如何理解波形与矢量显示

影视制作

图片来自:Shutterstock

靠一个测光表和一双训练有素的肉眼就能工作的日子一去不复返。要在专业上更精进,我们就需要一些技术性措施与测试和测量设备。

传统上,数字静态摄影机会提供直方图显示让你看到画面部分各异的亮度电平。直方图虽然有用,但比起传统的波形图监视器,却是一种非常不一样的——也有人说是不够全面的——画面分析方式。传统波形图监视器起源于用于视频制作公司与电视媒体的一种测试设备。它不仅能为亮度提供指导,同时还能提供物体在某亮度上的位置信息和其他特点。最后一个要说的矢量示波器是一种色彩分析工具,最初是为工程师参考色条对模拟磁带卡座性能进行微调而设计的,它现在仍被应用于片场和调色间里作为评估色彩是否过饱和或镜头是否匹配的方法。

我们会以这个城市夜景图为例,因为它对比度高且色彩饱和:

直方图

直方图还是很有意思的,因为它显示了图像亮度与图表结构的清晰关系。如果把图像调亮,直方图中的图形整体就会向右移动,这对于习惯阅读从左向右书写的语言的人来说,有一种“变多”的感觉。直方图被用于把各类数据可视化;比如表示不同年龄层对蛋糕切片平均大小偏好的图示也可以用直方图。直方图是一种分布图,横轴代表亮度,纵轴代表图像特定亮度值位置的像素占量。一个浅色的光线充足的物体可能所含像素的亮度大部分都超过亮度轴最高亮度值的50%,所以形成的直方图右侧就会更饱满,横轴方向上就更趋近高亮度那端。相反,如果一个画面包含的像素主要是黑色或低亮度的,那图形就会主要集中在表中左手边低亮度的那端。 

测试画面在直方图中的显示。画面暗色为主,所以直方图图形向左侧集中。

要进一步深入理解直方图,我们可以用合成测试图做演示。一个完全50%灰像素的图片在直方图中会显示成在横轴中间点的单独一条垂直线。这种情况揭露了直方图的一个问题:图表可能没有足够的垂直空间来显示图像中亮度相同的全部像素。就算我们决定给直方图柱增高,用一个像素的高度来代表图像中某个亮度的一百个像素,这这样做就已经牺牲了许多精度。而且一个高清图像如果全部近200万像素都在同个亮度上,那纵轴需要20736个像素的高度来保证直方图柱条不超过纵轴(1920 x 1080 ÷ 100 = 20736)。当然,在真实世界的摄影中不太会出现这种画面,但也确实有可能找到亮度范围比较集中的拍摄对象。这就会导致许多实用性直方图显示的上方被切掉,让人有错觉认为亮度范围没那么小,因为我们根本看不到图形的最高峰。

直方图的另一个问题在于它并没有提供信息显示是图像的哪个部分造成了图形的某个特性。直方图的纵横轴和摄影图像纵横向不成对应关系。直方图能让你对整体曝光有个基本的快速简单的了解,经验老道的人可以以此评估画面的大部分情况,但比起直方图,还有更好的办法。 

这个直方图显示的是一个全画面都是50%灰的图像,就只有在亮度50%处的一条直线,表明图像所有像素都在50%亮度上。

波形图监视器

最早的波形图监视器大概是经过适当配置的示波器,应用于早期电视的开发。同样,波形图的工作原理也很容易理解,在旧式的阴极射线管示波器中,电子束每次水平扫描中在显示器上横向移动,然后受视频信号的电压影响产生偏转。如此一来横轴就代表画面的横轴,纵轴代表亮度。 

测试画面在波形图监视器中的显示。注意湿润水泥地上明亮的反射光线的峰值,是超过图像较暗部分的阴影细节的。

大部分波形图监视器都能读出单一行的像素,显示为横跨显示器的立体连贯的图形,代表那一行的亮度。对于摄影师更有用的是波形图监视器通常可以提供图像每条线的即时分析,把图像整体扫描并形成透明程度不同的图像,一同显示出来。

单线波形图图像。注意这个单线的波形图像示意的是图像上那一条线上像素的亮度(上图中用红线标出)

所以说,波形图显示中的任何一点都有三个特性:

1.水平位置,直接对应被分析的像素栏的水平位置。
2.垂直位置,与被分析的亮度值相关。
3.亮度,代表那个部分在特定亮度水平存在的像素数量。

可惜这些东西看起来容易说起来难。

波形图监视器提供整个图像的亮度信息,也会对图像中哪个物体引起特定亮度特点提供一定的信息。因为波形图不仅使用了直方图的二维参数,还运用亮度作为第三维信息。 

波形图显示的高低强度可以查看更细致的显示结果。

敏锐的观察者会注意到波形图显示也会遇到类似直方图遇到的范围问题。直方图是在显示某一个亮度上众多像素时可能会垂直范围不足,而波形图监视器的问题是亮度范围不足。如果输出设备是一个8比特显示器,亮度在8位(=256级)中不超过2位的亮度可用。如果是一个高清图像,每个水平位置都代表一个1080像素栏。如果所有那些1080像素都是同一个亮度,我们需要的波形图显示上的亮度范围就是1080个等级。极限上,我们只有这所需的1080像素不到1/4的范围在理论上是亮度相同的。

