薛璇

人眼和膠片對于光線的感知

人眼的視覺特性

在人眼的視網膜上分布著很多視錐細胞，視細胞能夠將光學刺激轉化為神經沖動。視細胞分為視錐細胞和視桿細胞，在人的視網膜內約含有600萬～800萬個視錐細胞，12000萬個視桿細胞，桿狀細胞對光線極為敏感，但不善于感知細節(jié)，除了對光譜的藍光—端外，桿狀細胞對其他顏色并不敏感，因此，桿狀細胞的知覺叫夜視覺;錐狀細胞數(shù)量少，敏感性更低，但能夠更好的區(qū)分細節(jié)、顏色、形狀和地位。因此，錐狀細胞的知覺叫晝視覺。這就是為什么，夜晚我們看東西都是灰色的，月光是藍色，因為桿狀細胞在起作用，而錐狀細胞失靈了。

日光的強光和夜晚微光之間的亮度相差10萬倍，但人眼都能適應。人眼的明暗適應范圍可以達到1：1000，則攝像機的最大容納亮度比僅有1：30。人眼的這種亮暗適應能力，是任何儀器設備無法比擬的。這就是為什么，人眼可以看清楚亮暗的細節(jié)，但在攝像機里卻看不到，就是因為電子感應芯片的亮暗適應能力不如人眼。相比而言，膠片最接近人眼，所以膠片總是看起來很柔和。

人類的視覺這個非常大的動態(tài)范圍，這可能是一個具有“欺騙性”的數(shù)據(jù)。因為人眼如此大的明暗適應范圍并不是一次完成的，眼睛可以感知到一個正常的光值范圍大約20檔（stops）。它有兩種方式：首先，虹膜的打開和關閉就像鏡頭中的光圈一樣，它還通過從光視覺（視錐細胞）切換到暗視覺（視桿細胞）來改變反應，最明顯的例子就是人會在亮度差異過大的場景時，有一個適應的過程，但是也不可能同時看清最亮的亮部和最暗的暗部的細節(jié)。

動態(tài)范圍

前文所述，人眼的這種亮暗適應范圍在攝影上有一個專業(yè)名詞叫動態(tài)范圍（dynamic range），動態(tài)范圍最早是信號系統(tǒng)的概念，一個信號系統(tǒng)的動態(tài)范圍被定義成最大不失真電平和噪聲電平的差。動態(tài)范圍指定了一個動態(tài)信號在傳遞到給定系統(tǒng)或由給定系統(tǒng)產生時可以假定的可能值或可接受值的范圍，通俗來講，就是可變化信號最大值和最小值的比值。而在攝影領域，動態(tài)范圍則是一個用于定義攝影機可以在多大范圍內捕捉圖像的影調細節(jié)的術語，也就是攝影機在單幀內可以記錄的最亮和最暗影調之間的比率，擁有更大的動態(tài)范圍意味著擁有更廣的影調空間，就能盡可能地保留高光區(qū)和陰影區(qū)的信息。在光學領域動態(tài)范圍一般由“檔”（stops）來表示，攝影機采用的伽馬曲線一般意義上被認為增加了攝影機的動態(tài)范圍。

寬容度則是一個從膠片寬容度引申到數(shù)碼相機的概念，寬容度指的是H&D曲線（膠片特性曲線，圖1）上直線部分在橫坐標上的投影范圍，即寬容度定義為感光材料在攝影過程中按正比關系記錄景物亮度反差的曝光量范圍。類似膠片寬容度的定義，數(shù)碼相機的寬容度是指傳感器能夠感光的最大光強與最小光強之比，一般認為，在攝影上動態(tài)范圍與寬容度是可以通用的。

線性響應

如果“理想”膠片是真正線性的，那么曝光量每增加一次，密度就會增加一倍，即場景中的光量增加一倍，最終圖像的亮度就會增加一倍。線性響應意味著總會有一些亮度范圍超出了膠片的限制——場景中過于明亮的部分無法被記錄，它們在膠片上顯示為純白色（在視頻中，稱之為白切割），沒有細節(jié)，沒有紋理。當然，場景中非常黑暗的部分也會發(fā)生同樣的情況。由于許多場景的亮度范圍超過了相機和顯示器的能力，因此純粹的線性響應會使場景的某些區(qū)域在極端情況下偏離比例。即使有最先進的新相機，這在電影攝影中也永遠是個問題，畢竟即使是人眼也無法適應現(xiàn)實世界的亮度范圍。

