数字摄影机动态范围的主客观评价关系探究

陈绪朋 李 勃

(北京电影学院中国电影高新技术研究院，北京 100088)

1 数字影像质量主客观之间的关系意义

如今，随着数字电影技术的不断发展，数字影像在质量上不断有新的突破，高帧率、高分辨率、高动态范围、大画幅等数字电影高新技术手段已成为数字电影技术发展的潮流，各大摄影机厂商也不断在数字技术上进行新的研发和提升。例如大画幅技术的出现，已经成为各大摄影机厂商的竞争力之一，ARRI推出了ALEXA LF 以及ALEXA mini LF，RED 公司推出了MONSTRO 8K VV，SONY推出Cine Alta V，甚至国产品牌KINEFINITY 也发布了MAVO LF 和MAVO Edge 8K。毫无疑问，随着传感器面积的增大以及各种技术指标的提升，大画幅技术一定会提升画面呈现的影像质量，但是人眼能感受到的影像质量提升的多少和技术进步的幅度是否直接相关，这是值得探讨的。2006年北京电影学院王春水老师发表的一篇名为 《现代影视制作流程中的数字影像质量评测体系研究》，文中指出“对影像的主观评价与其客观参数的理论推算通常会不一致”，所以搞清楚客观评价和主观评价的关系是比较重要的一个课题。影像质量提升到一定程度之后，从人眼的角度来说并不能得到明显的感受，有可能某个影像在客观评价上非常突出，但是主观评价上却不那么突出，人眼对影像质量的感知毕竟有一个阈值，超过这个阈值人眼对其感受就不那么明显了。

评价影像质量主客观之间的关系涉及很多技术参数，需要多维度的从影响影像质量的指标入手来逐一分析。例如拍摄时使用传感器的大小、帧速率、分辨率、快门开角、动态范围、颜色、噪声、混叠，因为客观条件所限，本文主要从动态范围这一维度为例，初步探索影像质量主客观之间的关系，希望能提供一些有价值的结论。

2 主客观测试准备

影像质量的主客观测评使用的摄影机选用了目前行业内较为常见的SONY PMW-F55、ALEXA mini、RED DRAGON 6K 这三台S35传感器的摄影机，其中RED DRAGON 6K 在测试中未开启HDRX 模式(HDRX 是RED 摄影机通过一次正确曝光和一次高光保护曝光获取高动态范围的模式)，表1是三台机器标称的主要技术参数。

表1 三台机器标称的主要技术参数

为了保证测试的准确性，客观测试和主观测试选择了同一支镜头——ARRI Ultra Prime镜头，焦距为50mm，所得出的客观和主观数据均为整个摄影系统综合数据；测试过程中使用世光L-758D 和美能达CL-200A 控制曝光和色温；所有被测图像是在Da Vinci Resolve STUDIO 17中DCI P3色域下导出的16bit Tiff格式图像，最大程度保证原始图像质量。

2.1 客观评价方法

动态范围的客观测试拍摄方式是在全黑的环境下拍摄使用灯箱透射Xyla-21 Dynamic Range Test Chart测试卡，Xyla-21 Dynamic Range Test Chart是专业测试动态范围的测试卡，有20档F 光圈动态范围级别(21级)，并允许光以1∶1000000的方式通过第21级，其所能测量的动态范围超过目前市面上所有摄影机器，能够精确地测试出摄影机能达到的最大动态范围。

Imatest是美国Imatest LCC公司开发的一款专业影像评测软件，能够精细量化图像数据。拍摄结束后，将画面在Imatest软件 “灰阶卡”选项中进行读取，同时辅助亮度示波器查看。

2.2 主观评价方法

动态范围的主观测评方法主要是对低调光、中间调、高调光这三种光线下的实景进行拍摄，分为使用正常曝光、过三档曝光、欠三档曝光的方式进行拍摄，最后剪辑合成一个测试短片，将测试短片打包放映。同时邀请了16名测试观众，对观众主要使用单刺激连续质量分级法，辅助分屏进行主观观看测试。每放完一个测试片后要求被测者在测试打分卷上打分，收集统计分值得到MOS (Mean Opinion score)值。

