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高动态范围连续影像的拍摄

时间：2015-08-31 11:40:54 来源：

【摘要】本文通过介绍电影科研所高动态范围连续影像拍摄实验的过程和结果，分析了当前国内电影行业实现高动态范围连续影像拍摄的可行性和遇到的问题，并结合其独特的技术特性，解析了对后期制作技术的影响，以及新设备的推出将会带来的应用前景。
      【关键词】高动态范围连续影像双机拍摄 HDRx 动态范围合成
      一、概述
      在电影摄影需要拍摄的真实世界中,非常亮的高光点和比较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等数字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，于是那一部分超过限度的细节就没有被记录下来，得到的画面与人眼所感受到的场景就有很大不同。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，并最终合成为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大的记录下来的目的，使其画面更接近人眼所感受到的动态范围。
      HDR（High-Dynamic Range），即高动态范围成像,虽然概念早已出现,但是由于成像器件以及现代计算机运算能力的发展所限，直到最近仍未得到广泛应用。目前该类型的探索在国内外都还处于起步阶段，尤其是在专业级的领域目前尚未有人成功探索出成熟流程，但其在行业应用中却一直存在实际需求。
      而且，在2013年美国洛杉矶举行的SMPTE年会中，国际上的业界专家已经提出了新一代专业影像领域的新技术要求，即更高的分辨率，更高的帧率，以及更高的动态范围。这更凸显了人们在各种相关科技进步达成之后，对于影像质量全面提升的迫切追求。
      中国电影科研所为此成立了专门项目组，利用相关专业设备，进行了一次高动态范围成像的拍摄和合成实验，以验证这一科学构想，实现中国电影人的技术探索。
      二、研究内容
      1、拍摄思路概述
      以前在我们所熟悉的以获取单张图片为目的的图片摄影技法中，获得高动态范围影像的方法大多都是采用分时多次曝光方式，以捕捉多幅不同曝光的画面，然后再合成为一幅图片，来得到最终结果。但在以捕捉动态连续图像为目的的电影摄影技法中，这一手段很难被简单复制过来直接应用。
      因为电影摄影所需要捕捉的连续图像是动态的，也就是说，需要获得的图像中的物体是移动的，并非只需要像图片摄影那样，把其某一瞬间捕捉下来即可。而是需要在每一瞬间，连续在画面中的不同位置，把移动中的物体用连续图像记录下来。这物体的移动，就成为了电影HDR摄影中的最大难题。因为，如果通过图片摄影常规使用的分时曝光的方式，在记录了第一张图像之后的瞬间，物体的位置已经发生了位移，第二张图像拍摄的物体已经不在第一张图像中所在的位置了，那么这样合成的图像就会出现重影的问题，更无法清晰地显示移动的物体本身。所以，拍摄单幅图片的方法并不适用于拍摄高动态范围连续动态影像。
      为此，我们利用现有的成熟设备，集成改进了一套立体系统用于拍摄高动态范围画面。在这个系统中，使用立体电影的拍摄架构，但不再保留立体影像所需的视觉相位差，而是将其归零，使通过半透半反镜进入两套摄影机所获得的两轨画面基本重合，随后在后期制作中再进行细微调整。另外，我们还测试了一些专业设备的HDR新功能，在单机拍摄时使用其提供的X轨选择，实现了单机同步拍摄两轨画面的实验。
      2、双机拍摄
      首先来说我们实验采取的两种拍摄流程，第一种：双机不分时同步拍摄，通过使用现有的立体摄影系统，利用双机成像器件通过半透半反镜，采用不同曝光完成同时间成像。根据立体摄影机的成像原理，这种拍摄方法是具有可行性的。但不可能使用完全与立体拍摄相同的手段来实现，因为立体拍摄对于双画面只需调整至人眼能接受的视线夹角，而并不需要两组画面完全重合。那么为了实现更高难度的像素完全重合，就必须重新调整支架，使得立体视差消失，保证双机多方向轴同步稳定成像，使双画面基本重合。
      在这个实验中，我们使用两套老式RED ONE摄影机组成的立体摄影架构（见图1）来实现双动态画面的捕获。实验进行中，我们使用的第一代数字立体支架的结构稳定性很差，多桥接杆式的结构导致其刚性不稳定，每一根碳纤维杆虽具有一定便携性和强度，但由于其多重桥接的结构特性，使整体支架在每一个桥接装置上增加了一个着力点和不稳定性，而过多的不稳定性使得两台摄影机出现了摄影应用中不应该出现的相对位移，这种位移随着整体骨架的运动而弹性浮动，这一弹性浮动导致了在部分运动较为剧烈的拍摄实验所捕捉到的画面中，有一些抖动和错位的现象出现。而且在拍摄现场，这种现象从立体监视器的频闪重合画面中是无法察觉到的。

