如何理解LOG录制?

技术前沿

现代摄影机拥有惊人的动态范围,但前提是只有在使用“LOG”或“Cine-style”模式的情况下才能能发挥这种优势。本文将解释其中原理以及为何存在多种非标准的处理方式。

从某种意义上说,如果人眼对光线的感应更有规则可预料的话,那么一切都更简单。如果人眼是线性的,那么制造商在制造摄影机和后期设备的时候就省事多了,那样的话,摄影设备也能像当前音频技术一听就懂一样让人一目了然。但毕竟人眼并非线性,打一个简单的比方,现在常见的记录亮度的手法就如同二十世纪初易碎的黑胶唱片一样。

可能是我太严厉了。最近我们也看到一股对数或伪对数亮度编码格式的复兴潮。有时候,这能给予摄影人士类似于胶片的效果。但问题是,世界上各家摄影机制造商都在创造各自的解决方案,这导致了各种不兼容性,对现场图像工程的要求在光化学领域是前所未有的。

在我们进一步讨论之前,首先要再次强调几个重点。

解读Log VS 线性

随着实际光线强度成倍增长,人眼对于光的感应或多或少呈线性。这就是摄影师所熟知的曝光值,可视亮度的每一档提升实际代表的是光线强度的翻倍,曝光值增加1看起来就是增加了等量的亮度。在100瓦的灯照射下所看到一个场景我们可以叫它“光线100”。假设该场景在这些条件下充分曝光,那么我们叫它“亮度1”。要使光线加倍,我们可能需要再添加一个100瓦的灯,这样就是“光线200”,“亮度2”,相当直观。但此时若要再次增加等量的亮度,让亮度达到3,那么就需要让此时的光线翻倍,变成光线400。这并不是新知识,当初f stop光圈系数和曝光值发明出来的时候,我们就知道线性亮度的增加需要光线量连续的翻倍。

【图1:亮度线性增加,光线翻倍】

录制LOG就是使用这个原理来改善录制的一种方法。假设摄影机传感器的图像数据是线性的,每次光线量翻倍时我们就把数码数字翻倍。虽然这并不是很多传感器实际的运作,但现在这是一种有用的粗略估算。我们可以储存这个未修改的数据,但每一组可见亮度的增加都需要把这个储存的数码值翻倍,这样亮度高光才能占大部分的值。假设我们现在对一个物体曝光,让它的在8-bit图像中的值是8,如果我们向上开一档,那么它的值就变成了16,如果再开一档,它的值就变成了32,下一档变成64,以此类推到128和256。因为128到256之间有128的值,我们就用这128的值——这是所有可用值得一半——来储存最亮一档的亮度信息。但因为0到8之间只有8的值,我们就只能用这8的值来储存最暗的一档。以下图表展示的就是每一段数码码值记录的灰阶的大致情况,红色标记表示曝光值(或者说是一系列的f-stop)。

【图2:线性与对数码值分布】

 “线性”图显示了持续的对所录值实际曝光的翻倍。注意线性图顶部128值的大片范围其实看起来亮度改变并不大,这是我们非线性的人眼看到的效果,但我们还是使用这128的值作为代表,因为它代表了光线水平的大幅增加。

对于这种不平衡的一种解决方式只需提升整体准确度。即使是早期的ENG摄影机在处理它们的传感器数据时使用的都是16甚至更高比特。当时的可用值超过65000,可储存多档动态范围,并带有可用的精准度。虽然随着技术进步让储存更简单,但我们宁可不要存16 bit数据,完全可以做到不损失质量。对数据进行转换,让每一档光圈系数同值,这就是一种直接明了的以2为底的对数,它会把一个比如曝光为32值的物体的光进行翻倍,移到值为64,再次翻倍后移到值96。下图中,我们能看到一个理论上的线性8-bit摄影机的输出为红线(假设“黑”与“白”之间为12档动态范围),蓝线表示作用对数对数据的处理。

【图3:线性光线 vs log2】

我们可以看到,处理过的对数曲线在暗部细节迅速提升,确保较暗的图像信息可以被合理的码值所代表,然后对数曲线在高光处趋于平坦,降低了这个部分的代表值。每一档使用同样的数值。图中很直观就能看到为什么log图像看起来对比度低:因为黑被大幅提升。我们回头看图2,注意“对数”图中,每一档32的值所包含的亮度在视觉上的差异程度大致是相同的。

LOG的麻烦之处

最关键的问题是只有极少数的摄像机遵循这个原理。很多传感器并不理想,大家都想要主观上美观的图像,那这就涉及个人观点、物体呈现和拍摄意图的问题了。现实世界中log profile通常呈现的是log的近似情况,是经过制造商修改为实现某种目标的结果。总的来说,每一档光圈系数的信息占的范围大致相同,但这还能被分解为高光和暗部的极限,还涉及多种变量,它们的存在是为了服务或支持某种摄影意图,就比如佳能数码单反的图像风格。

当这样一部摄影机的输出显示出来的时候,我们必须了解图像经过了怎样的处理,这样我们才能解除那些处理以进行正确的显示。也是由于这种变化性,监看设备要具备特定知识了解摄影机亮度处理的方式。使用了错误的反Log曲线产生的图像会有杂碎或不固定的黑、噪点、被裁切或变暗的高光,或者其他一些可能会导致摄影师对亮度和曝光做出误判决定的种种问题。现在的摄影机通常一键就能开启不同曲线,后期制作软件甚至拥有更高的灵活度,相当容易出现严重的问题。

其内在的问题就是缺乏标准化。如果考虑到校准问题,当前的任何查看条件都需要考虑3-4个不同的因素(摄影机的Log曲线、任何创意曲线、任何校准、监视器的反Log曲线),在片场和在后期制作当中都需要考量这些事项,这些因素会对结果带来风险,最轻就是影响图像准确性,最糟则会严重影响图像质量。当然并不是要业界回归ITU推荐的BT.709标准的年代——这个标准更接近线性而非log——现在长期缺乏的是一种规范化。另一面,反驳的声音表示所有摄影机各不相同,要强制它们符合单一规格可能会有一定的折损,但之前存在的各种标准——如709和佳能数码单反以它们的sRGB或Adobe RGB输出的图像风格——都显示制造商可以在一个标准化的框架内提供不同并有用的功能选择。(T)

作者:Phil Rhodes
翻译:盖雅翻译小组

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