張寧

業(yè)界對(duì)HDR的關(guān)注點(diǎn)本質(zhì)上可以概括為“所拍即所見(jiàn)”，畢竟攝影的首要問(wèn)題是“忠實(shí)”的記錄，然后才是藝術(shù)處理使之更加“悅目”。HDR被熱捧還在于它是下一代影像標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵詞，觀眾的期待聚焦在對(duì)影調(diào)更加逼真的再現(xiàn)。

人類(lèi)對(duì)光的感受與人眼的進(jìn)化密切相關(guān)，人眼借助瞳孔調(diào)節(jié)有驚人的視覺(jué)成像能力，可以捕獲1012：1的亮度范圍。無(wú)瞳孔調(diào)節(jié)時(shí)的人眼視覺(jué)參數(shù)也能達(dá)到光比105：1，相當(dāng)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(biāo)，如果從記錄、制作到最終顯示，整個(gè)傳遞過(guò)程都能達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，將會(huì)是再一次影像質(zhì)量的“工業(yè)革命”。

在這個(gè)“所見(jiàn)即所得”的年代，還有幾個(gè)打心底里認(rèn)同攝影是“用光書(shū)寫(xiě)”這句話？對(duì)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(wú)足輕重”，實(shí)際上影視創(chuàng)作的天平已經(jīng)過(guò)度向設(shè)備制造商傾斜，越來(lái)越方便的攝制流程和越來(lái)越強(qiáng)大的自動(dòng)化控制，徹底顛覆了數(shù)字時(shí)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(gè)初出茅廬的非專(zhuān)業(yè)人士，也能憑借設(shè)備的自動(dòng)功能獲得較高質(zhì)量的作品；可悲的是對(duì)于一些不求甚解的專(zhuān)業(yè)影視從業(yè)者來(lái)說(shuō)，本應(yīng)借助強(qiáng)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(shè)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(shí)代創(chuàng)造出了許多偉大的作品，100多年來(lái)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(shù)的關(guān)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(xué)的強(qiáng)有力支撐，短短的5年時(shí)間數(shù)字影像的跨越式發(fā)展就徹底超越了按比例結(jié)構(gòu)還原的膠片感，朝著沉浸式體驗(yàn)的真實(shí)影像技術(shù)邁進(jìn)。其中最關(guān)鍵的核心技術(shù)是對(duì)數(shù)伽馬和HDR1，要想徹底厘清這個(gè)問(wèn)題，還要從“光”本身以及“光”與影像的關(guān)系說(shuō)起。

1.光與人眼的進(jìn)化

光是宇宙之源，蘊(yùn)含著超乎想象的巨大能量。太陽(yáng)并不算什么威力巨大的恒星，在銀河系中都排不上號(hào)。但即使如此，每秒鐘太陽(yáng)只使用了它不到0.00000004%的能量就照耀了地球。在相距太陽(yáng)1.5億公里人類(lèi)賴(lài)以生存的這顆藍(lán)色星球上，透過(guò)大氣層的能量過(guò)濾，我們看到的直射陽(yáng)光還高達(dá)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(diǎn)的情形。當(dāng)然把這么高的亮度記錄下來(lái)是絕無(wú)可能也沒(méi)有必要的，因?yàn)槿搜鄣臉O限是2～10萬(wàn)尼特。超過(guò)這個(gè)限度，眼睛就再也分辨不出任何亮度變化了，10萬(wàn)尼特以上的陽(yáng)光普照給人們白晃晃的感受非常直觀的說(shuō)明了這一點(diǎn)。

在人類(lèi)長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，物種競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化了人眼結(jié)構(gòu)，有利于提高生存幾率的機(jī)能不斷得到加強(qiáng)。自然萬(wàn)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(lèi)非常好的適應(yīng)了這部分光線亮度。在人眼看來(lái)，這部分景物亮度適中，層次變化豐富。（圖1）

一張普通的A4打印紙?jiān)诒本?月下午2點(diǎn)晴朗陽(yáng)光的垂直照射下，它的亮度能達(dá)到27000尼特，這就是柯達(dá)定義的90%白。超過(guò)90%的超白部分一直到100%的假想白（理想白）很少見(jiàn)，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(lèi)眼睛的閾值上限，雖能被識(shí)別但層次感微弱。

