■　張　寧　畢根輝

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HDR:創(chuàng)造沉浸體驗式“真”影像
——兼論光與影像的關系

■張寧畢根輝

業(yè)界對HDR的關注點本質(zhì)上可以概括為“所拍即所見”,畢竟攝影的首要問題是“忠實”的記錄,然后才是藝術處理使之更加“悅目”。HDR被熱捧還在于它是下一代影像標準中的關鍵詞,觀眾的期待聚焦在對影調(diào)更加逼真的再現(xiàn)。人類對光的感受與人眼的進化密切相關,人眼借助瞳孔調(diào)節(jié)有驚人的視覺成像能力,可以捕獲1012∶1的亮度范圍。無瞳孔調(diào)節(jié)時的人眼視覺參數(shù)也能達到光比105∶1,相當于16.7檔光圈的寬容度。16+檔的HDR是數(shù)字影像追求的終極目標,如果從記錄、制作到最終顯示,整個傳遞過程都能達到這個目標,將會是再一次影像質(zhì)量的“工業(yè)革命”。

動態(tài)范圍；HDR技術； Cineon10；對數(shù)伽馬；沉浸式體驗

一、引言:朝著沉浸式體驗的真實影像技術邁進

在這個“所見即所得”的年代,還有幾個打心底里認同攝影是“用光書寫”這句話？對光的精確控制隨著圖像監(jiān)看的數(shù)字化似乎已經(jīng)變得“無足輕重”。實際上，影視創(chuàng)作的天平已經(jīng)過度向設備制造商傾斜,越來越方便的攝制流程和越來越強大的自動化控制,徹底顛覆了數(shù)字時代的創(chuàng)作生態(tài)。

可喜的是，傾斜的天平的確把影像的質(zhì)量提升了一大步,哪怕是一個初出茅廬的非專業(yè)人士,也能憑借設備的自動功能獲得較高質(zhì)量的作品；可悲的是，對于一些不求甚解的專業(yè)影視從業(yè)者來說,本應借助強大的數(shù)字再現(xiàn)能力完成超越膠片的高品質(zhì)影像,卻因?qū)χ悄茉O備的“盲從”,影像質(zhì)量乏善可陳,停留在“膠片感”的自我滿足中。

膠片的時代創(chuàng)造出了許多偉大的作品,100多年來膠片電影一直是高品質(zhì)影像的代名詞。然而自2010年后,數(shù)字影像技術的關鍵突破一下子激活了影像制造業(yè)的潛質(zhì),借助于新材料科學的強有力支撐,短短的5年時間數(shù)字影像的跨越式發(fā)展就徹底超越了按比例結構還原的膠片感,朝著沉浸式體驗的真實影像技術邁進。其中最關鍵的核心技術是對數(shù)伽馬和HDR①,要想徹底厘清這個問題,還要從“光”本身以及“光”與影像的關系說起。

二、光與人眼的進化

光是宇宙之源,蘊含著超乎想象的巨大能量。太陽并不算什么威力巨大的恒星,在銀河系中都排不上號。但即使如此,每秒鐘太陽只使用了它不到0.00000004%的能量就照耀了地球。在相距太陽1.5億公里人類賴以生存的這顆藍色星球上,透過大氣層的能量過濾,我們看到的直射陽光還高達10億尼特。如果嫌數(shù)字不夠感性,可以想象一下把10億支燭光的亮度匯聚成一點的情形。當然把這么高的亮度記錄下來是絕無可能也沒有必要的,因為人眼的極限是2-10萬尼特。超過這個限度,眼睛就再也分辨不出任何亮度變化了,10萬尼特以上的陽光普照給人們白晃晃的感受非常直觀的說明了這一點。

在人類長期的進化過程中,物種競爭優(yōu)化了人眼結構,有利于提高生存幾率的機能不斷得到加強。自然萬物絕大多數(shù)屬于漫反射表面,并且反射率都在90%至1%之間。人類非常好的適應了這部分光線亮度,在人眼看來,這部分景物亮度適中,層次變化豐富,見圖1。

一張普通的A4打印紙在北京9月下午2點晴朗陽光的垂直照射下,它的亮度能達到27000尼特,這就是柯達定義的90%白。超過90%的超白部分一直到100%的假想白(理想白)很少見,是由夾雜著部分鏡面反射顆粒的漫反射物體制造的,像亮晶晶的白雪等。這部分超白亮度很大,接近人類眼睛的閾值上限,雖能被識別但層次感微弱。

