4K影视制作输出打包方式与色彩管理

1、4K影视制作输出打包方式与色彩管理【摘要】介绍 4K 技术在影视制作中输出打包方式与色 彩管理的要点，并结合相关软件进行问题探讨。【关键词】数字院线文件包；超高清技术；数字电影； 影视制作输出；打包方式；色彩管理文章编号： 【 Abstract 】 The paper introduced the keypoint of packing mode and color management by DCP ( Digital Cinema Package) outputing while producing film and video with 4K technology ， and discu

2、ss some questions with some software.【Key Words】digital cinema package； ultra HD technology ； digital film ；film and video production output ； packing mode ； color management2014 年巴西足球世界杯期间，索尼和国际足联利用 4K(UHD,超高清)技术记录了赛场上的每一个难忘的瞬间， 令人震撼的4K浪潮席卷全球。4K数字摄影机具有高帧率、 宽色域、高宽容度等优势，在拍摄质量上已全面超越采用传 统胶片记录电影的方式。目前，电

3、影的数字中间片( DigitalIntermediate，DI)制作和数字影院放映都支持2K和4K分辨率，大量的4K电影都是用35 mm或65 mm胶片拍摄后扫描 成 4K 数据，再用 4K 数字中间片工艺制作。现在，部分厂家 的某些型号数字摄影机在分辨率、宽容度、灵敏度和色域等 关键性能上都已达到甚至超越了 65 mm 胶片的拍摄效果， 实 现了 4K 制作流程中最后也是最困难的拍摄环节的数字化， 4K 数字影视中间片制作流程已全面畅通。1 数字电影制作流程及文件格式DCP全称是 Digital Cinema Package （数字院线文件包）, 是电影制作完成后，用于数字影院播放的文件包。

4、对于目前 以数字方式拍摄制作的电影来讲，制作流程（见图1）可以分为以下几步。1.1 前期拍摄采用数字摄影机，拍摄记录大于12 bit RAW格式的素材文件，并导出为 DPX（ Digital Picture Exchange，图片序列格 式）、TIFF（Tagged Image File Format，标签图像文件格式）、 OpenEXR （开放标准的高动态范围/高精度色彩的图形文件格 式）等无损的数字中间片格式，同时可导出一版低码率文件 用于粗剪。数字拍摄时，用两种方法可以得到低码率代理文 件。第一种方法是，使用内置和外置的记录单元同时记录相 同时码的高码率数字负片RAW （原始数据）和低码

5、率代理文件，高码率素材为 16 bit 直线或 10/12 bit 对数伽玛 （Gamma），低码率代理文件设置为8/10 bit电视伽玛，这样就可以在计算机和监视器上看到正常对比度和彩色的图 像。第二种方法是，数字摄影机用内置或外置记录单元记录 高码率素材文件，在拍摄现场备份素材文件时用专用设备把 所有素材文件转换成相同时码的离线编辑用低码率电视伽 玛代理文件。1.2 后期制作 获得数字中间片之后，后期软件中完成低码粗剪、套片 精剪、调色、特效、合成以及混音的过程。整部影片制作完 成之后，就可以制作数字信源母带( Digital Source Master ， DSM) 了，一般转换为无损1

6、6 bit TIFF图像序列或DPX序列， 音频部分是24 bit 48 kHz/96 kHz的无损PCM文件。数字信源 母带用来进一步制作影片的各种发行版本，比如影院、 DVD 等。其中的影院版，即数字院线发行母带( Digital Cinema Distribution Master ， DCDM)。 DCDM 的技术规格由数字院线 联盟(Digital Cinema Initiative， DCI)制定：2K 级别：分辨率 2 048 X 858 (2.39 : 1)或 1 998 X 1 080(1.85 : 1), 24 f/s 或 48 f/s (支持 3D,左右眼各 24 帧)4

7、K级别：分辨率 4 096X 1 716(2.39 : 1) 或 3 996 X 2 160 (1.85 : 1), 24 f/s (不支持 3D)图像格式为16 bit无损TIFF序列，伽玛值为2.6 , XYZ 色彩空间，白点 5 500 K,音频格式为 24 bit 48 kHz/96 kHz无 损 PCM 文件。1.3 影院放映由于文件存储空间过大，不便世界各地同时发布等原因， 影院并不播放无压缩的 DCDM 文件，而是播放数字院线文件 包（DCP）o DCP是一种数字文件集，用于存储和转换数字影 像的音频、图像和数据流，采用 MXF 格式进行封装。其中， 包含音频和视频流， 以及 X

