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    4K超高清制作下对LED灯具显色性要求的探究

    时间：2023-02-21 09:35:18来源：百花范文网本文已影响人

    迟 超

    (中央广播电视总台，北京 100038)

    当前以LED为光源的常规灯具在高清制作下的应用已经比较成熟。随着4K超高清制作环境的到来，现阶段使用的LED灯具能否适配4K超高清系统，尤其是灯具的显色性方面有什么与高清制作不同之处，在4K超高清的演播室当中怎样选择LED灯具，这些是演播工作中比较关心的问题。本文通过模拟实际演播室灯光工作的操作与要求对上述问题进行一些探究。

    1.1 CRI

    CRI是目前应用最广泛的显色性评价标准。国际照明委员会对显色性的定义是：与标准的参考光源(太阳)相比较，一个光源对物体颜色外观所产生的效果。CRI评价体系中，其中100表示最佳的颜色渲染光质量。Ra值越高颜色越精确。在这评价体系中，传统卤钨灯的CRI 表现最好，Ra几乎可达到100，而LED光源由于光谱的不连续性，其Ra普遍比卤钨灯的低。

    近几年，在演播室拍摄照明中已经普遍使用LED光源。由于LED光源发光原理和光谱分布的特殊性，在演播室实际应用中，有时Ra很高的光源，会因LED光源光谱成份与摄像机的感光芯片彩色特性的不匹配，输出的画面颜色上存在偏差。

    1.2 TLCI

    EBU(欧洲广播联盟)开发了一种名为电视光源一致性参数的新模型，简称TLCI。这是一种用于摄像机应用的显色模型。与CRI类似，TLCI的唯一要求是光源的光谱功率分布，当输入到TLCI软件时，会将光谱与理想的参考源进行比较，测量值从0～100。测量值为100时，意味着该光源具有摄像机的理想显色性，高于85的分数对于捕捉真实、自然的图像是可以接受的。

    TLCI标准的测试与CRI有些类似，是由一张色彩对比图标显示比对结果确定的。TLCI的测试色块有24个，测试的结果基于每个标准对比色块在标准光源的照射下，由摄像机输出画面在标准电视监视器上显示的色彩表现。

    1.3 TM-30

    近年来TM-30在照明界引起了很多关注。TM-30是由美国照明工程学会(IES)开发的一种评估光源颜色再现的方法，是一个由多种相关度量和图形组成的系统，可以一起使用来有效地评估和传达光源的显色属性。目前来看，TM-30试图取代CRI作为测量光源颜色再现的行业标准。TM-30的开发始于2013年，标准的第一个版本IES TM-30-15于2015年发布[1，2]。

    TM-30-15包括三个主要组成部分：

    1)Rf——保真度指数。

    2)Rg——提供饱和度信息的色域指数。

    3)颜色矢量图形—相对于参考源的色调和饱和度的图形表示。

    TM-30-15和CRI有几个重要的区别。

    首先，CRI仅提供有关保真度的信息，即颜色的准确再现，使物体看起来与它们在熟悉的参考光源(如日光和白炽灯)下的外观相似。CRI不提供有关饱和度的任何信息，而TM-30-15使用色域指数(Rg)来描述饱和度的差异。

    其次，CRI仅使用8个颜色样本来确定保真度，而TM-30-15使用99个颜色样本。灯具制造厂家可以通过确保光源光谱的某些峰值与用于计算CRI的八个颜色样本中的一个或几个匹配来骗过CRI系统，从而实现人为的高CRI值。这种人为的高CRI值会导致TM-30-15值较低，因为TM-30-15有99个颜色样本。毕竟，将光谱峰匹配到99个颜色样本是非常困难的。

    2.1 测试灯具、视频设备介绍

    笔者在日常工作接触的新闻演播室灯具已全部为LED光源，所以测试中共选择LED为光源的6款灯具。其中有5款灯具为当前国内外厂商的最新产品，还有一款为某场地正在使用中的2012年购置早期LED灯具，作为对照灯具。6款灯具中，有3台为平板柔光灯，3台为聚光类灯具(包含螺纹聚光灯、成像灯)，见表1。文中将“相关色温”统一简称为“色温”。

    表1 灯具基本信息

    视频、灯光相关设备如下：

    摄像机：SONY HDC-3500；
    示波器：Tektronix PRISM；
    监视器：SONY BVW-HX310；
    光谱仪：Sekonic C-800。

    2.2 测试参考依据

    1)《电影电视用白光LED灯具技术要求和测量方法》(GY/T 302—2016)；

    2)ITU-R REC BT.2020 Parameter values for ultra-high definition television systems forproduction and international programme exchange；

    3)ITU-R REC BT.2100 Image parameter values for high dynamic range television for use in production and international programme exchange；

    4)ITU-R REP BT.2408 Guidance for operational practices in HDR television production。

    2.3 视频框图

    本次测试搭建了4K视频环境，如图1所示。使用SONY HDC-3500摄像机通过4*3G-SDI信号给到泰克4K示波器，并由示波器环出相同的SDI信号给到SONY BVW-HX310 4K监视器。测试中全部信号为4K超高清信号，光圈调光也根据4K调光，不考虑下变换高清信号SDR调光的情况[3]。