漫反射表面不能制造超過假想白的高光,高光主要是光滑表面和鏡面反射制造的,像波光、汽車漆面定向反射等。對于人眼來說,這些光線全部被“消波”,推斷其原因,無非是在狩獵等生存進化中極少被用到,進而退化或從未進化出這部分能力。

圖1　自然光比和人眼視閾

1%-90%的漫反射物體在陽光直射下,亮度為約300-27000尼特。100%也就是30000尼特進入了人眼的閾值極限范圍,那在它之上的部分人眼是否能感受到其亮度變化呢？不同亮度的高光都會被“消波”。值得注意的是,雖然人眼對這部分高光沒有分辨其細節(jié)層次的能力,卻仍能根據(jù)光線對眼睛的刺痛程度比較其強弱。

人眼難道只能看到1%漫反射表面的亮度嗎？而且是300尼特？現(xiàn)如今，家庭液晶電視的亮度在200-400尼特之間,把液晶電視放在直射的陽光下時，影像是絕對看不清楚的。據(jù)科學實驗證實,人眼的閾值下限的確可以達到更低,尤其是在瞳孔調(diào)節(jié)到最大并且沒有更強的光線干擾的情況下。

晴朗的白天,在1%黑以下,也就是300尼特以下是散射光照明,尤其是茂密的樹林,深邃的樹蔭、山洞等,其亮度可低至幾尼特,甚至零點幾尼特。不借助瞳孔調(diào)節(jié),人眼識別光線亮度的閾值下限是0.3尼特,相當于0.001%的漫反射表面的亮度。

有了具體的數(shù)據(jù),就能準確的計算出人眼的寬容度。在瞳孔調(diào)節(jié)不介入的情況下,人眼可以識別的亮度范圍是0.3-30000尼特,約為105∶1,換算成寬容度達到了16.7檔光圈。參考標準觀察者實驗的方法,用DSCLabs 17檔灰階測試卡實驗,人眼能夠分辨18級灰階的層次變化。人眼借助瞳孔調(diào)節(jié)還有驚人的暗視覺能力,最低能看到10-6尼特亮度。計算下來人眼的成像能力可以達到1012∶1,相當于40檔光圈的寬容度,非常驚人,見圖2。

圖2　寬容度比較(SONY中國,王亞明)

“光比105∶1,16.7檔光圈的寬容度”,獲得無瞳孔調(diào)節(jié)的人眼視覺參數(shù)最重要,因為這才是數(shù)字影像追求的終極目標。從記錄到制作,最終到顯示,也就是光—電—光(ADA)的整個傳遞過程都能夠達到16+檔的HDR,創(chuàng)造沉浸式體驗的“真”影像,為數(shù)字影像技術的發(fā)展指明了方向。

三、按比例結構還原的膠片感

前些年被炒得沸沸揚揚的膠片感已經(jīng)淡出歷史舞臺,作為技術發(fā)展的特定階段,膠片感的確引導了傳統(tǒng)感光材料向數(shù)字感光材料的轉(zhuǎn)變,其中核心的基礎框架是Cineon10規(guī)范②。

綜合膠片的感光性能(片基灰霧等)和人眼的關注范圍,柯達把自然景物中能反射1%光線的黑色漫反射表面作為影調(diào)范圍的起點——黑；把最亮的漫反射表面大約是能反射90%光線的白色物體,像白墻、白襯衫等,定義為白；把超過90%的發(fā)光體或者耀眼的反射面,像太陽、燈光、水面反光等,定義為超白。這樣在視覺的亮度范圍內(nèi)就有了三個參照:1%的黑、90%的白和太陽。于是,視亮度范圍分成了兩個區(qū)域:1%黑至90%白之間,稱之為“正常視亮度”；大于90%的白,稱之為“超白”。正常視亮度范圍內(nèi)的物品包括自然界大部分景物和日常用品,像衣服、皮膚、建筑物、動物等。雖然漫反射表面“正常視亮度”的亮度范圍只占極小的一部分,但是人眼和膠片的非線性對數(shù)響應拉伸了這個范圍,同時壓縮了亮部,見圖3。

模擬量之間的轉(zhuǎn)換遵循著宇宙通行的法則。膠片和人眼都有兩個超級的能力,第一個是都有巨大的動態(tài)范圍(人眼比彩色負片多4.7檔),既可以記錄暗的物體,又可以捕獲差不多要亮數(shù)千倍的超白物體。第二個是在暗部具有非常豐富的細節(jié),但對于非常明亮的物體,則只保留越來越少的細節(jié)。