图1 电影科研所的RED ONE立体摄影机系统
      一方面，由于实验展开之时，国内还没有现成的、比较稳定的现代立体支架系统来实现双画面的像素的多方向轴同步稳定；另一方面，我们也需要验证在两组画面有所扭曲的情况下，其像素校准能否基本实现。这些不得已产生的位移也正是我们需要实验的对象，通过我们的后期实验作针对性的处理，以验证像素扭曲之后的合成效果。如果处理之后画面能够重合，并在银幕上得到观众的认可，那么就已经证明这套拍摄流程是可行的。当更稳定的立体系统得以使用后，画面质量则可以进一步提高。于是我们直接通过使用额外的临时部件加固了其原有的三角结构，提高了稳定性后继续进行拍摄。
      令我们比较满意的是，随后拍摄得到的大部分画面在后期处理过程中被认定为可用，其双帧画面的扭曲程度在自动运算调整之后所得出的单幅画面，在2K分辨率的显示条件下是可以被接受的。并且，其合成实验所得出的图像质量，在我们需要探求的高动态范围方面，需要同时表现的高光比内容的色彩，比单机拍摄的效果要更好。
      这种优势的得来，是因为我们可以直观的根据不同亮度的物体来分别设置两台摄影机的曝光值。这样一来，画面的动态范围就得到非常有效的控制，于是画面中每个需要表现的不同曝光的部分，看起来都更加自然、饱和，使得画面层次更加丰富，在后期制作中可以任意发挥而不至于失真。
       3、单机拍摄
      本实验所采用的第二种方案是，单机实现高动态范围连续图像捕捉。

图2 RED EPIC摄影机
这种方案在操作上就相对比较便利，我们使用了一种可以实现5K分辨率（也可以实现下变换为其他较低分辨率）拍摄的新型摄影机，它是美国RED公司推出的一种比较小型化的新型高端摄影设备（见图2），名为EPIC，其中文翻译过来也就是“史诗”的意思。这种摄影机可以在拍摄时附加一项功能，即开启一个单独的HDR-X轨录制功能，用于捕捉画面中亮度较高部分的细节。在HDR-X开启状态下，拍摄后会得到一个完全独立的曝光轨，在设置时可以根据需要设定为降低2至6档，其捕获的画面亮度会比该机正常拍摄的画面暗相应的几档。在一次拍摄中，我们可以同时获得两种不同曝光：一个暗部细节正常，另一个则将高光部分保留得比较好。正常拍摄的画面称之为A轨，而这附加捕获的相对较暗轨称之为X轨。
其工作原理可以理解为：当摄影机设置为适当的快门速度1/48秒以拍摄通常认为正常曝光的A轨画面时，手动开启的X轨即自动设定为更快速的曝光，以使曝光量减少，并可以根据需要设定为1/96秒或者更短，最高可以实现与A轨曝光相差6档的拍摄。在拍摄之后得到的素材中，会在R3D文件夹里出现一个可选开启的X轨视频轨道，可根据需要手动选择使用或不使用X轨，而选择了X轨之后，则可以通过几种方式来实现亮暗画面的合并，从而实现高动态范围影像的取得。在RED自己的后期制作系统中，其提供的选择是“简单”模式和“魔法”模式，并可以进行微调。

图3 EPIC摄影机的HDRx功能开关
      在拍摄中，我们将EPIC摄影机的HDR-X功能打开（见图3），并根据测光表测得光比之差，来设定其X轨的档位差。尽管这一设置并不完全可控，因为它只有最高6档的选择，如果光比过大，成像效果就无法令人满意了。但当需要同时表现的物体处于6档之内的光比之下时，其合成效果就比较好。尽管这种曝光差别在实际拍摄现场中，并不如后面我们所进行的双RED ONE摄影机同步拍摄那样，可分别根据需要以两组画面作为参考去设置曝光来得直观，但EPIC摄影机相对于老式的RED ONE摄影机而言，毕竟是更新推出的先进设备，其本身成像质量早已超越上一代摄影机，直接就可以获得比后者更大的宽容度，其单机拍摄的两轨画面已经完全可以通过使用自家软件实现自动合并，从而得到比较出色的高动态范围画面。
      所以就单机拍摄而言，并无需突破特别的技术难关，只需在摄影控制上把握好所需的两组曝光，根据实际情况设置好X档的光比差，就可以得到合适的高动态范围画面。而且这种拍摄流程还有其独特的优势，因为只需要单机拍摄，需要的附件就会减少很多，轻便性和可操作性更好，对于拍摄者的要求也就比较普通，无需额外的技术考量，从而使得这一额外功能实现起来更加简便。
      4、拍摄总结

