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高动态范围连续影像技术的发展及前景

2017/10/16 9:36:35      来源:艾维电影
[提要]数字化是当今世界电影行业发展的必然趋势.随着数字化浪潮带来的新技术应用,成像技术也在不断地提高。而高动态范围成像技术,也将成为对影片画面质量的提高具有强大推动力的角色。

数字化是当今世界电影行业发展的必然趋势.随着数字化浪潮带来的新技术应用,成像技术也在不断地提高。而高动态范围成像技术,也将成为对影片画面质量的提高具有强大推动力的角色。



一、高动态范围成像技术的起源及发展


1.高动态范围成像技术的起源


高动态范围成像(英文缩写HDR)技术原本用于记录核爆炸瞬间,是在20世纪30至40年代,由美国摄影师查尔斯·威科夫首先提出的。在20世纪40年代,威科夫和埃尔顿一起在太平洋拍摄核爆时,首先使用了这一技术。1952年,威科夫使用高动态范围成像技术记录了世界上第一颗试验性氢弹“常青藤麦克”的爆炸。那张题为“常青藤麦克”的照片后来发表在1954年美国《生活》杂志的封面上, 成为最著名的HDR照片。随后这种成像技术才真正被定义,并逐渐发展成从一组不同曝光量的影像中,集成为一幅高动态范围影像的方法。


2.高动态范围成像技术的发展


进入20世纪晚期,美国南加州大学的Paul  Debevec博士公开提出了组合多个不同曝光量影像以生成HDR影像的技术。在1997年的SIGGRAPH展会上,他发表了题为《从相片中恢复高动态范围光彩图》的论文。这篇论文阐述了如何对同一个画面,用不同曝光量多次拍摄,随后组合处理这些不同曝光量的影像,从而得到一幅合成的HDR影像。经过前期的拍摄和后期的处理这一复合过程,自然使得画质远超单次拍摄的结果。这样一来,纵使感光器件或者胶片的宽容度有限,却仍然能通过多次成像,得到动态范围特别高的影像。随后,各种包括压缩比特深度等电脑应用算法被开发出来,使得HDR影像终于可以在传统的设备(如显示器)上显示出来。以上就是HDR摄影在上世纪的发展概况。


进入21世纪以来,随着数码相机的普及和相关软件处理能力的增强,使得人人皆可成为摄影者。而在摄影界被广泛使用的HDR影像这个术语,就几乎演变成为数码图片摄影的专利,一般特指在数码摄影中,使用包围曝光生成的影像,经过后期软件影调处理过程,得到的高动态范围影像。而本文所说的HDR影像并非照相术中的单幅照片,而主要是指HDR视频或基于文件的高动态范围连续影像。


HDR视频的概念被正式提出来,到现在也有十多年了。在2000年就已经出现过关于消费级别的HDR视频的论文了,但在专业的连续影像领域,至今未有人成功探索出能够付诸应用的流程。如今我们常提起的HDR往往是指图片摄影,而凤毛麟角的所谓HDR视频也只是延时逐格摄影而已。目前的延时逐格摄影,严格来说并不是传统意义上的电影拍摄,因为处理上依然是在电脑上逐张HDR合成再拼接成片段,而不是拍了视频片段再整体HDR合成。真正意义上的高品质专业级HDR连续影像(包括视频),到现在还远没达到轻松易得的程度。


二、高动态范围成像技术的应用特性及前景


1.高动态范围成像的技术特性


那么,我们为什么需要高动态范围成像技术?有些人认为现今的数字拍摄设备已经足够好了,其动态范围早已超过了胶片,根本不需要发展HDR摄影了。但实则不然。首先,这是因人类科技普遍发展所推进的必然结果。即便我们有了某些可靠的技术,可以实现某些基本功能,但随着技术的进步,仍会有新技术的出现。即使在胶片摄影技术出现100年后,甚至已经完全规范和成熟,却仍然有数字摄影出现取而代之。这正如爱迪生经过无数次试验,最终确定了使用碳化的竹子纤维作为白炽灯灯丝,但是仍然被后人发现,原来使用钨丝效果更好、更持久。


