影视制作专业问答5——亚明专栏

王亚明先生 本刊特约撰稿人   王亚明先生在广播电视行业从业40年，具有深厚的专业技术背景，先后在业内多家公司从事技术工作。1998年加入索尼，2003年至2019年5月担任索尼中国专业系统集团技术总监，2019年6月担任宇田索诚科技股份有限公司技术总监，一直站在广电行业技术最前沿。

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问：常用的色域有哪几种？

答：在电视行业，常用的色域有NTSC、EBU、SMPTE C、BT.709、BT.2020；电影行业通用的色域是DCI-P3；IT行业则采用Adobe RGB、sRGB色域。除了上述这些与设备有关的物理色域外，传输和制作流程还使用一些与设备无关，比人眼可见光范围更大的色域，如XYZ与ACES。

1953年美国发布NTSC标准，采用CIE的C光源作为基准白，参考电影放映拷贝色域定义了NTSC色域，可再现47.3%可见光色域（CIE1931xy,下同），并依据NTSC色域和C光源定义了著名的NTSC亮度方程：Y=0.30R+0.59G+0.11B。不过，符合NTSC色域标准的绿色荧光粉发光效率太低，用这种荧光粉制造的显像管亮度不足，而用较高发光效率绿色荧光粉制造的显像管物理色域比NTSC色域小，不符合NTSC标准要求。限于当时的技术水平显示物理色域与亮度性能无法同时兼顾，NTSC色域很快就被荧光粉发光效率更高的EBU和SMPTE C色域取代，其结果就是NTSC色域名存实亡。目前，NTSC色域只是作为显示行业的参考基准，以NTSC色域作为100%定义了“彩色再现率” 。

1998年Adobe发布Adobe RGB色域，与NTSC色域几乎相同（G基色相同），可再现45.2%可见光色域，主要用于计算机显示器、打印机、印刷行业。

NTSC与Adobe RGB色域

1966年EBU发布PAL标准，采用CIE的D光源（D65）为基准白，定义了EBU（PAL）色域（小色域）；1968年RCA与Conrac发布SMPTE C色域，采用CIE的D光源（D65）为基准白，定义了SMPTE C广播监视器色域（小色域）。EBU和SMPTE C色域都是基于高发光效率荧光粉性能制定的，色域范围相近，符合这两种标准的荧光粉发光效率能够满足显像管的亮度要求（大于100尼特），可再现33.5%可见光色域。EBU和SMPTE C可再现色域比NTSC小，以NTSC为基准的彩色再现率72%（色域覆盖率为NTSC的72%），两者均被ITU-R BT.601标准采纳，EBU和SMPTE C色域分别作为625和525行电视的色域成为ITU-R BT.601标清数字电视技术标准，被称为BT.601色域。

由于BT.601色域比NTSC色域小，基准白也不一样，从理论上来说应该依据BT.601色域和D65基准白定义新的亮度方程。以EBU色域和D65基准白定义的亮度方程应为Y=0.2126R+0.7152G+0.0722B，与之后的BT.709高清亮度方程相同。但NTSC亮度方程Y=0.30R+0.59G+0.11B已经在电视行业广泛使用无法更改，在BT.601标准中只能继续沿用NTSC亮度方程。因此在标清电视时代虽然色域和基准白是BT.601，但亮度方程却是NTSC，用NTSC亮度方程运算解析EBU色域和D65基准白得到RGB基色和YUV色差信号会出现误差，这个问题一直到高清才得以纠正。

基于荧光粉性能定义的EBU与SMPTE C色域

1990年ITU发布ITU-R BT.709高清电视标准，采用CIE的D光源（D65）为基准白，定义了ITU-R BT.709色域，并依据BT.709色域和D65基准白定义了BT.709亮度方程Y=0.2126R+0.7152G+0.0722B，这个亮度方程本来应该是和BT.601一样的。与BT.601色域一样，BT.709色域也是基于高发光效率荧光粉性能制定的，其色域与BT.601的EBU几乎相同，可再现33.5%可见光色域，以NTSC为基准的彩色再现率72%。BT.709色域的R/B与EBU相同，G的y值与EBU相同，x为0.30，是EBU与SMPTE C的 x值0.29与0.31的中间值，因此可以把BT.709与BT.601的EBU视为相同的色域。

