超高清调色实训室建设及实践

戴敏利， 周德富， 柯 健， 王会燕

(苏州市职业大学 江苏省现代企业信息化应用支撑软件工程技术研发中心, 江苏 苏州 215104)

超高清调色实训室建设及实践

戴敏利， 周德富， 柯 健， 王会燕

(苏州市职业大学 江苏省现代企业信息化应用支撑软件工程技术研发中心, 江苏 苏州 215104)

近几年超高清技术和后期调色技术已经越来越受到影视行业的关注。建设相关实训室，有利于紧跟国内外影视制作技术发展方向，培养掌握前沿专业技能的高素质人才，增强师生的技术服务能力。在分析实训室建设需求和特点的基础上设计了实训室的总体结构，并给出了硬件设计选型和软件搭配的方案。该实训室能够实现超高清内容的采集与存储、剪辑、调色、编码输出及监看等功能。实际运行表明，该实训室能满足课程实训、技术服务、项目研究等多个层次的实践教学要求，可以为相关高校建设超高清剪辑调色实训室提供参考。

超高清； 调色； 达芬奇； 实训室

0 引 言

调色能够校正影视画面色彩偏差和曝光问题，可以匹配不同场景不同设备所拍摄画面的影调和色调，同时还能有效提升画面艺术效果[1]。配光调色是电影工业领域一个必不可少的工作环节[2]，如今随着技术的进步和市场需求的变化，影视内容制作的技术流程呈现出融合发展的趋势。不仅电影、高端广告等制作整合了后期调色流程，几乎所有的电视非直播类节目都开始把后期调色作为不可缺少的环节。微电影、网络剧、商业视频也越来越多的将超高清技术及调色技术应用到内容的创作和生产中来。因此，掌握超高清及调色相关的核心技能应该作为高校实训的一个重点。建设符合未来发展趋势的超高清剪辑调色实训室，就是为了满足学生对剪辑调色综合训练的需要，提高学生节目制作综合水平，促进掌握前沿专业技能的高素质人才的培养。

1 影视调色发展现状

市场对高质量节目内容的需求与日俱增，从而导致调色的需求越来越多。这在不同的节目形态和不同的应用场合都明显的体现出来。季播类节目来看，比如近年热播的《爸爸去哪儿》《我是歌手》《最强大脑》《妈妈咪呀》等，都毫不例外的运用了后期调色技术来增强节目效果[3-4]。现场制作系统也开始尝试应用调色，比如东方卫视第一季《中国梦之声》利用现场实时调色对节目的直播画面进行处理并取得了非常好的效果[5]。调色还不仅仅运用在高清节目制作上，在超高清节目制作中的应用更是如鱼得水。超高清电视是继高清晰度电视之后的下一代电视技术标准，是未来电视技术发展的方向。国内很多电视台包括CCTV、SMG、BTV、HNTV、JSTV、ZJTV 等已经开始对超高清进行探索和实践，有线电视运营商和互联网服务商都在积极尝试4K超高清内容的分发[6]。乐视网2014年8月汪峰鸟巢演唱会采用4K超高清LOG方式记录，通过现场实时调色并输出用于网路直播[7]。中央电视台2015年春节联欢晚会4K版采用6讯道8机位 4K超高清转播系统进行制作，将4K 输出信号设置为S-LOG2 伽玛曲线和色域标准，从而获得保留了大量色彩和亮度层次的画面，再通过后期调色得到电影般的影像质量[8]。未来节目制作的提升将体现“四高一宽”的特点，即高分辨率、高动态范围、高比特深度、高帧率和宽色域[9]。

北京电影学院最早在国内建立了以Flimlight系统为核心的国际一流数字调色系统，中国传媒大学随后也建立了数字色彩校正实验室，浙江传媒学院也于2010年建成了以Autodesk Lustre和Smoke为核心的数字中间片配光与色彩校正实验室[10]。2011年北京电影学院开始进行DaVinci Resolve调色人才的培训培养工作[11]。2012年商丘师范学院搭建了动漫创意研发中心，购置了达芬奇调色系统用于教学科研[12]。由此看来，不论是传统的电影工业和电视节目制作领域，还是网络新媒体视频制作领域，新技术的应用越来越受到欢迎。

2 实训室功能分析与设计

调色实训室是数字媒体制作技术相关专业的校内实训基地，是开展实践教学和社会服务的重要场所。① 实训室的建设要能满足校内实训的需要，包括场地的环境和设备的数量。② 要具有技术实用性和先进性，立足于当前教学研究和社会服务的需求，适当考虑技术的先进性。③ 要有好的经济性。从建设成本、使用成本、维护成本等多方面综合考虑，尽可能降低总体建设成本。