而且,至今仍有一些人的传统观念里还认为数字拍摄设备的画面表现力比胶片弱,而实际情况是,即使是民用的数码相机的宽容度也已经相当可观了。几年前推出的索尼A900,其在ISO 200感光度设置下直接成像所得的JPG图像的动态范围已经可以达到94EV,RAW文件的动态范围则更高,可以达到126EV。Arri摄像机的更是能达到141EV!而人眼的动态范围可感知能力大约也就是15EV。而胶片中宽容度最大的负片大约是10EV。看似胶片完全不如数字,但为何人们经常认为胶片效果更好?因为胶片有着类似人眼的感光效果,其感光特性曲线更接近人眼对光线的非线性感知能力。


胶片的感光特性曲线起始部分有个平缓阶段,中间有一段大斜率的接近线性的猛增,而到后来又趋于平缓。胶片的感光特性曲线之所以会呈现这种特性,首先就是由于曝光量特别小时,导致化学反应的感光银盐离子还不足以被迅速激活,因为银盐制造出来的时候本身也有一定的密度,这也一定程度上抑制了光化学反应的开始,所以此时曝光曲线斜率很小。其二是当曝光量足够大时,银盐持续接受光子,光化学反应便开始迅速进行,此时由于银盐是足够量的,反应速率基本上只取决于持续辐射的光,所以此时曝光密度就近似线性增长,此时也是胶片最重要的曝光范围段。然后,当曝光量大到胶片密度已经过大时,反应便开始受到抑制,此时剩余未反应的银盐的消耗开始减慢,但是仍处于消耗阶段,于是密度还会增加,于是就愈发抑制光化学反应继续进行,结果此时曝光曲线的斜率又趋于缓和。所以我们说胶片的感光特性曲线并不是完全线性的。在使用胶片拍摄大反差场景时,高光使某区域银盐持续感光,该区域密度不断增大,反而最后削减了反应速率,从而最大限度地自然避免了死白。暗部也是如此,不会过曝,但是又有密度,因此没有死黑。这与人眼的感光能力接近,由此造成了观众普遍认为观看胶片画面的感觉比较合适。


然而数字影像的产生就是完全线性的了。我们以12 比特的传感器为例,当传感器采用12比特时,即212=4096个灰阶来对采集到的数据进行编码。当在不改变曝光时间的情况下,有能够令芯片溢出的光量进入时,这时该芯片上的电荷就上升到最高值,也就是第4096的灰阶,也就是说第4096的灰阶就表示光线刚好溢出。当进光量减少一半,即降低一挡,这时使得芯片上的电荷上升到第4096的一半位置,即第2048的灰阶处,因此第2048的灰阶就表示比过曝-1挡的光量。而在过曝-1挡到过曝之间的光量就被记录在2049至4096之间(共有211=2048个不同的感应级别)。当光量再减低一挡时,产生的电荷只达到第1024灰阶的水平,因此第1024灰阶就代表过曝-2挡的光量,而介于过曝-2挡与过曝-1挡之间的光量就被记录在1024至2048之间(共有210=1024个不同的感应级别)……以此类推,不断的递减,过曝-6挡的光量只用剩下的64个灰阶来记录。因此,对于图像而言,如果过曝-3挡是“正确”的曝光的话,那么整个图像中的大部分信息都被记录在512至1024的灰阶中,阴影区的信息记录在0至512之间,高光和过曝的信息记录在1024至4096之间。


如此一来,很显然画面中相对较亮的部分被更多的灰阶所表述,而相对较暗的部分则只剩下很少的灰阶来表述,这并不符合人眼对自然界的观察习惯。感光芯片由于其线性感应,使用了大量的位深去记录高光区段的无内容层次,而对本应感知到细节丰富的暗部,能记录到的信息很少,这和人眼的观察习惯截然相反。所以,未经处理过的数字影像是不容易被习惯观看胶片画面的观众所接受的。这也是目前HDR技术在连续影像中的应用,没有被广泛接受的主要原因之一。