因此,大部分波形图监视器都有亮度或强度调整,用于控制某个特定亮度下的每个像素在显示强度上的增量,有效增加或减少显示密度,保证有意义的特性清晰可见。

直方图理论上执行的是一个相似的手动控制的垂直缩放功能来弥补这个问题,但我没见过使用实践。

矢量示波器

直方图和波形图监视器能让我们分析一个图像的亮度,矢量示波器则让我们把色彩内容可视化。严格来说,任何可以把两个不同信号间的关系可视化为二维X-Y表的显示即为矢量示波器;一个音频相位图代表的是一个立体声信号中的两个音流的关系,这种也是矢量显示。  

 测试画面在矢量示波器中的显示。注意图像反光色造成的向青和红趋近的峰值。

虽然我们不会过多展开电视工程史的内容,但大部分人都知道彩色图像是由三个通道所描述的——最明显就是红、绿、蓝,但也有Y、U和V,分别Y代表亮度,U和V代表色彩信息。在数字系统中,这三个通道通常被代指为Y、Cr和Cb,其中R和B小字母下标代表这两个色彩通道的计算是通过从Y亮度信号中减去红和蓝RGB信号计算的,也就是广义上的平均R、G、B。把色彩和亮度这样区分开的目的是在于人眼察觉亮度比对色彩更敏锐,所以这两个色彩通道可以用较低分辨率储存和传输而不影响认知敏锐度。大家熟悉的4:2:2和4:1:1注释就是这样来的,其中的色彩信息以亮度的一半或1/4分辨率发送。广播NTSC制式的YUV、YCrCb、YIQ之间是有技术差异的,但为了文章方便阅读,我用YUV指代,因为它们的基础概念是相同的。 

色相旋转+90度的测试画面
 所得到的适量示波器显示真的就跟着旋转了,虽然这不符合常识,但它逆时针旋转成了一个正色彩角变化。

矢量示波器也就是U和V信号的X-Y图,U信号垂直,Y信号水平,形成的显示结果就是一个色相的色轮,顶部或顶部附近为红色。在调色软件中旋转色相控制会导致矢量示波器显示内容的旋转。颜色越饱和引起的U和V的信号偏差就越大,显示上就会越靠近矢量示波器圆盘的边缘。完全不饱和的色彩就会显示成中心的一个点。大部分矢量示波器都有目标区,那是代表色条测试信号中的色彩区块的点应该在的位置,这就是他们的原始目的——让VTR广播磁带录像机的设置能显示准确的色彩。基于RGB与YUV之间同数学原理,虽然适量示波器和色条可以显示不少图像的微妙细节,但数字信号意味着彩色图片不然完美不然完全有缺失。

矢量示波器显示的色条。注意高饱和色彩区块每一个都显示为靠近外围的圆点,这些外围部分都有目标区,目标区的位置就是测试色彩应该在的位置。

除了广播电视,很少见到摄影师在现场使用矢量示波器,但对调色师而言矢量示波器很重要,需要用它进行精准地逐镜头匹配,确保调色符合技术标准。因为U和V信号的位置关系相互呈一个90度,所以矢量图上任何直角区域内的位置都能标绘出来,但大部分时候只出现在显示的中心圆区。这参考了最早期的彩色电视和一种叫做正交振幅调制的信号技术应用,这种技术把彩色嫁接到黑白电视的同时保持了向下兼容性;总体而言它的色域限制在色相的中心圈。出了圈的部分——通常靠近边缘的部分——可能就是磁带卡座、信号传送器和电视无法处理的色彩。

真实摄影机与监视器中的情况

数码单反通常只有直方图,而其他性能对于价格亲民的很多监视器来说变得越来越常见。广播和新闻采访摄影机早已包含了斑马线这样的功能,在图像指定亮度的区域上画好图案,指导曝光,并对不好看的裁切做出警示。更先进的波形图监视器和直方图可以提供单独的红、绿、蓝通道显示,能提供更多信息,便于某些调色操作。最终,正确选择和使用测试与测量设备可能不仅会帮你检查出问题之所在,还能让拍摄更简单更有一致性,减少对用调色解决问题的依赖。

“RGB分量图”是一种能分别显示红、绿、蓝通道的波形图。
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