縮 (Gamut Compression)算法，成為針對(duì)這一問(wèn)題的正式官方解決方案。

此前，ACES 成立了色域映射工作組 (Gamut Mapping Working Group)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拍攝和后期制作環(huán)節(jié)中遇到的超出色域問(wèn)題，研究制定在不同色域間建立正確的轉(zhuǎn)換方法，以避免或減少顏色裁剪。該工作組最終提出的色域壓縮轉(zhuǎn)換函數(shù)可代替此前的Blue Light Artifact Fix LMT，尤其適用于廣色域(WCG)、高動(dòng)態(tài)范圍 (HDR)、場(chǎng)景參考 (Scene Referred)內(nèi)容等，具有較高魯棒性和可逆性。色域壓縮轉(zhuǎn)換函數(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于不會(huì)影響色域內(nèi)部的色彩，只會(huì)對(duì)超出色域的部分產(chǎn)生影響。

5 色域壓縮算法

攝影機(jī)和人眼觀察之間的不匹配造成了感官上非真實(shí)顏色的出現(xiàn)，即產(chǎn)生顏色變換誤差中的異常值，因此需要將上述異常值重新映射為看上去合理但并不“正確”的值。如圖2所示，AP1范圍內(nèi)的ACEScg值是正值，而AP1范圍外的值中有1～2個(gè)分量是負(fù)值，即需要通過(guò)映射至色域內(nèi)來(lái)修復(fù)的值。

圖2 部分值超出色

色域壓縮算法在RGB場(chǎng)景線性空間中逐個(gè)像素執(zhí)行，由一組參數(shù)控制哪些核心色域需要保護(hù)、哪些外圍顏色分量需要壓縮、采用何種壓縮曲線等。為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的色域壓縮，需重建圖像的非彩色(Achromatic)和距離(Distance)。

非彩色是指除了彩色以外的其它顏色，常見(jiàn)有黑、白、灰，亮度為0～100，而色度接近于0，代表著顏色空間中的中性軸 (Neutral Axis)，取RGB的最大值，即$$achromatic＝max (r，g，b)$$。建立中性軸能夠保證其中一個(gè)顏色分量不受色域壓縮變換的影響。

距離(Distance)類似于色度，代表了每一顏色分量距離中性軸的距離，距離除以RGB的最大值即可使其歸一化 (Normalized)，即$$distance＝frac{achromatic-rgb} {achromatic}$$，色域邊界處 (其中一個(gè)顏色分量為0)的距離值為1(圖3)。

圖3 中性軸與距離歸一化

距離值大于1的顏色需要壓縮至色域內(nèi)，壓縮算法采用設(shè)定閾值的線性 (y＝x)函數(shù)，大于閾值時(shí)，可通過(guò)平滑曲線將y值映射為低值。閾值必須小于1，以便為壓縮高值留出空間，但也不可低到對(duì)顏色產(chǎn)生負(fù)面影響。經(jīng)過(guò)多種壓縮功能測(cè)試，最終選擇了強(qiáng)度壓縮函數(shù) (Power Compression Function)。

閾值和色域邊界之間的壓縮空間并不適用于過(guò)高的距離值，因此需對(duì)距離值設(shè)限，以保證該算法可用于有效調(diào)整絕大多數(shù)有問(wèn)題的區(qū)域。設(shè)置參數(shù)包括距離值限制、壓縮閾值和強(qiáng)度曲線指數(shù)。

(1)距離值限制

從中性軸到色域邊界的距離限制為 [1.147，1.264，1.312]，限制值設(shè)置為選定的常數(shù)，以便所有具備官方ACESIDT 的數(shù)字電影攝影機(jī) (ARRI、RED、佳能、索尼、松下)的編碼色域均可壓縮到AP1范圍內(nèi)(圖4)。

圖4 距離值限制

(2)壓縮閾值

要保護(hù)的核心色域的百分比設(shè)為 [0.815，0.803，0.88]，按照ISO 17321-1相關(guān)規(guī)定，上述數(shù)值為ColorChecker Classic 24色卡ACEScg邊界值(圖5)。

圖5 壓縮閾

(3)強(qiáng)度曲線指數(shù)

該參數(shù)表示壓縮強(qiáng)度，取值目前設(shè)置為1.2。工作組成員和部分用戶的測(cè)試結(jié)果表明，在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍 (SDR)情況下，1.1 或1.2 最合適，但對(duì)于能夠顯示高飽和度顏色的高動(dòng)態(tài)范圍 (HDR)監(jiān)視器來(lái)說(shuō)，1.4更能忠實(shí)還原創(chuàng)作意圖，因此該值需保持在1～1.5之間(圖6)。