在還原現(xiàn)實世界的道路上,膠片的偉大貢獻在于它以仿對數(shù)的特性放大了人眼的“關注范圍”(Area of Interest)。圖4是時任柯達旗下電影制作者辦事處的高級合成師和技術總監(jiān)Steve Wright關于關注范圍的精彩說明,其中X軸是亮度的絕對值,等比例變化。Y軸是不透明度,以百分比來表示。隨著光線強度(數(shù)量)的遞增,膠片的不透明度也隨之增加,但并沒有像光線一樣等比例變化,而是變化的幅度在100以后迅速變緩。這正是物理感光材料的特性,隨著乳劑層未感光的顆粒變少,光化學反應迅速衰減直至停止。從100至1000,占比光量90%的內(nèi)容對于視覺來說并沒有那么重要,在長期的進化中,人類的視覺系統(tǒng)壓縮了對這部分光線的反應,而強化了1-100之間占比10%代表地面景物的光線亮度范圍,毫無疑問,這部分“關注范圍”對一個物種的生存至關重要。

圖3　現(xiàn)實世界的亮度與感知的視亮度

改造圖4的顯示方式,圖5以對數(shù)的形式匹配人眼的非線性特點,更有助于理解膠片在與人眼保持感知一致性方面的優(yōu)勢。“關注范圍”得以放大,“定向高光”受到壓縮,膠片影調(diào)值的特性和人的視覺特性高度匹配。幾乎可以從中總結出一個哲理:模擬量對模擬量的再現(xiàn)天然符合自然定律。

圖4　用線性單位表示的膠片對光線的響應曲線③

圖5　以對數(shù)單位表示的膠片對光線的響應曲線④

借助于這條響應曲線,影視工業(yè)流程逐漸確定了創(chuàng)作的規(guī)范,攝影部門在拍攝時要先進行定光的工作。即先確定光圈值,記作N,在影調(diào)結構中數(shù)值是0.0Stops(0檔)。以此位置為基準設定場景標準中灰的亮度,然后通過照明手段,使各要素成像后的亮度按照創(chuàng)作需要合理分布在特性曲線上,見圖6。

圖6　柯達(KODAK VISION3 Color Negative Film)膠片的特性曲線

N點(0點)稱為曝光點或定光點,攝影曝光控制的中心工作就是圍繞N點,把燈光照明和所使用的攝影膠片特性精密結合,有目的的取舍,以最高的影像質(zhì)量滿足“故事”的講述對形式的內(nèi)在需求。

定光點上3檔到4檔是基準白,再往上3檔留給超白。定光點下5檔留給大部分中間調(diào)和所有暗部。遺憾的是,商用的彩色負片寬容度“定格”在了12檔。相比人眼的16.7檔,只占不到十六分之一。而現(xiàn)在的數(shù)字攝影機通過改造傳感器自身的直線性特性,以對數(shù)的方式已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)15+檔的寬容度。隨著顯示技術的突破,很快便能匹配與人眼的感知一致性,在還原真實世界的道路上更進一步。

四、沉浸體驗式“真”影像

作為數(shù)字影像的始作俑者和膠片帝國的“掘墓人”,柯達在上個世紀90年代開啟了數(shù)字中間片的大門,開發(fā)了膠片數(shù)字化的Cineon規(guī)范。把傳感器的直線性數(shù)字化改為對數(shù)數(shù)字化,將膠片的全動態(tài)范圍看做大約10檔,后來經(jīng)過改良的Cineon10比特標準實際上提供了稍大于11檔的范圍。Cineon功不可沒,它孕育了當前最流行的影像數(shù)字編碼范式。2010年開始,在它的基礎上數(shù)字攝影機迅速崛起,僅僅兩年后柯達宣布破產(chǎn)。通過提升傳感器材料性能,借助對數(shù)曲線,數(shù)字攝影機已經(jīng)達到了15+檔的寬容度(少數(shù)廠商宣稱已經(jīng)超過了16檔),拍攝已經(jīng)基本實現(xiàn)HDR。后期流程中ACES⑤用25檔的寬容度,16比特半浮點運算,在整個框架規(guī)范上也已經(jīng)實現(xiàn)HDR。