1996年惠普和微软发布sRGB标准，直接采用BT.709技术标准，色域与BT.709完全相同，主要用于计算机显示器、打印机、印刷行业，目前平板电脑、手机等设备也大多采用sRGB色域。sRGB色域标志着计算机行业全面采用了电视行业标准，不同行业的显示技术标准加速融合。

ITU-R BT.709与sRGB色域

2005年DCI正式发布V1.0文件，参考电影放映拷贝色域定义了DCI-P3数字放映机色域，可再现45.5%可见光色域，与NTSC、Adobe RGB一样，都是“大色域”。

2012年ITU发布ITU-R BT.2020标准，采用CIE的D光源（D65）为基准白，定义了BT.2020色域，不再以显像管荧光粉性能作为制定色域标准的依据，而是参考了新型显示器件（如LCD、OLED、激光等）性能，可再现63.3%可见光色域，是目前显示设备的最大色域。依据BT.2020色域和D65基准白，ITU定义了BT.2020亮度方程Y'=0.2627R'+0.6780G'+0.0593B'。

DCI-P3与ITU-R BT.2020色域

NTSC、Adobe RGB、BT.709/sRGB、DCI-P3、BT.2020都是与设备有关的显示色域，是物理色域。显示色域都比人眼可见光色域小，在显示色域的空间中无法制作出超过显示色域的彩色。在传输与制作流程中，使用了一些与设备无关、比人眼可见光范围更大的色域，其典型代表是XYZ与ACES色域。XYZ和ACES的空间大于人眼可见光色域，可以制作和传输超过显示色域的彩色，在传输、制作流程中不会损失彩色信息。

XYZ是DCI/SMPTE 428-1文件定义的DCDM（Digital Cinema Distribution Master，数字影院发行母版）和DCP（发行拷贝）传输/制作色域，采用理想化的直角坐标系，覆盖范围最大，与BT.709/2020相比彩色矢量差比较大，空间资源利用率比较低。

ACES（Academy Color Encoding System，学院彩色编码系统）是美国电影艺术与科学学院定义的制作色域，比XYZ色域覆盖范围小但大于人眼可见光色域，与BT.709/2020相比彩色矢量差比较小，空间资源利用率比XYZ高，已经得到主流非线性制作设备厂商的支持。

XYZ与ACES色域

色域比较

与伽玛匹配类似，拍摄/制作色域必须与显示色域一致才能正确还原被摄物的彩色，拍摄/制作色域与显示色域不同时还原的彩色就会出现色调或色饱和度失真。显示色域比拍摄色域小时直接的表现就是显示的彩色饱和度比实际景物彩色饱和度低，显示色域比拍摄色域大时显示的彩色饱和度比实际景物彩色饱和度高，只有拍摄与显示色域相同时显示的彩色饱和度才与实际景物的彩色饱和度相同。由于不同色域的基色点位置不同，同样的彩色在不同色域中的色调也有差别。实际上色域相当于度量的标尺，只有在拍摄和显示时使用相同的标尺度量彩色时才能得到相同的数值，相同的彩色用不同刻度的标尺度量时得到的数值是不同的。

不同色域表现相同彩色时色调和饱和度的差别

不同色域图像在DCI-P3色域监视器上显示彩色的差别

问：影视制作中常说的空间是什么意思？

答：空间（Space）的概念并没有严格定义。影视制作行业谈论空间，有时说的是色域，例如BT.709、DCI-P3、BT.2020、XYZ彩色空间等；有时说的是伽玛，例如线性空间，对数空间等；有时说的是色域+伽玛，如DCI-P3色域+DCI伽玛，XYZ色域+DCI伽玛，BT.709色域+BT.1886伽玛，BT.2020色域+HLG伽玛，ACES色域+线性伽玛等；有时说的是色域+伽玛+峰值亮度，如BT.2020+PQ4000，BT.2020+HLG1000等。如果继续细分，还可以把RGB和YUV（YCBCR）也看作不同的空间。