影视创作中与调色相关工作主要有拍摄、采集、转码、剪辑、调色、输出、存储、监看等几个部分。在实际工作中，根据项目需要，通过不同的工作过程的重新组合和设计，制定出具体的实施方案。比如基于非RAW格式的工作流程，基本可省去转码而采用直接剪辑调色的方式。而对于高品质的制作，最好采用RAW工作流程。如果是直播就涉及到现场的拍摄采集和实时的调色，如果是非直播节目，除了后期的调色工作外，还需要进行额外的数据管理工作，包括元数据记录、数据备份、转码、现场色彩管理、现场初级调色等[13]。根据不同的工作流程，调色所涉及到的部分可能有现场调色、现场数据备份与转码、后期调色等几种情况。当前，现场调色和现场数据备份与转码主要应用在高预算的大型电影拍摄和节目制作中，较少应用于普通节目制作，故不作为实训内容的重点。调色不是一个孤立的步骤，很多时候不能离开其他工作环节而独立存在，因此实训室主要功能以满足后期调色需求为核心，覆盖与后期调色直接相关的工作步骤。实训室总体框架如图1所示。

图1 实训室结构框架图

(1) 数据采集。将数据采集到计算机中是进行后期调色的一项必须的准备工作。数据采集一般有从摄像机直接采集和从存储介质采集两种途径。从摄像机直接采集一般通过SDI接口连接到计算机。从存储介质采集可以通过USB接口或者Thunderbolt接口的读卡器将数据拷贝到计算机。

(2) 数据转码。如果采用的是RAW工作流程，那么数据转码基本就是一个必要的步骤。将导入到计算机中的RAW文件转换成高清的视频文件，用于特效制作和剪辑[14]。

(3) 剪辑。利用拍摄或者转码得到的高清文件，根据项目的需要进行剪辑，也就是筛选镜头和连接镜头。剪辑通常习惯于利用非编系统来完成，但现在在一些新的调色、合成系统中也加入了剪辑的功能，可以完成部分剪辑工作。

(4) 调色。这里的调色环节主要是指后期调色。首先进行初级调色，从整体上调整画面的明暗和色差。然后进行二级调色，对画面的局部进行色彩的调整。

(5) 输出。将调好色的画面输出。一般是将镜头输出到非编系统中进行进一步的剪辑、配音、添加字幕等工作。

3 实训室具体设计与实施

3.1 总体结构设计

超高清视频图像原始数据量非常巨大，为了满足记录和存储的需要，必须对原始图像进行压缩，进而得到各种格式的视频文件。在进行剪辑和调色时，压缩的视频数据需要先进行解压缩。后期制作中，图像的压缩和解压缩都是依靠CPU来完成的，因此，需要解压缩的图像分辨率越高，对CPU的性能要求也越高，对CPU核心数量的要求也越高。

在完成文件的解压缩后，调色软件便会利用GPU来完成所有的图像处理工作，通常情况下会基于图像完全的色彩范围和位宽来进行。GPU的核心数量和RAM容量会直接影响到处理的速度，这一点在处理超高清素材和时间线时会表现的更加明显。

对于一些非压缩的图像比如16 bit的DPX或者EXR文件，CPU的工作负荷就不会太重，但这些文件的存储需要更快的速度和更大的空间，通常就要用到磁盘阵列。

根据实训室功能需求分析，确定了系统采用CPU+GPU+IO的结构。IO接口卡主要用于音视频信号的输入和实时监看信号的输出，CPU主要负责视频的编码解码，GPU用于剪辑调色的效果计算。为了满足无带化媒体的导入，需要配备相应的读卡器。为了应对应用日趋广泛的超高清格式和RAW格式，大容量高速存储设备的配备也显得十分必要。此外，人机交互控制设备也是系统必不可少的一部分。系统总体结构设计如图2所示。

图2 系统总体结构

3.2 主要性能指标设计

性能指标的设计原则是立足当前，面向未来，注重平台的实用性和经济性。国际电信联盟发布的超高清电视标准中包含了4K和8K两种级别，其分辨率分别为3 840×2 160和7 680×4 320，帧频率(Hz)包括120, 60, 60/1.001, 50, 30, 30/1.001, 25, 24, 24/1.001这几种[15]。当前超高清的节目制作还在处于第一阶段，主要的分辨率为3 840×2 160，帧率为25f/s和30f/s，相应的设备主要指标以此作为设计基础。