漫反射表面不能制造超過(guò)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(chē)漆面定向反射等。對(duì)于人眼來(lái)說(shuō)，這些光線全部被“消波”，推斷其原因，無(wú)非是在狩獵等生存進(jìn)化中極少被用到，進(jìn)而退化或從未進(jìn)化出這部分能力。

1%～90%的漫反射物體在陽(yáng)光直射下，亮度為約300～27000尼特。100%也就是30000尼特進(jìn)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(huì)被“消波”，值得注意的是，雖然人眼對(duì)這部分高光沒(méi)有分辨其細(xì)節(jié)層次的能力，卻仍能根據(jù)光線對(duì)眼睛的刺痛程度比較其強(qiáng)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)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(yáng)光下時(shí)影像是絕對(duì)看不清楚的。據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，人眼的閾值下限的確可以達(dá)到更低，但這是在瞳孔調(diào)節(jié)到最大并且沒(méi)有更強(qiáng)的光線干擾的情況下才有效。

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(shù)林，深邃的樹(shù)蔭、山洞等，其亮度可低至幾尼特，甚至零點(diǎn)幾尼特。不借助瞳孔調(diào)節(jié)，在明亮環(huán)境下人眼識(shí)別光線亮度的閾值下限是0.3尼特，相當(dāng)于0.001%的漫反射表面的亮度。

有了具體的數(shù)據(jù)，就能準(zhǔn)確的計(jì)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(shí)別的亮度范圍是0.3～30000尼特，約為105：1，換算成寬容度達(dá)到了16.7檔光圈。參考標(biāo)準(zhǔn)觀察者實(shí)驗(yàn)的方法，用DSCLabs 17檔灰階測(cè)試卡實(shí)驗(yàn)，人眼能夠分辨18級(jí)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(jué)能力，最低能看到10-6尼特亮度。計(jì)算下來(lái)人眼的成像能力可以達(dá)到1012：1，相當(dāng)于40檔光圈的寬容度，非常驚人。（圖2）

“光比105：1，16.7檔光圈的寬容度”，獲得無(wú)瞳孔調(diào)節(jié)的人眼視覺(jué)參數(shù)最重要，因?yàn)檫@才是數(shù)字影像追求的終極目標(biāo)。從記錄到制作，最終到顯示，也就是光——電——光（ADA）的整個(gè)傳遞過(guò)程都能夠達(dá)到16+檔的HDR，創(chuàng)造沉浸式體驗(yàn)的“真”影像，為數(shù)字影像技術(shù)的發(fā)展指明了方向。

2.按比例結(jié)構(gòu)還原的膠片感

前些年被炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的膠片感已經(jīng)淡出歷史舞臺(tái)，作為技術(shù)發(fā)展的特定階段，膠片感的確引導(dǎo)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(chǔ)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(guān)注范圍，柯達(dá)把自然景物中能反射1%黑色漫反射表面作為影調(diào)范圍的起點(diǎn)——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(guò)90%的發(fā)光體或者耀眼的反射面，像太陽(yáng)、燈光、水面反光等，定義為超白。這樣在視覺(jué)的亮度范圍內(nèi)就有了三個(gè)參照：1%的黑、90%的白和太陽(yáng)。于是，視亮度3范圍分成了兩個(gè)區(qū)域：1%黑至90%白之間，稱(chēng)之為“正常視亮度”；大于90%的白，稱(chēng)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(dòng)物等。雖然漫反射表面的“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(duì)數(shù)響應(yīng)拉伸了這個(gè)范圍，同時(shí)壓縮了亮部。（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(gè)超級(jí)的能力，第一個(gè)是都有巨大的動(dòng)態(tài)范圍（人眼比彩色負(fù)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(gè)是在暗部具有非常豐富的細(xì)節(jié)，但對(duì)于非常明亮的物體，則只保留越來(lái)越少的細(xì)節(jié)。

