浅析数字影像处理过程中的色彩溢出现象

2021-04-02

现代电影技术 2021年3期

(北京电影学院中国电影高新技术研究院，北京 100089)

1 引言

色彩溢出现象一直困扰着数字影像制作，降低画面质量和影片制作水准。画面中存在色彩溢出的区域，会出现色彩失真和细节损失。画面的色彩溢出现象发生在数字影像处理的不同阶段，色彩信息超出数字影像记录范围是造成画面色彩溢出的成因。

图1 拍摄过程中出现的色彩溢出现象①

影视制作中，色彩溢出发生在前期拍摄和后期制作两个阶段。本篇文章首先分析前期拍摄和后期制作过程中，数字影像出现色彩溢出的具体成因，然后总结现有解决办法，最后梳理针对存在色彩溢出画面的修复方法。在文章结尾，我们对数字影像处理过程中的色彩溢出现象做出总结，并对该现象的未来解决方法做出展望。

图2 色彩空间转换造成的色彩溢出现象②

2 前期拍摄阶段的色彩溢出及解决方案

前期拍摄中，当景物色彩信息超出摄影机感光元器件记录范围时，超出摄影机记录范围的色彩信息会被裁切，最终在画面中形成色彩溢出。合理设置摄影机曝光参数，是解决前期拍摄色彩溢出的主要手段之一。

如图3(a)所示，由于整体画面曝光设置问题，画面中天空的亮度信息超出了摄影机的记录范围，导致画面中天空蓝色通道的色彩溢出，通过减小曝光量，图3(b)修正天空的色彩溢出，正确还原天空的颜色。针对这种由于曝光不正确造成的画面色彩溢出现象，我们需要在前期拍摄中，保证画面曝光正常，确保画面中不存在过曝的区域。为了保证摄影机的正确曝光，我们首先需要掌握摄影机所能记录的动态范围和色域范围，结合测光表直方图等辅助技术手段，在特殊情况下，使用ND 镜减小摄影机进光量，最后使用RAW 格式进行录制，最大程度记录景物的色彩信息。

图3

随着数字摄影机记录的动态范围和色域范围不断提高，画面整体曝光过量造成的色彩溢出得到有效避免。然而在使用摄影机拍摄直接射入镜头的光源时，特别是拍摄LED 光源造成的色彩溢出现象，依然存在。

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，是一种能够将电能转化为可见光的半导体器件。LED 有着节能、稳定、亮度高等优点，可以作为装饰灯使用。彩色LED发光是依靠LED 内部电子碰撞产生的紫外光激发二极管中的填充化合物完成的，根据填充化合物的成分不同，LED 可以发出不同颜色的光，由于填充合成物不足或纯度不够，导致LED 内部无法完全吸收紫外光线，最终致使紫外光线泄露，这种现象被称作LED灯具的“蓝光溢出”。在拍摄光线直射入镜头的LED光源时，由于LED 光源亮度信息超出摄影机记录范围，且存在紫外线溢出现象，使得摄影机无法完全记录LED 光源的色彩信息，造成画面中直射光源的区域多会出现蓝色通道的色彩溢出(图4)。

图4 LED指示灯蓝色通道色彩溢出④

针对拍摄直射光源尤其是LED 光源可能出现的色彩溢出的问题，Sony 公司推出了Adaptive Matrix(自适应矩阵)功能。数字影像画面色彩由红绿蓝三通道组合而成，通过矩阵控制三个通道可以设置摄影机的白平衡，起到更改画面整体颜色的作用。Sony公司推出的自适应矩阵，可以根据预设的显示标准，识别画面中超出预设色域的区域，降低目标区域的亮度及色彩饱和度，从而达到修复画面色彩溢出、还原画面细节的目的。如图5所示，拍摄时，水立方外墙的光线直射入镜头，造成画面的蓝色通道色彩溢出，水立方外墙细节丢失，使用自适应矩阵后，摄影机降低画面中存在色彩溢出区域的饱和度，还原了水立方外墙的细节。

图5

3 后期制作阶段的色彩溢出及解决方案

进入后期制作后，我们需要对源素材的色彩进行处理。当我们将源素材从一个较大色域范围转换到较小色域范围时，超出色域范围的色彩信息，会被裁切，导致画面中出现色彩溢出，图2是将原始素材从ARRI Wide Gamut转换到ACEScct/AP1 的过程中发生的色彩溢出现象。

