数字色彩管理与胶片电影的演变关系

战冰

现阶段，胶片介质只用于拍摄和放映，而整个后期制作部分都已数字化，两种介质的互相转换带来了很多的问题，行业一直致力于解决这些问题，以确保导演的画面能正确放映到大屏幕上。 行业努力的目标很简单：控制住数据大小和处理时间，避免图像色彩偏移或质量下降，同时推动电影制作技术的发展，从而制作出更多有吸引力、能感染观众的画面。色彩管理是一个很大的话题，8比特文件到场景线性相关浮点文件（scene linear referred floating point file）的转换。 摩尔定律提及的计算能力的提升与存储介质价格的下降带来了行业发展的契机。 曾经10比特文件看起来很大，需要存成32位（RGB x 10比特 + 2个占位比特）文件，它的存储空间比存成24位（RGB x 8比特）的8比特文件增加了40%，但在消耗的计算时间方面，电影制作流程相比数字视频制作流程更为夸张，位深越大，计算时间越长。不过在今天看来即使是64位文件都很合理，它能携带多个通道、遮罩和烘焙图在制作流程中流窜，大家已经对16比特半浮点的OpenEXR文件习以为常。

但DPX或OpenEXR文件只是容器载体。 色彩空间，伽玛和相关的数学方法才是我们解释世界的方式，它们也一直在发展演变。 Digital Domain曾组织过一批一线导演进行内部放映，看他们能否分辨出8比特电影流程（早期计算机性能差，还只能用8比特TIFF文件存储胶片扫描数据）中的镜头和全10比特对数电影流程（等价12比特线性流程）中的镜头。然而当一组相同的镜头放映出来时，只有一位导演分辨出不同，可见10比特并没有比8比特提高多少画质。 既然如此，为什么这个行业还要自找麻烦，不断地追求更大、更复杂的文件格式呢！因为我们需要这些新的文件能满足新的需求。的确，来自胶片扫描数据的8比特文件与胶片原片对比确实看不出特别明显的差别，但那个时代也不需要我们在这些序列上做太多的特效处理。

在九十年代早期，Discreet公司率先发布了Flame软件，它是数字电影合成的先驱，也是那个时代在后期制作环节更精细分工的一个体现，那个时期许多电影流程都用LUTs把10比特Cineon胶片扫描文件转换成8比特的“线性”文件。LUTs是不可逆的（文章此处说的不可逆指的是10比特到8比特的过程数据有损失，其实LUTs的转换是可逆的），它会从胶片更大的色彩范围中采样出恰好8比特，并从Cineon印片机密度（Cineon Printer Density，简单来讲就是DPX文件的分辨率和色域。在这里密度不仅体现在扫描分辨率上，还体现在色域解析能力上，详细请参考论文：Grayscale Transformations of Cineon Digital Film Datafor Display， Conversion， and Film Recording）的色彩空间转换到数字视频的色彩空间，以便制作电影特效。

早期胶片和数字格式之间的隔阂比现在大的多。数字格式为了在电视或者电脑上播放，都有gamma校正的过程，但因为“线性”这个词看起来和Cineon文件的“log”编码方式（柯达通过这种编码方式把12位数据压缩进更小的10位的Cineon文件）相对应，所以数字格式的色彩又被很多人称为线性色彩。行业里有不少争论就是从这种术语和概念的混淆开始的，比如文件格式、比特深度、gamma、胶片与数字视频、真正的线性与gamma校正等，这些争论持续至今。

实际上，过去许多高质量数字视频都采用胶片拍摄，并且通过电视电影机实时转换过来。这些电视电影机早期有Cintel胶片记录仪，后期有Spirit DataCine胶转磁设备。但要谈电视电影机的历史还得回到John Logie Baird和电视广播的诞生。

與Arriscan这样的胶片扫描设备不同，电视电影机主要用来把胶片转换为数字视频格式。而Arriscan胶片扫描设备则是为保护肉眼可见的胶片密度和复杂度而开发的，简而言之就是为了保真而开发的，最终扫描出的数据（Cineon文件）还要通过Arrilaser数字胶片记录设备记录回新的胶片拷贝。