3 客观测试的过程及测试结果

3.1 客观测试过程

客观评价测试是在全黑的环境下拍摄Xyla-21 Dynamic Range Test Chart测试卡，拍摄数据见图1。

图1 Xyla-21 Dynamic Range Test Chart测试卡

图2 SONY PMW-F55的动态范围客观测试结果

图3 SONY PMW-F55拍摄测试卡画面的亮度示波器

使用摄影机SONY PMW-F55 (4K)拍摄Xyla-21 Dynamic Range Test Chart 测试卡画面，将处理后的测试卡画面导入Imatest软件中进行分析，见图2，画面数据分析得出结果Slope-based DR=14.8。从示波器上来看，摄影机SONY PMW-F55 (4K)拍摄Xyla-21DynamicRangeTestChart测试卡画面一共显示14档，见图3。

图4 ALEXA mini的动态范围客观测试结果

图5 ALEXAmini拍摄测试卡画面的亮度示波器

摄影机 ALEXA mini 使用3.4K分辨率、Opengate 拍 摄 的测试卡画面，由Imatest软件分析结果如图4，数据分析结果显示是摄影机ALEXAmini的动态范围14.6 档，从示波器显示来看，表现的有效动态范围为13.5档，见图5。

图6 RED DRAGON 6K 的动态范围客观测试结果

图7 RED DRAGON6K 拍摄测试卡画面的亮度示波器

摄影机 RED DRAGON 6K 使用6K分辨率拍摄的测试卡画面，经过数据分析得出结果如图6所示，数据显示14.8 档，从示波器上来看，摄影机RED DRAGON6K 所呈现的有效动态范围是13档，见图7。

3.2 客观测试结论

从上面三组数据来看，imatest读取的数据相对都偏高(使用斜率测量，在暗部区域信噪比(SNR)小于1的部分，因为色调映射和耀光的原因会导致数值偏高)，实际使用的动态范围数值都在此基础上减少一档左右。三台机器相差不多，基本都在13.5档左右，SONY PMW-F55动态范围要高一些，为14档；ALEXA mini为13.5 档，RED DRAGON 6K 相对低一些，为13档。

4 主观测试过程以及测试结果

4.1 主观测试过程

4.1.1 拍摄阶段

在北京电影学院数字影像评测实验室布置了一个实景，见图8，对摄影机动态范围的呈现进行了变量的设计，其中实景光线和摄影机光圈作为拍摄变量，现场实景布置设置了低调、中间调、高调三种光线条件，对这三种光线条件下的实景，分别进行正常曝光、过三档曝光、欠三档曝光的方式拍摄。

图8 实验场地实景

同时，三台机器分别进行拍摄时记录raw 格式素材(RED 使用的是拍摄常用的5∶1压缩比、考虑数据量大小兼画面质量)，由于mini 的2K 分辨率没有raw 格式，所以这个指标拍摄的是apple prores4444格式，尽量保证以高质量图像进行测试。

4.1.2 后期处理放映阶段

后期在DaVinciResolveSTUDIO17中进行处理，图像数据解拜耳后，根据厂商提供的相应查色表将色彩空间转换到DCIP3色域，伽马值为2.6。剪辑后的测试片前30秒分别是3段10秒不同机器的画面，后10秒是三个画面的分屏画面，单个测试片时长是40秒，再通过DVS Clipster 进行DCP制作，DCP符合DCI标准，最后将DCP 上载至放映系统中，进行放映。

测试片地点在北京电影学院C 楼放映厅，银幕宽度为6米，高度为2.5米，观看者距离银幕距离为5米左右，视场角大约为61度，银幕为标准亮度48cd/m，使用巴可DP4K-P 放映机进行放映。在测试片段制作中，三个画面的排放顺序是随机的，以排除人眼的倾向性。主观测评流程见图9。