8、ML 格式的辅助索引文件， 图像部 分是将DCDM的无损图像序列以 JPEG2000小波变换的方式 进行有损压缩，依然采用 XYZ色彩空间，色深降为 12 bit， 码率控制在 250 Mb/s ；音频方面不进行压缩，直接将译制后 或者原版的内容打包至 MXF容器中。MXF文件包中还含有压 缩、编码和加密的数据流，以此来减少所需的大量存储空间 和防止未授权使用。音频加密标准采用的是CBC模式中的AES-128 bito2 4K电视节目DCP打包流程如图 1 所示，数字电影与电视节目的制作流程差异已经 不大，只是在最后的输出及监看时略有不同。对于4K电视节目制作，并有影院播放需求的，由于目前的软

9、硬件设备直 接剪辑制作4K RAW文件，存在效率极低、存储空间占用过 大等问题，因此，4K电视制作流程采用电影的粗剪、套片等 流程，完成后最终输出 4K DPX序列（相当于电影中的 DSM 版）。但略去电影流程中的 DCDM这个没有必要在电视 4K制 作中出现的版本，直接使用软件将4K DPX序列打包为DCP文件。 3影院投影及DCP打包设备和软件3.1 码率虽然DCI规定了 4K的帧速率为24 f/s，但仍然有少数4K 投影及DCP打包软件可以支持到最高4K 60 f/s。实际上，DCI规定了 DCP文件最大码率是 250 Mb/s，这 就造成了 2K-24P和4K-60P的最大码率是一样的

10、。而基本上 全部打包DCP的设备或软件也遵循该规定，最大只有250Mb/s码率的设定。这明显对于 4K分辨率、高帧速率的影片 存在着压缩比过大的问题，导致了画质有一定的降低，且降 低的程度超出了 DCI制定规范时的预估。3.2 色彩空间的转换色彩空间源于英文“ Color Space”也称为“色域”，建 立不同维度坐标系统的色彩模型定义色彩范围，来表示某一 色彩。一组编码值， 如0.506 ，0.266，0.266本身是不足以指 定一种颜色的，三个数字所代表的颜色在不同的色彩空间中 是不同的。这些编码值必须由一个特定的颜色空间来解读。色彩空间可分为两类：与设备无关的色彩空间，使用绝 对数值还原

11、色彩；与设备相关的色彩空间，对色彩的还原取 决于具体的硬件特性。与设备相关的色彩空间依赖于某一特 定的相机、 投影机、 打印机、显示器或其他装置本身的特性， 发送相同的数字颜色代码值到不同的数字电影放映机以及 电影胶片记录仪时将产生不同的颜色。然而，设备的特征是可以描述的。特征描述涉及到按照绝对色度表精确地测量它们的响应。这样，特征描述提供了 一种与设备相关和与设备无关的色彩空间之间转换的方法。 sRG（B 由惠普公司和微软公司开发的标准色彩空间，standardRed Green Blue）和AdobeRGB （由Adobe公司推出的色彩空 间标准）本质上是与设备相关的虚拟空间，但特征描述文

12、件 将会使它们变得像与设备无关的色彩空间一样。为了使特征描述持续有效，设备必须进行校准，包括调 整装置的参数（如选择的基色、白点和 Y值），以达到预期 的显示目标。这个过程必须周期性地重复，因为长期使用会 导致器件的响应值产生漂移。因此，DCI在数字电影编解码系统中改为采用XYZ色彩空间（见图2）。CIE XYZ是由CIE （国际照明委员会）定义的 与设备无关的加色制色彩空间，通常作为国际性的色彩空间 标准，用作颜色的基本度量。而XYZ是对CIE XYZ进行编码后的一种色彩空间。要获得XYZ数据，应先使亮度丫为亮度的绝对值对CIE XYZ进行调整。由于数字电影屏幕的参考白光亮度为48cd/m2