超高清视频编码格式主要包括ProRes、XAVC、XF-AVC Intra、AVC-Intra 4K、F55 RAW、CinemaDNG RAW等。表1给出了典型设备在拍摄画面尺寸为3 840×2 160时常见编码的目标数据速率情况。

表1 常见超高清格式目标数据速率表

在进行超高清剪辑和调色时，可能会有很多的性能瓶颈，具体取决于素材的编码格式，CPU速度和核心数量，系统的内存，GPU的数量，GPU的核心数量及RAM大小，磁盘的速度等。这些都会对回放、剪辑、调色和在时间线上的显示产生影响。因此要设计相关的性能指标，就需要明确需要处理的主要素材类型。处理不同类型素材时系统的瓶颈也不同，构建成本也差异巨大，因此实训室采用高配置和低配置搭配两种方案，实现功能性和经济性的平衡。低配的调色系统能够完成ProRes 422 HQ、XAVC300、XF-AVC Intra、AVC-Intra 4K 4∶2∶2等压缩格式的调色工作，高配调色系统除了完成低配的工作外，还必须满足ProRes 4444、F55 RAW、CinemaDNG RAW的调色要求，同时具备采集、转码、剪辑、监看和输出的能力。

2014年6月发布的Apple ProRes白皮书中，进行了Final Cut Pro X对4 096 × 2 160p24素材进行剪辑的测试。当使用15寸的MacBook Pro时(四核2.6GHz CPU，1TB 闪存，16GB RAM，NVIDIA GeForce GT 750MB图形卡)，可以提供多达7个ProRes 422 HQ或2个ProRes 4444 XQ多机位流。当使用Mac Pro(12核2.7 GHz CPU，1TB 闪存，64GB RAM，AMD FirePro D700图形卡)时，可以提供多达12个ProRes 422 HQ或5个ProRes 4444 XQ多机位流。

根据以往的经验，ProRes对系统资源的占用比其他编码格式要少，因此为了保证在使用其他编码格式的素材时系统也能够顺畅运行，CPU和内存应选择性能高于此测试计算机配置。

在磁盘带宽和容量方面，应满足常用格式中最高规格的需求。以CinemaDNG RAW 30p为例，4 h素材需要的存储空间约为4TB，单个视频流占用带宽需求为2 100/8=265 MB/s，4个视频流所需最大磁盘读取速度为265MB/s ×4=1 060 MB/s。对于常用的XAVC(4∶2∶2 Intra Profile)@25P格式，4 h素材所需磁盘存储空间约为450 GB，4个视频流所需磁盘读取速度约为125MB/S。

在IO卡方面，需要满足超高清的实时回放与监看，具备常用的SDI、HDMI接口。此外，配备专业的监视器和超高清监看电视机也是有必要的。

在软件方面，要求具备能够实现初级调色和二级调色的各种功能和工具，能够有效兼容常用典型设备拍摄的各种超高清视频格式，具有较高的性价比，最好能够运行在不同规格和档次的计算机平台上，从而能够更好的满足建设和使用的需要。

3.3 硬件设施选型

(1) 操作系统选择。操作系统的选择相对来说比较容易，主要有Windows、Mac OS X以及Linux。主要的调色软件都提供了各个系统的软件版本，因此在选择的时候主要取决于用户以前的使用习惯、计算性能需求以及项目预算。这里选择Windows系统，① 当前学生使用的主要平台还是Windows，② Windows平台有足够的不同档次不同型号的硬件可供选择，③ 硬件价格方面可能更具有优势。

(2) 计算主机选型。作为实训及创作用设施，对系统的性能和设备的台套数都有一定的要求。在满足实训功能的前提下，兼顾建设的实用性和经济性，采用高低两种配置方案。低配方案能够完成常见格式(比如XAVC(4:2:2 Intra Profile)@25P等)的调色实训工作。高配置方案是增强版的调色系统，在能够实现全流程基本工作的基础上更要保证创作的效率。

低配置计算机选择HPZ620工作站，CPU为双至强 E5-2620v2 6核心处理器，内存容量为32 GB，硬盘采用两块2TB企业级高速硬盘，图形卡选择NVIDIA QuadroK4000，配置数量为6台。

自由膨胀条件下，水分渗入膨润土中，最大程度楔开蒙脱石晶格间距，导致吸水后体积发生显著的膨胀。当干燥失水后，因毛细作用蒙脱石颗粒自身收缩，且团(颗)粒之间也大幅靠近，从而引起显著的收缩变形。由于纳米氧化硅的充填效应和氧化钙的水化胶凝作用，掺入纳米氧化硅和氧化钙的膨润土收缩量明显小于纯膨润土。