攝像機中的線性關系，意味著它們在輸入（場景亮度值）和輸出（像素亮度值）之間有一對一的對應關系，這只是意味著在轉換過程中數(shù)據(jù)沒有變化。對于場景中亮度級別的每一次變化，感光點的輸出級別都會發(fā)生相應的變化，這似乎很理想。但是由于現(xiàn)實世界的亮度范圍通常很大，所以當前沒有傳感器、監(jiān)視器或投影儀能夠適應如此大的亮度范圍。因此，對可以記錄和使用的亮度范圍要有一定的限制。

膠片特性曲線

圖1顯示了膠片的響應曲線，主要呈現(xiàn)為S形，因為在膠片上，高光的化學反應會隨著曝光量的增長而下降，也就是說，在曲線的某一點之后，圖形不再是直線，增加越來越多的光線最終會產生越來越小的效果。這是因為乳膠膜中的銀晶體飽和并停止反應。類似的現(xiàn)象也發(fā)生在陰影中（圖1的左側部分）。當感光材料在曝光過程中開始撞擊銀晶體時，由于銀晶體對光的反應延遲造成的，乳劑不會立即產生反應，所以曲線會在一段時間內保持平坦，這會導致膠片曲線的趾部開始變平，然后慢慢向上彎曲，最終成為曲線的直線部分或中間調。在高光中，銀晶體最終達到飽和點，隨著越來越多的光子涌入，化學反應開始放緩，然后完全停止，最終成為了膠片特性曲線的肩部。

數(shù)字攝影中的伽馬原理

膠片伽馬（Film Gamma）和數(shù)字視頻伽馬（Video Gamma）

在膠片中，伽馬是曲線中間（直線）部分的斜率。更陡的直線反映出來的圖像對比度更大，Y值（圖像亮度）隨著X值（場景亮度）的每一個單位的變化而變化得更快。斜率比較小意味著像素亮度的變化速度比圖像亮度慢，這會導致對比度較低的中間色調。

視頻伽馬則是一個冪函數(shù)，它可以是上升曲線或下降曲線，這取決于該值是否大于或小于1（伽馬值為1將是一條直線）。在視頻中，主要取決于X數(shù)量的電輸入所產生的像素亮度，如果我們改變伽馬，在相同的原始電信號下像素可以變得更亮或更暗。

顯示設備的伽馬設定

大多數(shù)早期的顯示設備都是陰極射線管（Cathode Ray Tube）顯示器，它有自己固有的伽馬曲線，并且它們的紅色、綠色和藍色顯示是非線性的，稱為光電轉換函數(shù)（OECF），它的平均功率函數(shù)約為2.4。

如前文所述，人類視覺以非線性方式感知亮度，它的伽馬值約為0.42，剛好是2.4的倒數(shù)（1/2.4=0.42）。因此，圖像工程師們在電視的早期發(fā)展就意識到，攝像機必須在前端安裝伽馬校正來補償這一點。簡而言之，攝像機上的伽馬編碼與CRT監(jiān)視器的伽馬特性相反，且兩者相互抵消。CB21730D-D1C8-4C1B-BDAB-9A2977C35F65

Rec.709

ITU-R Recommendation BT.709，簡稱Rec.709（或BT.709），Rec.709規(guī)范了包括顏色空間、伽馬曲線、縱橫比、幀率等工程細節(jié)。Rec.709是“所見即所得”，它被設計為顯示相關（Display Referred），這意味著來自攝像頭傳感器的對比度范圍被映射到標準對比度范圍，以適應特定的顯示設備。為了做到這一點，它將所有顏色值納入一個相當有限的范圍。Rec.709傳遞函數(shù)主要是冪函數(shù)曲線，但底部有一個小的線性部分，斜率還非常大，當相對光強接近0時，曲線接近垂直，這意味著將在場景的黑暗部分造成無限增益和噪聲。從技術上講，Rec.709只有五檔動態(tài)范圍。一些相機或攝影機有Rec.709輸出，用于觀看或記錄，但是如果沒有后期制作來進行色彩校正，那么就不是Rec.709的“所見即所得”，不過在專業(yè)的Rec.709顯示屏上看，效果將會很不錯。