13、，而CIE XY即白光的亮度 丫为1，因此调整系数为： k=48。使用这一系数对 CIE XYZ的三个分量分别进行调整：Xa=k?X， Ya=k?Y， Za=k?Z再对上述Xa、Ya Za分别进行归一化（除以 52.37），伽 玛校正（Y =1/2.6）和范围扩展（扩展为12 bit的整数）后，得到XYZ分量，其中对 X分量的处理为：X=INT4 095 x（ Xa/52.37） 1/2.6当通过DCI Server （服务器）放映到银幕上时，数字放 映机将XYZ空间又转换为 DCI-P3规范的色彩空间。也就是 说，无论给到 DCI Server的是什么色彩空间的文件，数字放 映机都会按照 X

14、YZ到U DCI-P3来转换。例如，DCI Server中是 ITU709或DCI-P3色域的文件，数字放映机就会将ITU709或DCI-P3色域认为是XYZ空间，然后进行一次到 DCI-P3的转 换。这就造成了颜色失真错误。现在，很多影院数字放映机播放时支持将 XYZ转换为 ITU709,即无论给什么色彩空间的文件，都进行 XYZ到 ITU709的转换。但ITU709色域比DCI-P3还小，其作为比 XYZ 小得多的色域，在XYZ至U ITU709转换时会造成3倍于ITU709 原片的噪波。虽然目前对硬件产生噪波的抑制愈加成熟，但 由于片源原因，绝大多数院线投影也都遵循DCI标准，设置为 X

15、YZ到 DCI-P3从上述流程可以看出，4K电视制作流程中完成 RGB色 彩空间（ITU709和DCI-P3都基于RGB空间）至U XYZ色彩空 间的转换是在打包软件中，而电影是在 DSM到DCDM版本 的制作中，使用后期软件完成的该颜色空间转换。3.3 投影设备设置目前，影院的数字放映机在完成XYZ到 ITU709的转换时，有 Limited Range 和 RGB Full Range设置。实际上，由于 4K 电视制作流程中采用 dpx(Digital Picture Exchange)无压缩制作输出，即文件中包含完整的 0255(以 8 bit 为例)的信息，因此就会出现如下结果：( 1

16、)当投影设置为 Limited Range( 16 235)时： 影片里所包含的 0 16 级灰阶信息全部映射成显示设备 的 16 灰黑，同理 235 255 映射为 235 白，就造成画面发灰 发白、黯淡无光。( 2)当投影设置为 RGB Full Range( 0 255)时：0255 全部范围显示灰阶输出正常。4 色彩管理 在整个制作流程中需要色彩管理，以确保调色师在调色 时看到的颜色与最终呈现在影院投影上的颜色一致。在 SMPTE RP 431-2： 2011 D-Cinema Quality-Reference Projector and Environment中提到了 4种不同的P

17、3色域及白 点：P3 D55, P3 D61, P3 D65, P3 DCI WHITE 任何一种最终 都可以使用。因此，在 4K 电视制作流程， 最好的选择是 D65， 但最终需要和影院确认白点位置。表1列出了 4K电视节目制作影院版时DCP各流程中涉及到的色彩空间。5制作全流程中应注意的几点5.1 调整监视器校色时若没有数字放映机和标准银幕作为图像监看，则需要按照不同需求来调整制作过程中的监视器：如院线最终呈现DCI-P3色域，则需将监视器调整为 DCI-P（ Gamma 2.6,白点D65）;如最终院线呈现为ITU709,则将监视器调整为ITU709（ Gamma 2.2,白点 D65）

18、。目前少量厂家的 4K（ UHD）监视器已经支持 DCI-P3色域，Eizo某些型号显示器也可设置 为DCI-P3色域进行观看。5.2 色域制作一般的后期制作软件没有设置ITU709色域制作或者DCI-P3色域制作这样的选项，因为色域的呈现都是在监视器上观察到的，而后期软件只是输出给监视器电平。实际上， 后期制作或调色软件处理时， 都是按照最高 16 bit/32 bit RGB 方式来运算的，然后再转换为电平值输出给监视器。同样的 输出电平， 监视器如果设置不同的色彩空间， 则颜色就不同。因此，后期软件本身处理没有色彩空间上的限制，但后期软 件可以有“合法 709”等视频指标的限制，是为了保