在有计算机操作系统的时候，胶片格式恰好就出现了，Cineon的生命从这里开始。Cineon被设计成一个全流程的数字胶片计算处理系统，它包括胶片扫描硬件和胶片记录硬件。Kodak也正是为了数字中间片的制作而设计Cineon的。它包括扫描设备，磁带机，带数字合成软件的工作站，和胶片记录设备。这个系统于1993年首次发布，1997年结束使用。

柯达的工程团队宣称全尺寸的胶片能用数字的方式录制并存储到一种10比特的log文件格式中，作为这个系统的一部分，这种文件格式与整个处理系统同名，也被称为Cineon（后缀为.cin）。重点是，这是一种中间格式，它被设计作为胶片之间的桥梁，它不是为CGI设计的，也不是最终的数字交付格式。它用来表示印片密度（printing density），即印片环节对胶片的分辨密度。Cineon文件作为胶片工序的一部分，它能确保无论从负片上扫描出什么数值，之后都能通过胶片记录设备转回胶片。它是为了保留原始负片的性质诸如色彩分量串扰、伽马而设计的，理解这一点非常重要。

与数字传感器不同，色光要到达记录其特定颜色的感光层，需要先穿过胶片中的其他感光层。蓝色光会被胶片的蓝色感光层所记录，但在此之前它需要穿透其他的感光层，包括绿色和红色感光层。这就涉及到胶片的一些关键特性。比如串扰或者RGB三色的互混特性，这种特性比在CMOS传感器上要严重的多，CMOS有互相独立的蓝绿红感光元件，而胶片某层的感光效果却会受其他层影响。当然CMOS也有自己的问题，之后会解释。

从胶片到数字格式的转换通常会涉及黑点（black point）、白点（white point）的概念。举个例子，纯白色（白点）在数字格式中相当于所有通道完全曝光，用8比特表示就是[256，256，256]，但在胶片上看则更接近白色哑光纸的那种白色。胶片所记录的真实亮度往往更高，比如汽车的闪光。如果这个超大的白光数值在转换成数字格式时被当作纯白色处理，胶片的宽容度就会导致为了把这些特别亮的白光涵盖进来，所有实际上正常的曝光都会被压的很暗，最终图像也会显得很暗。这也反映了一个现象，虽然客观上光线是均匀的，但事实上作为人类我们是使用非线的方式来理解真实的线性自然光的。举个例子，如果给你看一个从黑到白的渐变图，大部分非专业人士都会选择18%灰度作为中灰色。

胶片到数字格式文件的常见转换点是0-1023范围里的95和685。大于685的像素值就会视作比白点亮，比如镀铬上的亮斑或明亮的高光;低于95的像素值则表示为负值的黑色，实际上这些像素数值能下降到20或30。如你所见，在今天Cineon格式依然还在广泛使用，Cineon在电影特效和制作的发展中取得了巨大成功并具有极其重要的意义。但Cineon作为文件格式还是会有一些限制，于是在90年代DPX文件格式被开发出来。它可以被视作是Cineon文件的容器载体，在DPX文件里经常能看到Cineon数据的身影。DPX或称为数字图像交换格式（Digital Picture Exchange），遵循ANSI/SMPTE 标准 （268M-2003），是现今后期制作和视效工作中最为普遍的文件格式。

最初的DPX文件格式随着时间推移得到了改进，最新的2.0版本在2011年前后由SMPTE以ANSI/SMPTE 268M-2003标准发布。由于文件格式的核心通常都是原汁原味的Cineon文件风格，DPX太过于表现被扫描的负片中每个颜色通道的密度了，同时这种由胶片扫描设备扫描得到的，采用无压缩“对数”编码的图像也保留了原始胶片的gamma信息。DPX文件通常用来调光，但最新的DPX格式也允许携带一定数量的元数据（metadata）在相同的文件中传递。

色彩管理和色彩工作流已经发展了多年。从Cineon开始，到场景相关（Scene Referred）的线性OpenEXR格式。Cineon支撑了这个行业18年，为了能在视效流程中完美匹配实拍和CGI，我们需要知道我们工作软硬件所处的色彩空间。 若你不能复现电影图像的色彩空间，那你就很难生成色调一致的CGI图像并与电影图像无缝合成。如果不知道实拍镜头在色彩空间的表示方法和位置，你就无法在计算机中生成与实拍镜头一样的画面，你也不可能合成CGI镜头和实拍镜头。