图4 SCREEN PLANE推出的新式一体成型立体支架PRODUCTION RIG
通过两种不同拍摄方法的实验，我们已经将双机拍摄理论的可行性进行了验证。目前看来，虽然我们老式的RED ONE双机HDR摄影已经被证实可以比单机HDR摄影取得更高的动态范围，而且画面质量也不错，但是使用多桥接杆结构的立体支架会对画面稳定性造成影响。另外，RED ONE摄影机自身的动态范围也不高，再加上其配套的极其不稳定的多桥接杆结构立体支架系统，对于拍摄双机动态范围影像并不是最好的选择。因为，在拍摄实验结束时，国内已经开始引入了针对新款和更小型摄影机而推出的更稳定的立体支架，为非多桥接杆连接的单体结构（见图4）。这些新支架全都使用异形的整体型材构成，型材直接刚性固定，仍然采用半透半反的双机位来连接摄影机，一体式结构稳定而且可进行各轴位的细微调整（见图5）。这种结构对于双机稳定成像而言，无疑增加了极大的可靠性，使得我们实验所验证的新拍摄技术可以更加简便地得以实际应用。

图5 SCREEN PLANE推出的新式STEADY-FLEX立体支架
      不过，即使是使用老式的立体支架，我们的拍摄实验也已经证明了其工作原理和拍摄流程的可行性，就其目前取得的结果而言，对于合成之后画面细节质量的提升非常明显。至少在已经验证过的2K分辨率条件下，银幕显示效果比较理想。与单机摄影相比，虽然不具有轻便的优势，但其特点在于合成的图像色彩更真实，在我们需要探求的高动态范围方面，尤其是未经调色处理之前，其画面中需要同时表现的高光比内容的色彩比单机拍摄的效果要更自然，更容易为人眼所接受。
      目前就已经完成2K分辨率实验样片在所内标准测试银幕上显示的效果来看，我们的流程已经走通，技术理论得到了验证。在聘请了一批业内专家进行了主观评判之后，我们实验得到的高动态范围连续影像在画面质量上被认为可以接受。实验证明，在现有条件下，无论是采取单机、还是双机的方式，高质量的、具备一定实用性的高动态范围连续影像拍摄流程已经可以实现。
      三、高动态范围拍摄对于后期制作的影响
      1、增加的创作空间带来的附加工作
      高动态范围的拍摄对于后期处理而言，带来了更多的创作空间，也就必然会带来更多的工作量。因为通过前期的拍摄实验，我们得到的HDR动态影像由至少两组不同曝光的画面构成，为了让这些不同曝光的画面显示在10bit、12bit甚至16bit的图像通道中，我们需要用特殊的叠加方式合成这些图像。另外，尤其在双机HDR方案中，至少需要增加一个将两组动态影像的对齐步骤，这也是一种比较困难、且不可或缺的核心技术。
      根据单、双机不同拍摄流程，我们可以使用不同的方式来进行后期合成处理，对于双机拍摄的画面，在本实验中我们使用的是立体影像解决方案，直接处理合成HDR高动态范围影像。因为立体影像处理软件已经相对成熟，且对齐、分轨校色、双路显示等功能已经相对完善。