影像記錄領域的一切努力都是為了一個目標,那就是更逼真的再現(xiàn)我們賴以生存的世界。HDR近在咫尺,數(shù)字影像不應該僅僅以“膠片感”為目標,充當膠片的替代品,而是應該全方位應用HDR,成為沉浸式逼真影像的創(chuàng)造者。

HDR是首先應用于數(shù)字照相機中的技術。數(shù)字動態(tài)影像雖然也用HDR這種表述,實際上卻不是一回事。照相機的HDR是同時拍攝兩張或多張照片,采用包圍式曝光,然后再合成。雖然RED開發(fā)了自己特有的X幀技術,但嚴格講動態(tài)影像并不適用這種包圍式的方法,因為時域上的錯位會造成重影和模糊?，F(xiàn)在的數(shù)字攝影機HDR技術的核心是提高傳感器件性能,擴展其寬容度,達到15+檔甚至16+檔的動態(tài)范圍,填滿人眼的視閾界限。目前這個技術在數(shù)字攝影機上已經(jīng)基本實現(xiàn)。

既然前期拍攝能實現(xiàn)HDR,那么就要毫不吝惜的使用16BitRAW或是對數(shù)特性的Log,并在拍攝時區(qū)分明視覺和暗視覺。在明視覺環(huán)境下(以晴天陽光照射為例),不過分追求300nits以下的暗部細節(jié),重點要集中在7000nits上下部分的表現(xiàn),兼顧30000nits的層次。用Log模式拍攝時,要針對不同的Log進行測試,掌握不同廠商的對數(shù)編碼在影調(diào)關系上表達重點的訴求差異,給主要被攝對象分配更多的碼率資源,以豐富這一部分的影調(diào)層次。

當寬容度不夠時,膠片時期的創(chuàng)作首先考慮的是取舍。第一,以人物或其他拍攝對象的正確曝光作為定光點,以此為中心舍棄不能記錄的高光或暗部,見圖7。第二,以高光處作為感光材料的曝光上限,然后根據(jù)感光材料的寬容度計算,推導出這場戲的定光點。實拍時被攝主體的亮度如果不能滿足定光點的曝光量,用人工布光的方式補光。如果超出了定光點的要求,則要通過擋光的方式減光,達到理想的影調(diào)關系,見圖8。

圖7　膠片攝影對影調(diào)的取舍⑥

圖8　影片《出租車司機》辦公室實景

HDR和膠片的創(chuàng)作理念整體上一致,只是因為其接近人眼的大寬容度,被膠片肩部壓縮的高光在HDR中能夠得到比較充分的展開,影調(diào)控制的具體參數(shù)上還是存在不小差異的。

第一,數(shù)字攝影機多出來的2-4檔的寬容度,意味著4倍甚至16倍于膠片的光比,更為豐富的高光表現(xiàn)的一定是HDR影像的特質(zhì)。這里的高光和膠片時代有了根本的不同,膠片依靠它非常有彈性的肩部的確能夠記錄更亮的部分,但是在影調(diào)上卻極大壓縮了層次關系。通過后期配光也無法完全展開,能展開的部分亦缺少層次。所以HDR在創(chuàng)作中一定是以豐富的高光層次為訴求,見圖9。

圖9　非HDR圖像的動態(tài)范圍和HDR的

第二,定光點要準確,不能過分依賴后期調(diào)整。高光點的位置從定光點以上不再是4檔,而是6檔甚至7檔。既然有這么大的余地,可否放松對曝光控制的要求,通過后期調(diào)整加以彌補？答案當然是否定的。創(chuàng)作從來都是一件嚴肅的事情,“前期不夠后期補”從來都不是正確的選擇。當然,前期有拿捏不準的情況,為了給后期留足余地,需要考慮用高比特的RAW格式拍攝。余地有多大？這取決于究竟有多少冗余碼值供我們使用,實踐表明RAW多一些,而Log只有1-2檔。

第三,影調(diào)控制要精準。由于不同攝影機傳感器感光度、寬容度、工作空間特性的不同,在記錄同一場景時會產(chǎn)生不同的影調(diào)結構。了解了不同攝影機以及不同工作空間模式的影調(diào)傳遞特性,自然場景和人工照明場景的影調(diào)結構和最終呈現(xiàn)的關系就會變得非常明確。在此基礎上,總結100多年來影視創(chuàng)作在影調(diào)結構設計中的經(jīng)驗,結合攝影機不同的工作空間特性,調(diào)整用光量和光比,能夠精確控制畫面創(chuàng)作中的影調(diào)結構和預判最終的畫面效果呈現(xiàn)。