图9 主观测试流程图

4.1.3 主观测评实验者观看打分阶段

共有16位实验者进行了主观评价，年龄在21～34岁之间，平均年龄26.9岁。男性13人、女性3人。其中影像从业者15位，主要从事电影摄影和数字电影技术，其中有一名是普通观众，所有人的视力或者矫正视力都达到1.0。样本中专业人士偏多主要是由于疫情期间防疫管控形势严峻，非专业人士无法到场，同时尽量减少聚集人数。

实验者在观看不同的测试片后会对每一个片段进行打分，每一个维度的测试会有一个打分规则。本节测试是三台摄影机以全靶面摄同一实景高中低调三种光线效果下的明暗舒适度表现，每一种光线效果下通过改变光孔大小再取过曝三档和欠三档然后后期拉回正常曝光水平的图像进行主观测试。共有9大组实验数据。

主观评价标准有明显不舒服-3分、比较不舒服-2分、一般-1分、比较舒服0分、舒服1分、特别舒服2分、非常舒服3分这七个级别。每组数据计算出MOS值(Mean Opinion score)以便评估使用。

4.2 主观测试结果

4.2.1 低调光线效果下三种曝光画面动态范围测评结果

如图10所示， 低调环境的布光方式为，以灯泡光源为主光，台灯为辅光，一只万源光引猎星300加束光筒形成侧逆光增加反差。用亮度表测量灯芯最亮处和画面最暗处亮度差大于20档，然后用照度表测量人脸右侧面颊，以此为曝光点进行拍摄。

图10 低调光效场景示意图

4.2.1.1 在低调光线下正常曝光画面测评结果

摄影机用正常曝光的方式拍摄低调光场景下的画面如图11。

图11 (a)为SONY PMW-F55 4K 正常曝光拍摄画面；(b)为ALEXA mini 3.4K 正常曝光拍摄画面；(c)为RED DRAGON 6K 正常曝光拍摄画面

本次实验中F55 4K、ALEXA mini 3.4K 和RED DRAGON 6K 明暗舒适度的MOS 值分别为0.867、0和-1.667，如图12，得出低调光线正常曝光下，F55 4K 表现最好，其次是ALEXA mini 3.4K，最差的是RED DRAGON 6K，即F55 4K＞mini 3.4K＞RED DRAGON 6K。

图12 三台摄影机主观测试打分分布

4.2.1.2 低调光线效果下过三档曝光后拉回正常曝光水平画面评价对比

摄影机用过三档曝光的方式拍摄低调光场景，从示波器来看，灯泡高光以及人物轮廓光处已经被切割，经过后期处理成正常曝光水平的画面如图13。

图13 (a)为SONY PMW-F55 4K 拍摄画面；(b)为ALEXA mini 3.4K 拍摄画面；(c)为RED DRAGON 6K 拍摄画面

本次实验中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒适度的MOS值分别为-0.6、-0.2 和0.733，如图14。这次测试结果反而是RED DRAGON 6K 明暗舒适度最好，即RED DRAGON 6K＞mini 3.4K＞F55 4K。

图14 三台摄影机主观测试打分分布

4.2.1.3 低调光线效果下欠三档曝光后拉回正常曝光水平画面评价对比

三台摄影机用欠三档曝光的方式拍摄低调光场景之后，经过后期处理成正常曝光水平的画面如图15所示。

图15 (a)为SONY PMW-F55 4K 拍摄画面；(b)为ALEXA mini 3.4K 拍摄画面；(c)为RED DRAGON 6K 拍摄画面

本次实验中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒适度的MOS 值分别为-1.667、-1.733和-2.933，如图16。测试结果跟本组测试第一个低调正常曝光下比较相似，即F55 4K＞mini 3.4K＞RED DRAGON 6K。