图6 动态范围的合成
      首先我们需要先将两组摄影机同步拍摄的两幅画面进行对齐校准，将前面拍摄时由于架子不稳造成的像素位移，通过扭曲处理，使两幅画面合并为同一重合画面，然后再进行动态范围合成工作，利用合适的数学算法将两组画面的动态范围叠加起来，形成高动态范围的画面（见图6）。
      单机拍摄则采用与摄影机匹配的RED公司提供的REDCINE-X软件，按照预置的合成方法进行合成，从而得到高动态范围的画面。
      就目前已经完成的2K分辨率实验样片在所内标准测试银幕上显示的效果来看，本流程的技术可行性得到了充分验证。在聘请了一批业内专业人士进行了主观评判之后，我们实验得到的高动态范围连续影像在画面质量上被认为可以接受。
      2、对于画面的模糊影响
      在实验中，物体在高光比的、但相同亮度环境之内的移动，我们通过相应调整摄影机快门速度参数，缩短测试镜头的曝光时间，可以有效避免拍摄移动画面时，相对较长曝光时间一轨画面的拖尾现象。但由于技术限制或艺术要求，在某些条件下，物体移动速度相对于快门曝光时间而言较快时，仍会产生拖尾，而这种拖尾由于视觉暂留时间较短，而且人眼也以同样的方式运作，所以比较容易被人眼接受。正是由于人眼是习惯看到动态模糊的，所以影片中的运动模糊甚至不会被特别注意到。
      但无论是双机还是单机采取高动态范围拍摄，都会由于两组曝光值的不同，而有画面拖尾导致的运动模糊现象出现。这种拖尾的程度，在拍摄物体比较高速地在镜头内的X和Y轴方向运动时，会比较明显。但我们后期制作时并未加入任何Motionblur特效，因为经过样片在银幕展示所带来的感官体验来看，这种运动模糊并未对影片质量形成较大的负面影响，影像看起来仍比较自然，因为在同样条件下，即使是使用正常拍摄以保证画面亮度整体均衡的情况下，仍然需要相近的快门设置，如此一来我们拍摄的画面拖尾模糊程度就和正常拍摄的相差无几，所以并不需要在后期中加入Motionblur特效即可直接观看。
      以上结果虽经感官验证，在大部分情况下其造成的影响可以接受，但因为镜头内物体运动速度、光照情况、快门设置等因素的影响，效果会有所不同。毕竟这些因素对画面成像还是有一定影响，所以影片创作者在使用此项技术拍摄高动态范围连续影响时，仍需要有所考虑。
      3、高动态范围连续影像的调色
      调色工艺本身作为独立的后期制作环节，已经介入艺术范畴，对于技术的影响并不是线性的和可追溯的，但由于高动态范围的拍摄已经捕获了更多的细节，为后期调色带来了更多的创作空间，对于画面质量的提升非常明显。
      而且在高动态范围画面的调色工作中又完全不需要对原有成熟的流程有所调整，反而获得了更多的可能性。对于原本无法表现的高亮度天空，也可以直接在已经得到正确表现的画面上增加饱和度，而不会形成偏色。而暗部原本无法提升的细节，在高动态范围图像上也无需顾虑，完全可以根据需要来适度表现。

图7 丰富而不失真的色彩
      这是一种创作上的飞跃，高动态范围连续影像的获得，为后期制作提供了无以伦比的发挥空间，为调色师的双手插上了翅膀，使得画面表现手段可以极尽扩展而不失真实（见图7）。
      四、总结
      由于我们的实验尚处于探索阶段，大部分双机拍摄实验在国内甚至是国际上都是首次进行，而且双机拍摄只是一种创新的理念，并不容易大规模实践，没有必要进行大规模的设备投入。由于客观条件所限，我们只能使用现有设备来完成实验，但是在设备的选用上，今后还有再提高的余地。也就是说，我们的流程虽已走通，但随着技术的进步，日新月异的摄影设备可以再进一步提高成像水准，而且更加专业并且稳固的专用立体支架也已经逐渐推出（见图8），今后更高要求的高端拍摄应用，如果有双机拍摄的实际需要，完全可以通过借鉴我们已经走通的流程，采用相同原理，并配置更先进的设备和更加稳定的相关附件来进行，也就是使用更高质量的摄影机和更加稳定的立体支架，就可以使得更高效的高动态范围连续影像摄影得以实现，从而使高动态范围连续摄影的前景更加光明。

图8 3ALITY的新ATOM立体支架系统

图9 SCREEN PLANE的PRODUCTION RIG立体系统可以实现很好的动态稳定性
      而且，已经出现的新型支架（见图9），稳定性极高，在其投入高动态范围连续影像的拍摄运用之后，可以使得更多的、更有利于成像质量提高的可能性出现，甚至四轨图像的重合也成为可能。利用两台前面第二种工作流程中所使用的EPIC摄影机，每台单机都能获得超越单台老式RED ONE摄影机的画面质量和宽容度，画面质量已经大幅提升。如果更进一步的话，在实现两台机器全都开启附带X轨功能的情况下，两机分别设置正确后一次拍摄，在理论上就可以获得更多细节的四轨画面，其合成之后的画面层次表现必然超越现有单台设备所能及的质量。
      而每更新一代摄影机的所带来的画质进步，也为双机拍摄提供了更高质量的合成画面，这种提升虽然不一定带来成倍的进步，但至少提供了更多的可能性，不仅是对拍摄多元化的内容捕捉而言，在后期制作领域，也同样是提供了更加自由的创作手段和更加广泛的应用前景。
      作者：中国电影科学技术研究所赵阳

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