圖6 強(qiáng)度曲線

壓縮距離計(jì)算完成后，即可使用無(wú)彩色和壓縮后的距離值重建RGB圖像。

$$rgb＝achromatic-compressed _distance*achromatic$$

重建圖像如圖7所示。

圖7 重建后圖像色域

6 實(shí)際操作中的注意事項(xiàng)

需要注意的是，色域壓縮工具只是ACES流程(圖8)中的一部分，色域壓縮算法僅適用于場(chǎng)景參考的線性RGB 空間，即ACEScg，調(diào)色師仍將在ACEScct中進(jìn)行調(diào)色。IDT 之后應(yīng)立即應(yīng)用色域壓縮算法，此后才能開展其他后續(xù)步驟。

圖8 ACES流程示意

該算法基于當(dāng)前ACES 1.1輸出變換 (RRT/ODT)，在場(chǎng)景線性RGB值中執(zhí)行，完全獨(dú)立于渲染變換。由于渲染變換所需色域映射的目標(biāo)和最終結(jié)果與色域壓縮算法完全不同，因此色域壓縮算法不應(yīng)作為顯示色域映射的替代操作。此外，色域壓縮算法雖然逐像素進(jìn)行操作，但運(yùn)行速度足夠快，可支持實(shí)時(shí)運(yùn)行，且只影響圖像需要改變的必要部分，其余部分保持不變，從而能夠盡可能多地保留原始圖像，并成為ACES制作流程的功能之一，可用于存在問(wèn)題的部分鏡頭，也可用于所有鏡頭。

7 DaVinci中的色域壓縮功能

超出色域是長(zhǎng)期困擾調(diào)色師的棘手問(wèn)題，將直接導(dǎo)致畫面細(xì)節(jié)和層次丟失，更甚者完全令畫面內(nèi)容難以直視，尤其是基于LED 顯示墻的虛擬攝制成為行業(yè)熱點(diǎn)，越來(lái)越多電影攝制使用LED 光源，更是加劇了這一問(wèn)題。

Da Vinci通過(guò)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)看、機(jī)內(nèi)調(diào)用、數(shù)據(jù)傳遞、視效提報(bào)、調(diào)色創(chuàng)作等應(yīng)用，設(shè)計(jì)了ACES參考 (Reference)色域壓縮和參數(shù) (Parametric)色域壓縮兩個(gè)可選方案，用于不同的制作環(huán)節(jié)(圖9)。

圖9 Da Vinci中的色域壓縮選項(xiàng)

在現(xiàn)場(chǎng)/VFX 臨時(shí)監(jiān)看等不需要額外人工干預(yù)的環(huán)節(jié)中，直接應(yīng)用參考色域壓縮功能，即可得到較為滿意的結(jié)果，同時(shí)也可簡(jiǎn)單地進(jìn)行逆向變換來(lái)還原文件實(shí)體。

參數(shù)色域壓縮的優(yōu)勢(shì)更多體現(xiàn)在調(diào)色環(huán)節(jié)，該方式為調(diào)色師提供了可操作空間，其中閾值部分相對(duì)于此前整體調(diào)整方法，保護(hù)了低飽和區(qū)域，更符合調(diào)色師的習(xí)慣；強(qiáng)度值則用于控制壓縮幅度，尤其是在畫面色彩夸張的情況下，可根據(jù)調(diào)色師的判斷進(jìn)行調(diào)整。

8 結(jié)語(yǔ)

ACES色域壓縮中涉及到多種顏色空間、Gamma曲線的轉(zhuǎn)換，ACES IDT 轉(zhuǎn)換算法均由攝影機(jī)廠商為自己的攝影機(jī)系統(tǒng)開發(fā)。當(dāng)部分制作軟件中的IDT 選項(xiàng)并未覆蓋市面上所有攝影機(jī)機(jī)型時(shí)，可使用第三方IDT 生成軟件自己制作，或在軟件內(nèi)選用其他機(jī)型的IDT 后，再對(duì)顯示不正確的部分進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。因此這一工作需要各攝影機(jī)廠商和調(diào)色軟件開發(fā)商長(zhǎng)期持續(xù)的配合支持，確保轉(zhuǎn)換過(guò)程正確，并搭配相應(yīng)指導(dǎo)文件，向用戶普及各個(gè)環(huán)節(jié)如何科學(xué)、正確地使用。

ACES對(duì)色彩信息的保留為其與8K、HDR 等其他高新制作與放映技術(shù)等搭配使用提供了可能，隨著當(dāng)前與未來(lái)畫面采集與播映技術(shù)的不斷進(jìn)步，高技術(shù)格式影片的制作與發(fā)行必將愈來(lái)愈多，這也將為ACES進(jìn)一步應(yīng)用與推廣創(chuàng)造機(jī)會(huì)。?