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        淺析數(shù)字影像處理過程中的色彩溢出現(xiàn)象

        2021-04-02 02:52:44
        現(xiàn)代電影技術(shù) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:色彩信息

        (北京電影學(xué)院中國電影高新技術(shù)研究院,北京 100089)

        1 引言

        色彩溢出現(xiàn)象一直困擾著數(shù)字影像制作,降低畫面質(zhì)量和影片制作水準(zhǔn)。畫面中存在色彩溢出的區(qū)域,會出現(xiàn)色彩失真和細節(jié)損失。畫面的色彩溢出現(xiàn)象發(fā)生在數(shù)字影像處理的不同階段,色彩信息超出數(shù)字影像記錄范圍是造成畫面色彩溢出的成因。

        圖1 拍攝過程中出現(xiàn)的色彩溢出現(xiàn)象①

        影視制作中,色彩溢出發(fā)生在前期拍攝和后期制作兩個階段。本篇文章首先分析前期拍攝和后期制作過程中,數(shù)字影像出現(xiàn)色彩溢出的具體成因,然后總結(jié)現(xiàn)有解決辦法,最后梳理針對存在色彩溢出畫面的修復(fù)方法。在文章結(jié)尾,我們對數(shù)字影像處理過程中的色彩溢出現(xiàn)象做出總結(jié),并對該現(xiàn)象的未來解決方法做出展望。

        圖2 色彩空間轉(zhuǎn)換造成的色彩溢出現(xiàn)象②

        2 前期拍攝階段的色彩溢出及解決方案

        前期拍攝中,當(dāng)景物色彩信息超出攝影機感光元器件記錄范圍時,超出攝影機記錄范圍的色彩信息會被裁切,最終在畫面中形成色彩溢出。合理設(shè)置攝影機曝光參數(shù),是解決前期拍攝色彩溢出的主要手段之一。

        如圖3(a)所示,由于整體畫面曝光設(shè)置問題,畫面中天空的亮度信息超出了攝影機的記錄范圍,導(dǎo)致畫面中天空藍色通道的色彩溢出,通過減小曝光量,圖3(b)修正天空的色彩溢出,正確還原天空的顏色。針對這種由于曝光不正確造成的畫面色彩溢出現(xiàn)象,我們需要在前期拍攝中,保證畫面曝光正常,確保畫面中不存在過曝的區(qū)域。為了保證攝影機的正確曝光,我們首先需要掌握攝影機所能記錄的動態(tài)范圍和色域范圍,結(jié)合測光表直方圖等輔助技術(shù)手段,在特殊情況下,使用ND 鏡減小攝影機進光量,最后使用RAW 格式進行錄制,最大程度記錄景物的色彩信息。

        圖3

        隨著數(shù)字?jǐn)z影機記錄的動態(tài)范圍和色域范圍不斷提高,畫面整體曝光過量造成的色彩溢出得到有效避免。然而在使用攝影機拍攝直接射入鏡頭的光源時,特別是拍攝LED 光源造成的色彩溢出現(xiàn)象,依然存在。

        發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED),是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體器件。LED 有著節(jié)能、穩(wěn)定、亮度高等優(yōu)點,可以作為裝飾燈使用。彩色LED發(fā)光是依靠LED 內(nèi)部電子碰撞產(chǎn)生的紫外光激發(fā)二極管中的填充化合物完成的,根據(jù)填充化合物的成分不同,LED 可以發(fā)出不同顏色的光,由于填充合成物不足或純度不夠,導(dǎo)致LED 內(nèi)部無法完全吸收紫外光線,最終致使紫外光線泄露,這種現(xiàn)象被稱作LED燈具的“藍光溢出”。在拍攝光線直射入鏡頭的LED光源時,由于LED 光源亮度信息超出攝影機記錄范圍,且存在紫外線溢出現(xiàn)象,使得攝影機無法完全記錄LED 光源的色彩信息,造成畫面中直射光源的區(qū)域多會出現(xiàn)藍色通道的色彩溢出(圖4)。

        圖4 LED指示燈藍色通道色彩溢出④

        針對拍攝直射光源尤其是LED 光源可能出現(xiàn)的色彩溢出的問題,Sony 公司推出了Adaptive Matrix(自適應(yīng)矩陣)功能。數(shù)字影像畫面色彩由紅綠藍三通道組合而成,通過矩陣控制三個通道可以設(shè)置攝影機的白平衡,起到更改畫面整體顏色的作用。Sony公司推出的自適應(yīng)矩陣,可以根據(jù)預(yù)設(shè)的顯示標(biāo)準(zhǔn),識別畫面中超出預(yù)設(shè)色域的區(qū)域,降低目標(biāo)區(qū)域的亮度及色彩飽和度,從而達到修復(fù)畫面色彩溢出、還原畫面細節(jié)的目的。如圖5所示,拍攝時,水立方外墻的光線直射入鏡頭,造成畫面的藍色通道色彩溢出,水立方外墻細節(jié)丟失,使用自適應(yīng)矩陣后,攝影機降低畫面中存在色彩溢出區(qū)域的飽和度,還原了水立方外墻的細節(jié)。