高配系统在单个主机箱中达到所有设计要求已经变得非常困难，因此需要通过扩展的方式来保证其完成所有的工作。根据参数设计和相关测试平台参考，选择HP Z820工作站作为主机，CPU为双至强E5-2695 v2 12核心处理器，内存容量为64 GB，硬盘采用两块企业级高速硬盘，图形卡选择NVIDIA QuadroK4000。主机中硬盘主要用于操作系统和应用软件的安装，图形卡用于显示图形界面，而素材存储和计算用GPU均采用外置扩展方案。

(3) 高配主机相关的扩展设备。普通的机械硬盘读写速度约为100～200MB/S，单块硬盘无法满足速度需求。基于PCI-E的固态硬盘速度可以达到1～2 G/s，其缺点在于容量还是比较有限，一般最大2TB左右，而且价格非常昂贵。受到主机内部空间的限制，在主机内实现大容量高速存储变得非常困难，因此采用外置存储的方案。这里采用基于PCIe扩展的直连存储磁盘阵列，满足速度、容量及经济性的要求。Accusys推出的A08S3-PS是一个8盘位的桌面存储系统，能够兼容多种操作系统，支持Windows、Mac OS X以及Linux，与主机的连接，可以使用PCI-E接口，也可以使用雷电接口，读写性能达到1.1 GB/s，最大容量达32TB。

剪辑调色时的计算任务可以分配给除UI图形卡之外的其他的图形卡，意味着在系统中可以安装更多的图形卡。现实的问题是主机机箱中能够提供的PCI-E插槽数量、电源供给能力以及散热能力还是比较有限的，尤其是在增加功耗巨大的高性能图形卡的情况之下。因此需要一个带有独立供电和冷却系统的扩展箱，用于安装多块计算用GPU卡。CubixXpander Desktop elite能够将主机上的一个PCIe(x16)插槽扩展为4个PCIe (x16)插槽，从而实现最多4块GPU卡的安装。该扩展箱能够支持多种规格的GPU，多种类型的PCIE适配器和控制器，也支持多种类型的操作系统和应用软件。GPU计算卡选择2块NVIDIAGeForce GTX TITANBlack，该卡拥有6GB的GDDR5显存，2 880个流处理器。

用于采集和回放的IO卡选择的是BlackMagic Design公司的DeckLink 4K Extreme。该卡支持6 GB SDI和HDMI 4K接口，支持全Ultra HD 4K采集和输出。编解码器能够支持AVC-Intra、AVCHD、XDCAM 、Apple ProRes、DPX等常见格式。调色控制台选用的是Tangent Devices Element，该调色台具有较明显的价格优势，能够支持多种主流调色软件，包括Adobe SpeedGrade、Assimilate SCRATCH、Autodesk Flame Premium/Lustre、Blackmagic DaVinci Resolve、FilmLightBaselight 、SGO Mistika等。考虑到当前超高清专业监视器价格非常昂贵，采用高清监视器和超高清电视相结合的方法来实现画面的监看。高配系统连接方案见图3，其中虚线框内部显示的是低配系统结构。

图3 系统连接方案

3.4 软件平台的选择

调色软件的选择应遵循面向主流市场、具备完善功能、总体成本较低的原则。目前用于影视后期调色的软件比较多[3]，比如Assimilate SCRATCH、FilmLightBaselight、Adobe SpeedGrade、Autodesk Flame Premium/Smoke/Lustre、BlackMagic Design Davinci Resolve、SGO Mistika、Adobe Premiere Pro、Grass Valley Edius、Avid Media Composer、Apple FCP-X、Sony Vegas等。这些软件都不仅仅是能够进行调色工作，越来越呈现出融合发展的趋势，把剪辑、特效甚至打包输出等功能都进行了整合，只是侧重点有所不同。DaVinci Resolve在Windows、Mac OS X以及Linux操作系统平台都能够比较好的运行，具有扩展性好的特点，能够支持多GPU同时工作，获得很高调色性能。DaVinci Resolve具备强大的一级调色和精确的二级调色功能，可针对画面整体风格和某一特定颜色或特定区域进行局部处理。该软件能够实时处理众多文件格式，能够全面支持DPX、EXR、QuickTime、ProRes、DNxHD和MXF等文件的实时剪辑和调色，能够支持支持众多主流摄影机原始文件，比如CinemaDNG RAW、ARRIRAW、Phantom Raw、RED Camera R3D、Canon C300Sony F65/F55/F5 RAW等。DaVinci Resolve能与FCP-X、Premiere Pro等剪辑软件无缝对接，具有较高的性价比，而且还提供功能强大的免费版本。因此选择DaVinci Resolve作为调色实训室主要的软件平台。在具体版本选择上，高配置机器上安装DaVinci Resolve全功能版本，低配机上安装免费版。