图16 三台摄影机主观测试打分分布

4.2.2 中间调光线效果下的明暗舒适度测试

图17 中间调光效场景示意图

如图17所示，中间调的布光，画面左右两侧各放置了一只加了柔光伞的万源光引猎星300，左右两侧测量出的光比为2∶1，用黑棋控制背景区域暗部亮度。利用亮度表测量灯泡最亮处与桌面下最暗处亮度差达到20档以上，用照度表测量右侧脸颊读数，以此为曝光点进行拍摄。

4.2.2.1 中间调光线效果下正常曝光评价对比

图18 (a)为SONY PMW-F55 4K 正常曝光拍摄画面；(b)为ALEXA mini 3.4K 正常曝光拍摄画面；(c)为RED DRAGON 6K 正常曝光拍摄画面

摄影机用正常曝光的方式拍摄中间调光线场景下的画面如图18所示。

本次实验中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒适度的MOS 值分别为1.2、0.867和-0.2，如图19。即F55 4K＞mini 3.4K＞RED DRAGON 6K。

图19 三台摄影机主观测试打分分布

4.2.2.2 中间调光线效果下过三档曝光后拉回正常曝光水平画面评价对比

摄影机用过三档曝光的方式拍摄中间调光线场景，亮度示波器显示灯泡高光处已经被切割，经过后期处理成正常曝光水平的画面如图20所示。

图20 (a)为SONY PMW-F55 4K 拍摄画面；(b)为ALEXA mini 3.4K 拍摄画面；(c)为RED DRAGON 6K 拍摄画面

本次实验中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒适度的MOS 值分别为-0.857、-2.214和0.071，如图21。即舒适度RED DRAGON 6K＞F55 4K＞mini 3.4K。

图21 三台摄影机主观测试打分分布

4.2.2.3 中间调光线效果下欠三档曝光后拉回正常曝光水平画面评价对比

三台摄影机用欠三档曝光的方式拍摄中间调光线场景之后，经过后期处理成正常曝光水平的画面如图22所示。

图22 (a)为SONY PMW-F55 4K 拍摄画面；(b)为ALEXA mini 3.4K 拍摄画面；(c)为RED DRAGON 6K 拍摄画面

本次实验中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒适度的MOS值分别为-1.5、-1.86 和-2.71，如图23。即舒适度F55 4K＞mini 3.4K＞RED DRAGON 6K，F55在暗部表现突出。

图23 三台摄影机主观测试打分分布

4.2.3 高调光效效果下的明暗舒适度测试

图24 高调光效场景示意图

如图24所示，高调光的布光以左右两侧各一只装有柔光伞的万源光引猎星300为主光，光比为1∶1，不用控光附件使光线平铺到前景和背景。用亮度表测量灯泡处和桌子下面暗部亮度差达到20档以上，用照度表测量右侧脸颊照度，以此为曝光点进行拍摄。

4.2.3.1 高调光效果下正常曝光评价对比

摄影机用正常曝光的方式拍摄高调光场景下的画面如图25所示。

图25 (a)为SONY PMW-F55 4K 正常曝光拍摄画面；(b)为ALEXA mini 3.4K 正常曝光拍摄画面；(c)为RED DRAGON 6K 正常曝光拍摄画面

本次实验中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒适度的MOS值分别为0.714、1.5 和0.857，如图26。即舒适度mini 3.4K＞RED DRAGON 6K＞F55 4K，mini表现比较突出。

图26 三台摄影机主观测试打分分布

4.2.3.2 高调光效果下过三档曝光后拉回正常曝光水平画面评价对比

图27 (a)为SONY PMW-F55 4K 拍摄画面；(b)为ALEXA mini 3.4K 拍摄画面；(c)为RED DRAGON 6K 拍摄画面

摄影机用过三档曝光的方式拍摄高调光场景，经亮度示波器查看，灯泡、台灯以及背景白色织物被切割。经过后期处理成正常曝光水平的画面如图27所示。

本次实验中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒适度的MOS 值分别为-1.429、-2.214 和-0.071，如图28。即舒适度RED DRAGON 6K＞F55 4K＞mini 3.4K。