        圖5

        3 后期制作階段的色彩溢出及解決方案

        進入后期制作后,我們需要對源素材的色彩進行處理。當(dāng)我們將源素材從一個較大色域范圍轉(zhuǎn)換到較小色域范圍時,超出色域范圍的色彩信息,會被裁切,導(dǎo)致畫面中出現(xiàn)色彩溢出,圖2是將原始素材從ARRI Wide Gamut轉(zhuǎn)換到ACEScct/AP1 的過程中發(fā)生的色彩溢出現(xiàn)象。

        色域轉(zhuǎn)換是色彩空間轉(zhuǎn)換的一部分,在完成色域轉(zhuǎn)換后,最大程度地保留轉(zhuǎn)換前畫面的色彩細節(jié),是色域轉(zhuǎn)換的需求之一。色域轉(zhuǎn)換的方法有很多,根據(jù)色域轉(zhuǎn)換的意圖,主要可以分為:基于關(guān)聯(lián)性的色域轉(zhuǎn)換方式(Relative Rendering)和基于感知的色域轉(zhuǎn)換方式(Perceptual Rendering)。基于關(guān)聯(lián)性的色域轉(zhuǎn)換方式,通過建立不同色域之間相同色彩信息的精準(zhǔn)對應(yīng)關(guān)系,對目標(biāo)色域之外的色彩信息做裁切處理,前文中色彩空間轉(zhuǎn)換過程中色彩溢出的現(xiàn)象(圖2)就是使用基于關(guān)聯(lián)性的色域轉(zhuǎn)換方式的結(jié)果?;诟兄纳蜣D(zhuǎn)換方式,嘗試保留目標(biāo)色域范圍之外的色彩信息,構(gòu)建冗余色彩信息與目標(biāo)色域的對應(yīng)關(guān)系,保留原始色域的色彩信息,在目標(biāo)色域?qū)υ忌蜻M行重建,缺點是會導(dǎo)致色域內(nèi)部色相及飽和度的變化,圖6是使用不同色域轉(zhuǎn)換方法的轉(zhuǎn)換結(jié)果對比。

        圖6

        目前,主流調(diào)色軟件不斷推出新的功能輔助色彩空間轉(zhuǎn)換,也給修正色彩空間轉(zhuǎn)換帶來的色彩溢出提供了更多解決方案。以Black Magic 公司的Davinci Resolve 調(diào)色軟件為例,可以自主選擇色域轉(zhuǎn)換方式,圖7是使用Color Space Transform 功能進行色域轉(zhuǎn)換的效果對比。原始素材使用Sony SLog3 色彩空間錄制,經(jīng)過色彩空間轉(zhuǎn)換后,轉(zhuǎn)換到Rec.709色彩空間。我們可以觀察到,與圖7(b)相比,使用飽和度壓縮進行色域轉(zhuǎn)換的圖7(a),高光部分過渡自然,畫面細節(jié)得到了保留,色彩溢出現(xiàn)象得到了顯著改善。針對不同的制作需求,我們在后期制作中,可以靈活選擇更適合的色域轉(zhuǎn)換方式。

        圖7

        圖8 Gamut compress 前后對比圖⑦

        針對色域轉(zhuǎn)換造成的色彩溢出問題,主流調(diào)色軟件還提供了壓縮源素材色域的方法,通過壓縮超出目標(biāo)色域邊界的色彩信息,從而達到修正色彩溢出、還原畫面細節(jié)的目的。Filmlight 公司的專業(yè)調(diào)色軟件Baselight 在5.0版本中,推出了色域壓縮(Compress Gamut)的功能,可以壓縮指定色彩的色域范圍,如圖8所示,通過壓縮藍色的色域范圍,消除了女演員手中絲巾的藍色溢出,與此同時,畫面中其他顏色的色相也得到了保護,減小了由于色域轉(zhuǎn)換造成的畫面色相偏移。

        在調(diào)色環(huán)節(jié),我們會對數(shù)字影像的對比度、色相、飽和度、亮度、色溫等色彩參數(shù)進行調(diào)整。數(shù)字影像的顏色由紅綠藍三通道的混合得到,在對數(shù)字影像進行調(diào)色時,當(dāng)紅綠藍通道的數(shù)值超出原有記錄范圍時,就會在畫面中出現(xiàn)色彩溢出或過曝的現(xiàn)象(圖10)。