用色域和峰值亮度表示的HDR与SDR空间

需要说明的是，由于历史原因，有些专业词汇在电影与电视行业含义是不一样的。例如在电视行业，线性（linear）的意思是直线特性的伽玛，而电影行业说的线性实际上是电视行业的电视伽玛（BT.709或BT.1886），而不是直线特性的伽玛，所以电影与电视说的线性空间并不是一回事。

实际上，影视制作行业常说的空间就是拍摄、制作和显示时的亮度与彩色环境，拍摄或制作空间与显示空间匹配时才能正确还原被摄景物的亮度和彩色。例如，电影的放映显示空间是DCI-P3色域+DCI伽玛（伽马值2.6，峰值亮度48尼特），因此电影母版（DCDM）和发行拷贝（DCP）的空间必须与之匹配，即制作色域DCI-P3，伽马值约0.5～0.6，制作调色时使用的投影机或监视器显示空间必须与电影的显示空间相同。SDR电视的显示空间是BT.709色域+BT.1886伽玛（伽马值2.4，峰值亮度100尼特），因此直播时拍摄空间必须与之匹配，即拍摄色域和伽玛都是BT.709，制作调光使用的监视器显示空间必须与SDR电视的显示空间相同。

对电视的实时直播来说，拍摄和显示空间是匹配的，直播制作不改变亮度和彩色空间，也可以说制作与拍摄空间是相同的，这就是电视制作的“所见即所得”流程。对非实时的电影制作来说，在胶片时代拍摄、制作和显示的空间就不一样，数字时代仍然如此，所以电影只是在后期制作的调色阶段对调色师来说才是“所见即所得”，由于拍摄与显示空间不匹配，摄影师在现场监视器中看到的图像亮度层次和彩色与影院中呈现的效果是不一样的，属于典型的“所见非所得”流程。

典型的电影制作流程：拍摄、制作与显示空间不同

高质量电视节目的录播制作和电影一样，也是典型的“所见非所得”流程。在这种非实时的制作流程中可以把拍摄空间看成米，把制作空间看成锅，输出的显示空间就是大小不同的碗。调色时制作空间这口锅必须足够大，即分辨率、量化比特和色域都要比米多比碗大，才能确保不损失亮度和彩色的有效信息；可以用小碗（高清/SDR伽玛/BT.709色域）、中碗（4K/SDR伽玛/BT.709或DCI-P3色域）或大碗（4K/HDR/BT.2020或XYZ色域）从制作空间这口大锅里取得不同信息量的节目，满足不同需求。

因为亮度与彩色都是用RGB或YCBCR电平表达的，所以不同的空间实际上就是不同的坐标系，每种特定亮度的彩色在不同空间也就是不同坐标系中的坐标值是不同的，所谓空间转换就是把某个坐标系中的点映射到另外一个坐标系获得新的坐标值，本质上是矩阵运算的过程。在上述“所见非所得”的制作流程中，首先需要把拍摄素材的空间转换成更大的制作空间，输出时把图像从制作空间转换成需要的SDR或HDR空间、电影空间，才能保证成品节目图像的亮度层次和彩色正常。

问：为什么新型4K电视机显示的高清SDR画面比4K HDR看起来更亮？

答：目前，市场上采用LCD和OLED显示面板的高清电视机峰值亮度比监视器高得多，达到了160至300尼特，支持HDR的新型4K电视机峰值亮度更高，有些达到了400至2000尼特，而SDR与HLG都是相对亮度体系，图像的最高亮度不但与信号电平相关还与显示设备的峰值亮度相关，因此电视机峰值亮度越高，显示相对亮度体系的SDR和HLG画面时亮度就越高。

新型4K电视机显示SDR画面比HDR更亮的原因是目前电视机的亮度设置对SDR和HDR是一样的，如果亮度是为观看HDR图像设置的，观看高清SDR时屏幕就太亮了，如果设置亮度适合SDR，观看HDR就太暗，没有HDR效果。4K HDR电视机出厂时一般都是为显示HDR图像设置的，由于SDR显示伽玛提高亮度时是从暗到亮等比例提升，因此更高峰值亮度的4K电视机显示高清SDR图像时亮度比普通高清电视机高得多，也比显示HDR图像时的平均亮度更高。

峰值亮度600尼特时SDR与HLG的亮度对比

待续