19、障播出 安全，该限制对颜色也有影响。5.3 色彩空间的转换方法后期编辑调色软件大多可使用LUT（ Look Up Table，映射表）等来进行色彩空间的转换，但转换只是基本准确。例如，最终院线需要 DCI-P3色域，而高清播出版需要ITU709色域，则可采用以下几种方法。（1）将监视器的色域设置为ITU709,在此环境下，调 色师看到的颜色都是ITU709空间的，成片输出dpx时，可套 用ITU709到DCI-P3的LUT,来进行颜色转换，将 ITU709色 域转换为DCI-P3色域。这样做的好处是，保证高清播出版颜 色准确，院线版的颜色基本准确。(2) 支持DCI-P3色域的监视器，则可在P

20、3环境下调色，调色师看到的颜色都是 DCI-P3空间的，成片输出dpx时，不 用套用任何LUT，直接输出，打包软件将色彩空间转为 XYZ。 院线播放时，又被数字放映机从XYZ转回DCI-P3,相当于DCI-P3到XYZ到U DCI-P&这样做的有利之处是，保证院线版准确，高清播出版则需套用 DCI-P3到ITU709的LUT,颜色 基本准确。(3) 为了色彩精准，分别在DCI-P3和ITU709色域的监 看环境下进行色彩校正，ITU709色域下的校正生成文件送高 清播出，DCI-P3色域下的校正生成文件送到数字院线。(4) 采用 Academy IIF-ACES流程如图 3 所示，最大的三角形

21、是 Academy IIF-ACES( AcademyImage Interchange Framework- Academy Color Encoding Specification， Academy 图像交换框架 -学院彩色编 码规范，是美国电影艺术与科学院为提高电影、电视制作质 量提出的新一代制作标准)标准可显示的色彩。美国电影艺 术与科学院引入IIF的目的是用更高的精度整合胶片与数字 拍摄资源，消除不同图像格式转换时的彩色误差，在不同设备的流程之间提供改善的色彩管理，以高精度母版为基准支持胶片和数字电影、电视等多种发行方式。制定 Academy IIF-ACES勺主要原因是，Acade

22、my认为胶片已经不再是影视 制作中的主要交换格式，数字设备逐步成为主要拍摄手段， 而现有勺图像和编码格式都是以电影或电视伽玛为基础制 定的，难以满足高质量的模板制作标准；而IIF支持高宽容度、大色域图像制作，是超越现有电视空间、对数空间勺线 性空间。其实在IIF之前，工业光魔(Industrial Light and Magic) 的Open EXR格式就已经开始使用 16 bit直线伽玛，Open EXR 格式也被ACES吸收，成为IIF标准的一部分。IIF的核心是用 高精度 16 bit 直线伽玛与人眼可见色域相同的大色域制作母 版，以保持最高精度的图像质量，然后再根据需求转换成符 合电视

23、空间或对数空间显示的图像文件。由于IIF工作在线性空间，因此在制作过程中必须使用LUT将线性空间转换成适合大多数监视器和数字放映机显示的电视空间，才能实现 制作时的“所见即所得” 。ACES相当于一个“黑匣子”，将任何空间的素材都可转 换为最广阔的ACES色彩空间，在此空间下进行制作，输出 时再将ACES空间转换为所需颜色空间( ACES到 P3，ACES 至U ITU709，ACES到 XYZ，ACES到 sRGB 等等)。其存在的 意义在于建立了一个统一标准。ACES色彩空间超过人眼可视全部颜色范围，同样由于不可能有支持该空间的显示设备，所以，编辑调色时需要加载 ACES到ITU709的L

24、UT,以便看 到的是ITU709的颜色。否则，由于素材被转换至 ACES空间， 本来输出到 ITU709 显示器上看起来正常的电平值在转换过 程中有了改变，再输出到ITU709监视器上就会有色彩偏差（同理，对于P3也一样）。但ACES的缺点是占用存储空间。因为按照ACES流程，任何素材都转换为16 bit线性来进行存 储。制作数字电影时，在 ODT部分应选择 ACES到DCI-P3色 域变换；而在制作 4K电视节目时，应选择 ACES到Rec2020 色域变换；若是制作高清电视节目时，应选择ACES到ITU709色域变换。归档时为了保留素材的原始属性和尽可能多的元 数据，最好在IDT转换后的ACES色彩空间下用 Open EXR