        圖9

        預(yù)防后期調(diào)色過程中的色彩溢出,需要借助示波器控制畫面的飽和度,Davinci Resolve 17推出了CIE色度圖監(jiān)看功能,可以直觀觀測到畫面中的色彩信息,是否超出工程色彩空間的色域邊界。此外,主流調(diào)色軟件也在不斷推出新的調(diào)色工具,方便創(chuàng)作者更好地控制畫面中色彩的飽和度。Davinci Resolve 17 推出了色彩扭曲(Color Warper)功能,相較于傳統(tǒng)的曲線工具,操作更加便捷,可以更加直觀地調(diào)整畫面中的色相和飽和度。

        4 色彩溢出修復(fù)

        針對已經(jīng)形成色彩溢出的畫面,現(xiàn)有研究提出了重建和修復(fù)兩種解決思路。

        圖10

        重建法首先分析畫面中存在色彩溢出的區(qū)域,再根據(jù)這些區(qū)域的飽和度進行劃分,將畫面中存在色彩溢出的區(qū)域劃分為不同的區(qū)塊,之后通過差值算法,根據(jù)每一區(qū)塊周圍的像素點顏色,校正區(qū)塊內(nèi)像素顏色,最后使用平滑算法,對不同區(qū)塊的亮度、色相、飽和度做差值預(yù)算,復(fù)原畫面細節(jié)的平滑過渡,完成顏色溢出的修復(fù)(圖10)。

        修復(fù)法通過分析畫面中存在色彩溢出區(qū)域中有利用價值的顏色信息,修復(fù)色彩信息被裁切的顏色通道,從而達到修復(fù)畫面內(nèi)容的目的。在修復(fù)過程中,首先分析畫面中存在色彩溢出的區(qū)域,然后將色彩溢出區(qū)域擴展到對應(yīng)的色彩線對(Color Lines)中,最后根據(jù)條帶中非溢出通道的色彩信息,修復(fù)溢出通道,找回畫面丟失的內(nèi)容細節(jié)。

        圖11 色彩修復(fù)效果圖,未被裁切的藍色通道(a)保留了被裁切的綠色通道(b)丟失的亮度細節(jié),這些信息被用來修復(fù)畫面中的色彩溢出,最終得到(c)

        5 結(jié)語

        本篇文章分析了前期拍攝和后期制作兩個環(huán)節(jié)發(fā)生色彩溢出的成因,結(jié)合前人研究,給出了現(xiàn)有技術(shù)手段下的有效解決方案,并介紹了修復(fù)色彩溢出畫面的方法。最后,我們對數(shù)字影像處理中的色彩溢出現(xiàn)象的未來發(fā)展趨勢,做出三點展望。

        (1)隨著影視技術(shù)的提升,攝影機所能記錄的亮度動態(tài)范圍以及色域范圍不斷提升,視頻顯示設(shè)備所能呈現(xiàn)的色彩信息不斷增大,在未來的影視制作中,由于設(shè)備性能的局限性所導(dǎo)致的色彩溢出現(xiàn)象,將會減少。

        (2)在色彩空間轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的畫面色彩溢出現(xiàn)象依然無法避免,由較大色域轉(zhuǎn)換到較小色域的過程中,超出較小色域的色彩信息,無論以何種方式進行處理,都無法在較小色域中被精準(zhǔn)還原。未來針對這一問題的主要解決思路,還是集中在改善色域轉(zhuǎn)換的映射方式,在精確還原色彩信息和保留畫面細節(jié)之中找到一個折中點。

        (3)現(xiàn)有色彩溢出修復(fù)方法,還存在局限性和有待提高的空間,未來會出現(xiàn)更好的修復(fù)方法。

        注釋

        ①圖片來源:https∶//www.eoshd.com/comments/topic/7172-sony-a7s-color-channel-clipping-issues/。

        ②圖片來源:https∶//acescentral.com/knowledge-base-2/crushed-colors-caused-by-brightly-colored-lights/。

        ③圖片來源:https∶//en.wikipedia.org/wiki/Clipping_(photography)。

        ④圖片來源:https∶//www.bilibili.com/video/av74624769。

        ⑤圖片淶源:https∶//www.bilibili.com/read/cv1378416。

        ⑥圖片來源:https∶//www.cambridgeincolour.com/tutorials/color-space-conversion.htm。

        ⑦圖片來源:https∶//www.filmlight.ltd.uk/store/?s=gamut+compress。

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