數(shù)字電影攝影中的伽馬控制

膝部控制

膝部控制調整在大多數(shù)相機中通常包括兩個單獨的調整：斜率和膝點。斜率是高光或膝部響應的角度，顯然，較低的斜率意味著亮度的變化只是緩慢地改變圖像的亮度，即低對比度。較高的斜率意味著圖像亮度變化非?？?，即對比度更高。這通常用于適應場景中的一些明亮高光，膝點控件允許攝影師選擇斜率調整在曲線上的起始位置。

黑電平展寬

在趾部區(qū)域（陰影區(qū)域）使用類似的策略。不同的相機公司使用不同的術語，但黑電平展寬（Black Stretch）或黑伽馬（Black Gamma）是該功能的典型名稱。它會改變曲線下端的斜率，使其或多或少具有對比度。

HyperGamma/CineGamma/Film REC

僅僅改變斜率和拉伸膝部和陰影區(qū)域可以達到很好的效果，但畢竟這是一種有限的方法，可能會導致一些看起來有點不自然的圖像。多年來，攝影機制造商提出了更復雜的方法來擴展攝像機的動態(tài)范圍。攝影機制造商開發(fā)了幾種不同版本的伽馬編碼，它們被稱為HyperGamma、CineGamma、Video Rec、FILM Rec等，根據(jù)攝影機品牌的不同，不同的伽馬名稱有所不同，旨在擴展相機的動態(tài)范圍。動態(tài)范圍越大，曲線越平坦，對比度越低。

數(shù)字電影攝影中伽馬的應用——RAW和Log

RAW

拍攝RAW格式也只是在Red One時代流行起來的，自從第一部RED攝影機問世以來，他們的色彩科學一直在發(fā)展，并提供了幾種選擇：RedGamma 2、RedGamma 3和Redlogfilm。這些是不同的配置文件，用于在設置時查看，以及在將RAW文件導入編輯或調色軟件時進行轉換，它們?yōu)槌上裉峁┝似瘘c，并為后期制作過程提供了指導。

RAW簡而言之就是在感光元件運作生成圖像之前的數(shù)據(jù)信息，攝影機通過鏡頭來采集光線，并將光線解釋計算后形成圖像。而RAW視頻是將相機在生成影像文件之前捕獲到的還未解釋計算的光，記錄為1和0的數(shù)字文件。RAW的意義就在于代表了感光點的點數(shù)據(jù)，所以RAW沒有辦法用監(jiān)視器看見。但這不代表RAW就不是視頻，RAW是需要轉換成視頻才能看見和使用。

RAW數(shù)據(jù)是以線性記錄的，雖然線性視頻幾乎不損失數(shù)據(jù)，具有非常高的后期空間，但是其也有很明顯的弊端。除了在曲線的頂部和底部可能丟失數(shù)據(jù)外，線性視頻還有另一個問題，就是它在每檔使用比特數(shù)方面效率極低。造成的影響就是在動態(tài)范圍的前四檔會受到很大的影響，這也是“向右曝光”這一理念的由來。

Log

有一種解決方案可以解決這種效率低下的問題：Log編碼。Log這種格式來源于膠片掃描系統(tǒng)Cineon System，系統(tǒng)將膠片掃描成與原始膠片密度相對應的 Log格式，這種方式是膠片轉數(shù)碼儲存最優(yōu)化的方式。雖然它只是一個帶有掃描儀、工作站和激光膠片記錄器的完整系統(tǒng)，但正是這種文件格式對圖像制作產生了持久的影響?？逻_的工程團隊決定，膠片圖像可以完全捕獲在一個10位的Log文件中。它的目的是作為一種數(shù)字中間片（DI），而不是用于交付、CGI或任何其他用途。因為它起源于膠片，所以整個系統(tǒng)都參考了膠片密度數(shù)據(jù)。

Log在概念上與伽馬類似，因為它降低了響應曲線的斜率，以擴展動態(tài)范圍，從而在不造成白切割的情況下捕捉和記錄亮度值。兩者之間存在差異，Log不是對曲線應用冪函數(shù)，而是使用了對數(shù)曲線。對數(shù)函數(shù)的一個關鍵要素是，Y軸值的間距不均勻。對數(shù)曲線和冪函數(shù)曲線在繪制時看起來有些相似，它們的操作方式也很相似，但存在數(shù)學和結果上的差異，攝影機廠商和軟件設計師可以利用這些差異，通過這些差異來實現(xiàn)特定的目的。