當然要想全面實現(xiàn)HDR,還需要在終端顯示技術上突破。觀眾家庭普通的液晶電視機的亮度在200-400尼特,對比度1000∶1,和人眼能看到的10萬比1的自然界亮度比相比,簡直是“茶壺里煮餃子”(王亞明語)。電影院放映設備的亮度更低,一般為48尼特,借助于全黑的觀看環(huán)境,對比度也能達到1000∶1。杜比vision利用激光技術把放映機的亮度提高到了106尼特,大大提高了影像的觀感,效果震撼。超高亮度的顯示屏也已經(jīng)被研發(fā)出來,最高可以達到4000尼特。SONY的OLED技術雖然最高亮度只有1000尼特,但是自發(fā)光材料的特性可以得到亮度極低的“黑”,官方給出的數(shù)據(jù)是對比度1000000∶1,甚是驚人。

五、結語:為造型語言創(chuàng)造了一種新的美的形式

數(shù)字化是影像記錄領域最偉大的革命,它正帶領我們走入兩個截然不同的世界。一個是基于計算機的虛擬仿真,也就是VR。另一個是更加逼真的再現(xiàn)人眼看到的現(xiàn)實世界,即HDR。VR正在起步,大家對它的巨大潛能充滿好奇,但在具體應用中還存在許多未知數(shù)。而HDR正相反,借助人類一百多年的研究實踐成果和材料科學的不斷突破,這項偉大的創(chuàng)造在技術層面已經(jīng)塵埃落定,在創(chuàng)作中正在結出碩果。優(yōu)秀的HDR畫面,在表現(xiàn)自然場景時層次豐富、細節(jié)突出。以人物為表現(xiàn)主體時有更強烈的質(zhì)感,情緒傳遞更加準確到位。可以說HDR是影視藝術創(chuàng)作價值評判的技術實現(xiàn),是對光影關系的重新定義。HDR還意味著在“逼真”呈現(xiàn)的初始要義之外,現(xiàn)有的技術手段對光影的重塑能力被大大增強了,它為造型語言創(chuàng)造了一種新的美的形式。

HDR使人類第一次有能力完美的復制大自然的光影關系。如果說之前的影視藝術模擬人的感知,觀眾被動接受,那么HDR則是用沉浸式參與,激勵觀眾進入積極主動的審美接受狀態(tài)。從感知到沉浸,獲得更高層次的審美體驗,這應該是HDR創(chuàng)作應用的終極追求。

注釋:

①高動態(tài)范圍圖像(High-Dynamic Range,簡稱HDR),相比普通的圖像,可以提供更多的動態(tài)范圍和圖像細節(jié),根據(jù)不同的曝光時間的LDR(Low-Dynamic Range)圖像,利用每個曝光時間相對應最佳細節(jié)的LDR圖像來合成最終HDR圖像,能夠更好的反映出真實環(huán)境中的視覺效果。

②Cineon系統(tǒng)是一個突破性的基于計算機的數(shù)字電影系統(tǒng),上世紀90年代由柯達創(chuàng)建。它由膠片掃描儀、膠片記錄儀和工作站組成(硬件和軟件),合稱為Cineon 數(shù)字電影工作站,用于合成、特效、影像復原和色彩管理。Cineon系統(tǒng)項目還負責設計數(shù)字電影的畫面處理,也即是著名的Cineon10,它是一個10比特對數(shù)格式,一經(jīng)推出統(tǒng)治電影視效領域十余年,并成為SMPTE數(shù)字圖像交換格式DPX的基礎框架。

③④Steve Wright.DigitalCompositingforFilmandVideo.Focal Press.2010.p.315,p.318.

⑤ACES是Academy Color Encoding Specification(學院色彩編碼規(guī)范)的縮寫,是由AMPAS(美國電影藝術與科學學院)制定的色彩管理標準,其目的是通過在視頻制作工作流程中,采用一個標準化色彩空間來簡化復雜的色彩管理工作流程,提高效率。

⑥⑦何清:《電影攝影照明技巧教程》,世界圖書出版公司2012年版,第246、189頁。

(作者張寧系中國傳媒大學繼續(xù)教育學部講師；畢根輝系中國傳媒大學繼續(xù)教育學部教授)

【責任編輯:劉俊】