3.5 系统测试及应用

测试的目的是检验软件在前面构建的硬件平台上运行的效率以及该系统是否能够满足实训室设计的要求。测试的方法是：采用ProRes 422 HQ、XAVC格式的超高清素材测试低配系统的调色性能，采用ProRes 422 HQ、XAVC、F55 RAW、CinemaDNG RAW格式的超高清素材测试高配系统的调色性能及其他相关功能。

测试的结果表明：低配系统在针对ProRes 422 HQ、XAVC两种超高清素材进行调色时，如果DaVinci软件中设置时间线分辨率为UHD，能够满足2个节点的实时调色(回放速度达到25f/s)，如果设置时间线分辨率为FHD，则能够满足约6个节点的实时回放。

高配系统调色的性能能够满足更多更高要求格式的实时调色需求。DaVinci Resolve中设置时间线分辨率为UHD，能够满足10个以上节点的实时调色需求(其中Sony RAW解码质量设置为1/2分辨率)。

测试说明：ProRes 422 HQ(3 840×2 160p25)、CinemaDNG RAW(4 000×2 160p25)格式素材由BMPC 4K拍摄，XAVC(3 840×2 160p25)格式素材由Z100拍摄，F55 RAW格式素材由FS700使用AXS-R5 RAW(4 096×2 160p25)录像机拍摄得到。针对每种格式类型，使用了10 min的素材片段。

从测试的结果来看，整个系统工作正常，符合调色实训室的设计要求，能够满足多种实训项目和作品创作的需求，高配调色系统整体效果如图4所示。

图4 调色系统运行效果图

实训室建成以来，完成了相关课程的实训任务，承接了多部作品的剪辑调色工作，取得了良好效果。在安装非编软件后，还可实现超高清影片的剪辑工作，扩展了实训平台的功能，更好满足教学、科研的需要。

在实际的使用中，对于超高清素材进行剪辑和调色时，为了提高效率和流畅程度，可以采用使用HD分辨率时间线并利用高清监视器进行监看。在最终完成剪辑调色后，再将时间线的分辨率改回为超高清用于渲染输出。

4 结 语

超高清调色实训室建设坚持以技术发展方向和市场实际需求为导向，以实用性和经济性为原则，相关软硬件设施的搭配采用高低配置相结合，在满足实训功能需求的同时，有效降低了建设成本。低配置系统能够完成常见的超高清素材的调色任务，高配置系统具备了采集、转码、剪辑、调色、输出、存储、监看等全部的功能。多套调色系统保证了多个实训小组同时开展实训任务，先进的技术和平台更加激发了学生的学习兴趣，调动了学生的学习主动性。企业化项目的导入提高了学生相关的技能水平，促进了高技能人才的培养，师生的技术服务能力也得到了进一步的提升。同时也应该看到相关的技术还在飞速发展中，特别是面向未来的高分辨率、高动态范围、高比特深度、高帧率和宽色域节目制作，还需要进一步去探索研究和实践。

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Construction and Practice of Training Laboratory for Ultra High Definition Color Correction

DAIMinli,ZHOUDefu,KEJian,WANGHuiyan

(Jiangsu Province Support Software Engineering R&D Center for Modern Information Technology Application in Enterprises, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, Jiangsu, China)

Recently, ultra high definition technology and post color correction technology have gained more and more attention in film & TV industry. To construct related training laboratory is good for keeping pace with the development of national and international film & TV producing technology, training high quality professionals who are capable of advanced professional technology, enhances the technology service ability of the teachers and students. On the basis of analyzing the need and feature of laboratory construction, the main structure of the laboratory is designed, as well as the strategy of hardware type choosing and software collocation. The laboratory is capable of functions like contents capturing, storing, editing, color correcting, encoding and monitoring of ultra high definition information. The practical operation shows that this laboratory can meet the multilevel practical training needs of course training, technical service, project research, etc., thus it can be a reference for constructing ultra high definition editing and color correcting training laboratory in related high schools.

ultra high definition； color correction； DaVinci； training laboratory

2016-09-25

江苏省省级高等职业教育实训基地建设项目，苏州市工业科技指导性计划(SGZ2014009);苏州市教育科学规划课题(高职高专类)重点课题

戴敏利(1982-)，男，湖北天门人，硕士，讲师，研究方向为数字媒体技术、教育信息技术。

Tel.: 13205182647; E-mail: ddaiml@yeah.net

G 48; G 43

A

1006-7167(2017)06-0240-05