然而仅仅通过改变曲线,将表现非亮部的少量灰阶拉长,使其在没有密度内容增加的情况下占用更多的位深,仍然是很难得到层次丰富的影像的,这就需要拍摄得到更多的动态范围的有内容层次,从而使更多的细节(有可能是有选择性的)被表现出来。


自然世界中景物的动态范围虽然远远超过50000:1,但是自人类历史发展以来,我们倾尽全力所得到的对于真实世界的影像复制品,其最大动态范围也只能达到区区300:1,甚至更低的256:1。而今随着数字技术的飞速发展,使得我们能够通过借助高科技手段,提高人工所能记录或表现的动态范围,使其更接近自然界的真实事物。而这也正是HDR技术的真正意义之所在。


在真实世界中,非常明亮的高光点和比较黑暗的阴影经常存在于同一画面中。怎样把它们同步记录下来,是一个一直困扰摄影师的问题。在数字摄影时代,因为CCD或CMOS等传感器的线性成像特性,高动态范围图像的捕捉效果更不容易为非线性的人眼所接受。数字成像时,一般取18%中灰为标准正常曝光,但是当画面中亮部光强达到数字成像器件线性响应的最大限度时,就会陡然截断,使得那一部分细节根本没有被记录下来,从而得到的画面与人眼所感受到的场景有很大不同。但是如果拍照时按高光部分的亮度曝光,暗部必然曝光不足,阴影部分就会成为死黑而缺乏层次。反之,若按阴影部分的亮度曝光,高光部分则肯定曝光过度,那一片惨白更是毫无细节可言。通过HDR摄影,我们可以把现场不同曝光量的信息以多层画面同步记录下来,并最终合成同时具有高光和阴影细节的图像,从而实现把现场景物不同的光强度尽量多地记录下来的目的,使形成的画面更接近人眼所感受到的动态范围。


2.高动态范围成像技术的应用前景


在基于文件的连续影像拍摄中,通过合成每一帧画面中不同曝光量的低动态范围影像数据,并利用现有的各种技术手段,解决或是减轻各种分时多次曝光时间差造成的像素位移,或者双机拍摄角度导致的像素错位,生成能正确显示的用不同曝光量记录到的合成HDR影像。这在当前还是一种应用手段的探索,一旦将来有了完善的、经过实践检验的,并且能够成熟运用的HDR连续影像制作技术,得到画面的层次将会更加丰富,电影的视觉表现力也将随之会得到显著增强。其带来的技术进步不仅仅是针对放映端的改善,更重要的是,HDR拍摄让后期制作资源更加丰富,使调色师获得更多的资源,不再困惑于生拉硬拽、只有亮度没有密度地提高反差。有了更多的动态范围资源,可以被表现出来的层次也就更多、更容易。



例如,一些广告中为了提升表现皮肤美白的效果,而刻意增大光比带来的毫无层次的画面表现力;或是在拍摄重大场面以及不方便人工控制光比的特殊情况下,拍摄出有记录价值的画面;即使是比较常规的普通商业影片,在拍摄时也会面临光比可控性不佳的局面,当需要表现的人物从高亮度的室外走进,加入昏暗室内的谈话时,不再需要回避原本应该使用的更有说服力的长镜头,通过HDR可以直接实现。


三、高动态范围成像技术在国外的发展现状


几年前,Soviet Montage公布了一段用2台5DII单反照相机拍摄的HDR影片。该段影片曾经号称是首部真正的HDR短片。当时他们首次提出了双机同步拍摄方案,其最主要的突破是如何让不同位置的相机没有视差。这在当时还是相当振奋人心的。Soviet Montage的解决方案是用了个分光棱镜,把影像分成两个,并分别进入两个相机。该公司称这是致力于低成本的HDR解决方案。他们的这个解决方案是出售的,以期通过收集资金,进而研究更好的解决方案。两年过去了,最后的结果不过是在app store 上出现了2个基于iOS上的HDR拍照应用而已。就其拍摄的画面来看,几乎没有什么推、拉、摇、移等运动镜头,主要是强调画面稳定,以确保像素重合,但在画面中人物动作稍快时,还是会产生比较严重的重影等不良效果,所以恐怕难以投入实际应用。