RAW和Log的關系

Log和RAW是完全不同的兩種概念，然而，許多拍攝RAW的攝影實際上記錄了Log編碼的數(shù)據(jù)，在大多數(shù)高端攝影機中，傳感器產生的數(shù)據(jù)（更高的位深度）比使用當前技術記錄的數(shù)據(jù)要多。有些相機確實能夠記錄未壓縮的RAW圖像，然而，有時候拍攝條件不允許或是并不需要使用RAW記錄，RAW會產生相當大的存儲壓力和處理壓力，其他錄制選項，Rec.709或P3，是一個寬色域的顏色空間，也是數(shù)字電影所倡議的和行業(yè)標準。

攝影機專有的LOG曲線

攝影機公司廣泛使用LOG曲線來記錄圖像數(shù)據(jù)，每個制造商都設計了一個或多個Log編碼方案，這是他們尋求更好的相機Log曲線方案。Arri使用Log C，RED有RedLogFilm，索尼使用S-Log，佳能相機使用C-Log，Panavision使用Panalog等。

ARRI的Log C

ARRI的Log C基于Cineon密度曲線，并與基于Cineon的LUT一起用于編譯，其中的C即是Cineon。Log C曲線是場景的對數(shù)編碼，這意味著在很寬的動態(tài)范圍內，以檔為單位測量的曝光與信號之間的關系是恒定的，每一檔都會增加相同數(shù)量的信號。Log C曲線的整體形狀與膠片的曝光曲線相似。然而，由于傳感器和底片之間的根本差異，顏色特性仍然不同。

Log C不是一個單一的傳遞函數(shù)，它實際上是一組不同EI（曝光指數(shù)）設置的曲線。所有這些曲線都將18%中灰映射到代碼值400。Log C曲線的最大值取決于EI值。原因就是，當降低一檔曝光時，傳感器將捕捉多一檔的高光信息，由于Log C的輸出值代表的場景曝光值，因此最大值需要更高。EI值高于1600的曲線（包括顯示的EI 3200曲線）有一個額外的肩部，以將Log C編碼的最大值保持在可用的輸出范圍內。在實施Log C編碼時，改變El值不會改變動態(tài)范圍。然而，它確實會影響總范圍在中灰上方和下方的分布。對于可能需要適應高光或陰影中存在一些關鍵細節(jié)的場景的攝影師來說，這可能是一個有用的工具。

Alexa的曝光寬容度不會隨著不同的曝光指數(shù)（El）設置而改變。大多數(shù)數(shù)碼相機，在特定的El設置（通常稱為原生EI）下具有最大的曝光寬容度。選擇高于或低于最佳設置的El設置，有時會導致曝光寬容度損失驚人地大。Alexa的獨特之處在于其14檔的曝光寬容度在El 160到El 3200之間保持不變。

SONY的S-Log

S-Log有三個版本，S-Log1、S-Log2和S-Log3。因為S-Log的編碼值從未達到黑白的極限，所以S-Log曲線看起來非常平坦，因為場景中的正常陰影值從來沒有達到黑色的最小編碼值，S-Log并不具有像ARRI一樣的不同曝光指數(shù)都具有相同的動態(tài)范圍的能力。S-Log3是一種動態(tài)范圍為1300%的對數(shù)信號，接近Cineon Log曲線。

由于與普通視頻拍攝相比，在Log拍攝中觀看視頻時，曝光更難確定。關于S-Log2的標準，18%的灰度是以32%的視頻級別為基礎拍攝的。在拍攝電影時，有幾種檢查曝光的方法，例如使用波形、斑馬線顯示和假彩色。FS5的s-Log2具有非常寬的14檔的動態(tài)范圍，對高光有很高的容忍度，并防止大多數(shù)白電平切割。如果使用實際的Log圖像進行監(jiān)控，可能會誤以為要繼續(xù)提高曝光率，因為由于Log拍攝對高光的高動寬容度，數(shù)據(jù)最終仍在直方圖范圍內。通過拍攝比標準亮度更亮的片段，然后進行后期處理時將其壓暗，來確保噪聲不明顯。然而在這種情況下，動態(tài)范圍將縮小。當然更好的方法是在拍攝時打開和關閉LUT以檢查圖像。CB21730D-D1C8-4C1B-BDAB-9A2977C35F65