色域转换是色彩空间转换的一部分，在完成色域转换后，最大程度地保留转换前画面的色彩细节，是色域转换的需求之一。色域转换的方法有很多，根据色域转换的意图，主要可以分为：基于关联性的色域转换方式(Relative Rendering)和基于感知的色域转换方式(Perceptual Rendering)。基于关联性的色域转换方式，通过建立不同色域之间相同色彩信息的精准对应关系，对目标色域之外的色彩信息做裁切处理，前文中色彩空间转换过程中色彩溢出的现象(图2)就是使用基于关联性的色域转换方式的结果。基于感知的色域转换方式，尝试保留目标色域范围之外的色彩信息，构建冗余色彩信息与目标色域的对应关系，保留原始色域的色彩信息，在目标色域对原始色域进行重建，缺点是会导致色域内部色相及饱和度的变化，图6是使用不同色域转换方法的转换结果对比。

图6

目前，主流调色软件不断推出新的功能辅助色彩空间转换，也给修正色彩空间转换带来的色彩溢出提供了更多解决方案。以Black Magic 公司的Davinci Resolve 调色软件为例，可以自主选择色域转换方式，图7是使用Color Space Transform 功能进行色域转换的效果对比。原始素材使用Sony SLog3 色彩空间录制，经过色彩空间转换后，转换到Rec.709色彩空间。我们可以观察到，与图7(b)相比，使用饱和度压缩进行色域转换的图7(a)，高光部分过渡自然，画面细节得到了保留，色彩溢出现象得到了显著改善。针对不同的制作需求，我们在后期制作中，可以灵活选择更适合的色域转换方式。

图7

图8 Gamut compress 前后对比图⑦

针对色域转换造成的色彩溢出问题，主流调色软件还提供了压缩源素材色域的方法，通过压缩超出目标色域边界的色彩信息，从而达到修正色彩溢出、还原画面细节的目的。Filmlight 公司的专业调色软件Baselight 在5.0版本中，推出了色域压缩(Compress Gamut)的功能，可以压缩指定色彩的色域范围，如图8所示，通过压缩蓝色的色域范围，消除了女演员手中丝巾的蓝色溢出，与此同时，画面中其他颜色的色相也得到了保护，减小了由于色域转换造成的画面色相偏移。

在调色环节，我们会对数字影像的对比度、色相、饱和度、亮度、色温等色彩参数进行调整。数字影像的颜色由红绿蓝三通道的混合得到，在对数字影像进行调色时，当红绿蓝通道的数值超出原有记录范围时，就会在画面中出现色彩溢出或过曝的现象(图10)。

图9

预防后期调色过程中的色彩溢出，需要借助示波器控制画面的饱和度，Davinci Resolve 17推出了CIE色度图监看功能，可以直观观测到画面中的色彩信息，是否超出工程色彩空间的色域边界。此外，主流调色软件也在不断推出新的调色工具，方便创作者更好地控制画面中色彩的饱和度。Davinci Resolve 17 推出了色彩扭曲(Color Warper)功能，相较于传统的曲线工具，操作更加便捷，可以更加直观地调整画面中的色相和饱和度。

4 色彩溢出修复

针对已经形成色彩溢出的画面，现有研究提出了重建和修复两种解决思路。

图10

重建法首先分析画面中存在色彩溢出的区域，再根据这些区域的饱和度进行划分，将画面中存在色彩溢出的区域划分为不同的区块，之后通过差值算法，根据每一区块周围的像素点颜色，校正区块内像素颜色，最后使用平滑算法，对不同区块的亮度、色相、饱和度做差值预算，复原画面细节的平滑过渡，完成颜色溢出的修复(图10)。

修复法通过分析画面中存在色彩溢出区域中有利用价值的颜色信息，修复色彩信息被裁切的颜色通道，从而达到修复画面内容的目的。在修复过程中，首先分析画面中存在色彩溢出的区域，然后将色彩溢出区域扩展到对应的色彩线对(Color Lines)中，最后根据条带中非溢出通道的色彩信息，修复溢出通道，找回画面丢失的内容细节。