在還原現(xiàn)實(shí)世界的道路上，膠片的偉大貢獻(xiàn)在于它以仿對(duì)數(shù)的特性放大了人眼的“關(guān)注范圍”（Area of Interest）。圖4是時(shí)任柯達(dá)旗下電影制作者辦事處的高級(jí)合成師和技術(shù)總監(jiān)STEVE WRIGHT關(guān)于關(guān)注范圍的精彩說(shuō)明，其中X軸是亮度的絕對(duì)值，等比例變化。Y軸是不透明度，以百分比來(lái)表示。隨著光線強(qiáng)度（數(shù)量）的遞增，膠片的不透明度也隨之增加，但并沒(méi)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(xué)反應(yīng)迅速衰減直至停止。從100至1000，占比光量90%的內(nèi)容對(duì)于視覺(jué)來(lái)說(shuō)并沒(méi)有那么重要，在長(zhǎng)期的進(jìn)化中，人類(lèi)的視覺(jué)系統(tǒng)壓縮了對(duì)這部分光線的反應(yīng)，而強(qiáng)化了1-100之間占比10%代表地面景物的光線亮度范圍，毫無(wú)疑問(wèn)，這部分“關(guān)注范圍”對(duì)一個(gè)物種的生存至關(guān)重要。

改造圖4的顯示方式，圖5以對(duì)數(shù)的形式匹配人眼的非線性特點(diǎn)，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(shì)。“關(guān)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(jué)特性高度匹配。幾乎可以從中總結(jié)出一個(gè)哲理：模擬量對(duì)模擬量的再現(xiàn)天然符合自然定律。

借助于這條響應(yīng)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(mén)在拍攝時(shí)要先進(jìn)行定光的工作。即先確定光圈值，記作N，在影調(diào)結(jié)構(gòu)中數(shù)值是0.0Stops（0檔）。以此位置為基準(zhǔn)設(shè)定場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)中灰的亮度，然后通過(guò)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。

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

定光點(diǎn)上3檔到4檔是基準(zhǔn)白，再往上3檔留給超白。定光點(diǎn)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(fù)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?jǐn)z影機(jī)通過(guò)改造傳感器自身的直線性特性，以對(duì)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(shù)的突破，很快便能匹配與人眼的感知一致性，在還原真實(shí)世界的道路上更進(jìn)一步。

1.高動(dòng)態(tài)范圍圖像（High-Dynamic Range，簡(jiǎn)稱(chēng)HDR），相比普通的圖像，可以提供更多的動(dòng)態(tài)范圍和圖像細(xì)節(jié)，根據(jù)不同的曝光時(shí)間的LDR（Low-Dynamic Range）圖像，利用每個(gè)曝光時(shí)間相對(duì)應(yīng)最佳細(xì)節(jié)的LDR圖像來(lái)合成最終HDR圖像，能夠更好的反映出真實(shí)環(huán)境中的視覺(jué)效果。

2.Cineon系統(tǒng)是一個(gè)突破性的基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字電影系統(tǒng)，上世紀(jì)90年代柯達(dá)創(chuàng)建的。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(chēng)為Cineon數(shù)字電影工作站，用于合成、特效、影像復(fù)原和色彩管理。

作為4K的端到端，10比特的數(shù)字電影制作解決方案，該系統(tǒng)超越了它的時(shí)代。該系統(tǒng)的三大組成部分（掃描儀，工作站軟件，和記錄儀）都獲得了單獨(dú)的電影藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

Cineon系統(tǒng)項(xiàng)目還負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)數(shù)字電影的畫(huà)面處理，也即是著名的Cineon10，它是一個(gè)10比特對(duì)數(shù)格式，已經(jīng)推出統(tǒng)治電影視效領(lǐng)域十余年，并成為SMPTE數(shù)字圖像交換格式DPX的基礎(chǔ)框架。

3.我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑照明術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJT199—98）對(duì)視亮度定義為：“人眼知覺(jué)一個(gè)區(qū)域所發(fā)射光的多寡的視覺(jué)屬性”，視亮度是更多地從心理物理量和生理物理量的角度去研究光環(huán)境。

4.《Digital Compositing for Film and Video》，第三版，出版日期： 2010年5月3日，出版社： Focal Press，作者【美】STEVE WRIGHT，作者曾任柯達(dá)旗下電影制作者辦事處的高級(jí)合成師和技術(shù)總監(jiān)。

5.同4。