图28 三台摄影机主观测试打分分布

4.2.3.3 高调光效果下欠三档曝光后拉回正常曝光水平画面评价对比

三台摄影机用欠三档曝光的方式拍摄高调光场景下的画面之后，经过后期处理成正常曝光水平的画面如图29所示。

图29 (a)为SONY PMW-F55 4K 拍摄画面；(b)为ALEXA mini 3.4K 拍摄画面；(c)为RED DRAGON 6K 拍摄画面

本次实验中F55 4K、mini 3.4K 和 RED DRAGON 6K 明暗舒适度的MOS 值分别为-0.714、-2.143 和-2.786，如图30。即舒适度F55 4K＞mini 3.4K＞RED DRAGON 6K。

图30 三台摄影机主观测试打分分布

4.3 主观测试结论

从9大组测试的每组数据可以看出，三台机器测试的动态范围评价结果往往因为光效和曝光的不同，产生不一样的结果。但是不难看出，9 大组数据还是有一定的规律可循，SONY PMW-F55 在整体画面亮度在曝光点以下时，表现往往会比其他机器要好；RED DRAGON 6K 往往在整体画面亮度在曝光点以上时，表现比其他机器要好，ALEXA mini的表现倾向性就没有那么明显。

5 动态范围的主客观评价关系分析

表2 9组动态范围Mos值得分情况

从表2可以看出，主观测试得出的明暗舒适度结论并不是跟客观整体宽容度数据完全吻合，有一定程度的背离。

在客观测试部分用imatest和示波器综合分析，SONY PMW-F55、ALEXA Mini和RED DRAGON 6K 的有效动态范围分别是14档、13.5档和13档。可以看出，动态范围三台机器相差并不多，SONY PMW-F55稍微高一点，RED DRAGON 6K稍微低一点，ALEXA Mini在两者之间。

主观测试结果得出，从整体上看，SONY PMW-F55表现比较出色，在低调光、中间调光的正常曝光以及三种光线效果的欠三档曝光中，MOS得分都是最高的。说明SONY PMW-F55在曝光点以下部分的层次感比较好。在拍摄侦探片、黑色电影时可能更适合，可以把暗部的影调呈现的更丰富。相反，RED DRAGON 6K 在三种光线效果的欠三档测试以及低调和中间调正常曝光中表现最差，说明其表现暗部层次的能力会弱一些。然而RED DRAGON 6K 在三种光线效果的过三档曝光中却表现突出，说明其在曝光点以上的区域层次表现比较好，那么就比较适合拍摄高调一些的画面，比如说电视广告、轻喜剧等电影内容或者在拍摄这些类型的影像时曝光可以稍微过一些。ALEXA Mini的表现在三台机器没有那么突出，唯一在高调正确曝光中占领优势，说明ALEXA Mini在曝光正常、整体画面亮度在曝光点以上的画面中表现比较好。

从这一角度来看，主观得出的这一结论和客观测试得出的结论又基本是一致的，在图2、图4、图6中可以看到，SONY PMW-F55 在曝光点以下密度响应相对比较密集，说明暗部亮度过度就比较平滑，层次比较多；RED DRAGON 6K 在曝光点以上密度响应比较密集，说明亮部亮度过度就比较平滑，层次比较多；ALEXA Mini则表现比较平均。

所以在判断一款摄影机动态范围表现如何，并不能只看传感器整体的动态范围表现，还应该根据实际情况测试暗部、亮部、中间调等的具体表现。

综上所述，摄影机的动态范围客观和主观的评价关系，不能简单的将结论归为一致或者不一致。首先不同的摄影机表现出来的关系可能会不同；其次动态范围这个指标可能也只是衡量影调层次的基础指标，具体面对复杂的影像画面构成，还需要具体画面具体测试分析。在实际应用中，面对不同形式风格的项目时，拍摄前做好摄影机主观和客观方面的测试就显得尤为重要。❖