在专业产品线上,越来越多的数字摄像设备都在向着能记录更大动态范围发展。美国及德国的一些公司相继开发了针对HDR的感光芯片。RED公司有个称为“HDRx”的技术。A track为正常曝光,X track为“高光保护”,就是过曝的,可以自己设定过曝值。ISO和光圈不变,改变的是曝光时间。官方解释两个track是没有时间断层的,但是没有提及原理。就其同时强调需要使用的高帧率功能,我们认为可能是采用了二次曝光方式。最新的EPIC-X数字摄影机的默认动态范围为135EV,同时拥有最高18EV程度的HDRx设置,能直接拍12~16比特的raw视频。其实这所谓的18挡光圈也是通过HDRX来实现的,足以看出这项功能对于提高影像拍摄质量的推进,以及厂家对于这项逐渐走向主流的应用方式的前瞻性探索。美国已经至少有两家公司展开了相关实验,以求实现商业化应用,但是目前没有可以太多值得推广的技术数据出现。


随着HDR技术的方兴未艾,科学家们也在探索更新更好的技术手段,例如更加前卫的数字化密度映射技术,将各种运算处理置于RAW文件生成之前,将来这种技术出现之时,也许将会彻底改变现有设备的使用习惯。


四、高动态范围成像技术面临的实际问题


至少在目前,在没有新成像技术出现之前,我们还只能根据现有技术,去展开应用层级的实验。而且,无论采用何种方式,目前的HDR都还只是把若干EV的动态范围,通过处理,压缩成现有设备能显示的数据,这其实是个“曲线救国”的解决方案,所以得到的画面经常令许多观众不理解。其实,如果摄影机可以捕捉到所有色彩,而且显示设备也能显示所有色彩,那真正意义上的HDR的实现会容易得多。我们只需根据人眼的gamma值,将得到的画面的色阶进行修正就可以使几乎所有人满意。但是这在目前条件下基本上是无法实现的。这也是目前HDR技术在连续影像中的应用没有被广泛接受的主要原因之一。


由于显示设备也出现了类似于色域范围的问题,目前主流显示技术不管在色深对比度或者明度上,都完全不足以显示HDR。只有极少数的设备能够实现完整16bit动态范围的HDR显示,如BrightSide DR37-P HDR等。但这就像几年前的4K分辨率影片一样,毕竟是凤毛麟角,无法面向广大观众去展示真正意义的高动态范围画面。


这就是我们必须面对的问题。无论采用何种拍摄手段,其拍摄直接得到的素材只是记录了一个大的动态范围的数据而已,没有得到HDR。要在目前的显示设备上得到HDR,就必须经过后期合成和渲染,使其能够显示于现有设备,这就使得专业级的数字化HDR影像更加难得出现。纵使一些公司推出了各种各样的拍摄设备,但目前并没有专门针对HDR连续影像后期制作手法的设备出现,也没有经过成熟的,值得借鉴的,或经过考证的实验,来验证其可行性。所以,我们暂时只有依靠现有后期技术,应用一些软件和插件,或通过交叉使用一些先进的高分辨率后期制作设备的某些功能,才有可能实现自动将像素对齐、融合以及手工修正,去平衡拍摄时可能产生的相位差,并根据人眼视觉习惯去修正曲线,最终得到令观众满意的画面。


五、结束语


随着摄影机技术的发展,感光的动态范围也会随之增加,并将使得创作的手段不再受限制,可以像绘画一样尽情操作摄影机,拍摄出风景如画的画面。同时还会使已经适应了较低动态范围人工影像的观众,在观影时得到一种完全不同的新奇视觉体验,这不仅是影像产业的一大进步,更有可能带来无限可能的商业利益。


虽然摄影术已经诞生并发展了170余年,但并不完美,在很多方面仍有不足。所以,在有契机和能力发展摄影术的时候,我们应该适时出击,提高新技术在电影事业发展中的应用水准,通过实现新技术的突破性应用,推进技术的再进步,促进电影新数字时代的发展和繁荣。


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