    2.4 灯具基本设置

    为了使测试的条件与日常新闻演播室灯光的设置相似，本次场景的照度选择为500 lx，灯具距离选择为5 m左右，其中成像灯由于镜头度数的原因，将投射距离设置为10 m。灯具色温设置为3 200 K。根据上述设定，整理了灯具的照度基本数据见表2。

    图1 视频框图Fig.1 Videoblock diagram

    表2 灯具照度基本数据

    2.5 灯具色温测试

    将灯具的色温设置为3 200 K后，通过光谱仪分析6款灯具的实际色温、光谱分布以及白平衡情况，具体见表3。

    表3 灯具实际色温、光谱分布以及白平衡情况

    续表3

    2.6 灯具显色性测试

    6台灯具的CRI、TLCI以及TM-30情况，见表4和表5。

    表4 灯具显色指数(CRI/TLCI/TM-30)

    表5 TM-30-15中灯具颜色矢量图

    本次测试设计了两个场景，其中一个为拍摄DSClabs的标准色卡，另外一个场景为包含人物近景加静物的场景。

    画面的主观评价使用第二个场景拍摄的画面。场景中设计了便于摄像机进行白平衡调整和色彩调整的爱色丽X-rite colorchecker CLASSIC测试卡；
    由于人眼对肤色的变化很敏感，场景中除了包含女性真人近景，还设计了代表白种人、黄种人和黑种人肤色特性的Esser肤色色卡；
    为了测试对图像彩色还原能力的表现，在场景中摆放了高饱和色的水果，如香蕉、苹果、柠檬等常见色；
    同时场景中也放置了具有高光点的金属物品、玻璃制品，以增加场景的高动态范围。

    根据标准《电影电视用白光LED灯具技术要求和测量方法》(GY/T 302—2016)中的建议，6款灯具提前通电满亮输出满1 h后，再依次照亮场景。在每个场景的布光中，测试卡要避免在摄像机画面中有反光所造成的高光，灵活调整灯具的位置及角度。

    每款灯具布置好位置及角度后，测量场景中心位置的照度。本着尽量贴近日常工作环境的测试原则，照度都尽量调整为500 lx附近，灯具的色温调整为3 200 K。灯具布置完毕后，利用DSClabs的色卡为摄像机重新设置白平衡。最后观察监视器和示波器，画面中色卡的白块在示波器中调整为75%～79%，人物肤色的最亮位置调整为63%左右。上述工作调整结束后，开始录制片段。

    每款灯具如具有高色温输出功能，还同时录制一遍5 600 K色温时的画面片段。

    图2～图8为3 200 K色温拍摄的6组画面截图。

    图2 3 200 K色温下6组画面截图合集Fig.2 A collection of 6 sets of screenshots at 3 200 K color temperature

    图3 1号灯具3 200 K视频截图Fig.3 3 200 K video screenshot of No.1 fixture

    图4 2号灯具3 200 K视频截图Fig.4 3 200 K video screenshot of No.2 fixture

    图5 3号灯具3 200 K视频截图Fig.5 3 200 K video screenshot of No.3 fixture

    图6 4号灯具3 200 K视频截图Fig.6 3 200 K video screenshot of No.4 fixture

    图9～图14为3 200 K色温下，拍摄视频的示波器截图。

    本次测试邀请了20位视频和灯光方面的专家，对上述的两组画面从色彩保真度、肤色还原等方面进行了主观评价。通过统计，1、2、3、4、5号灯具属于第一梯队，其中2、4号灯具主观评分较高。6号灯具的色彩表现比较差，肤色还原方面有明显差距。

    从HD高清变为4K超高清，相应的色域也由BT.709扩大为BT.2020。4K超高清的色域相比高清扩大为1.8倍，尤其在绿色和红色附近，扩大的范围相对明显。结合10倍的亮度提升(以1 000尼特计算)，扩大了电视图像得以展现的色彩空间。

    本次选择的6款灯当中，前5款具有输出彩色光的功能。在设置色彩时有以下几种方式：

    图7 5号灯具3 200 K视频截图Fig.7 3 200 K video screenshot of No.5 fixture

    图8 6号灯具3 200 K视频截图Fig.8 3 200 K video screenshot of No.6 fixture

    图9 1号灯具3 200 K示波器截图Fig.9 Screenshot of 3 200 K oscilloscope of No.1 fixture

    图10 2号灯具3 200 K示波器截图Fig.10 Screenshot of 3 200 K oscilloscope of No.2 fixture

    图11 3号灯具3 200 K示波器截图Fig.11 Screenshot of 3 200 K oscilloscope of No.3 fixture

    图12 4号灯具3 200 K示波器截图Fig.12 Screenshot of 3 200 K oscilloscope of No.4 fixture

    图13 5号灯具3 200 K示波器截图Fig.13 Screenshot of 3 200 K oscilloscope of No.5 fixture

    图14 6号灯具3 200 K示波器截图Fig.14 Screenshot of 3 200 K oscilloscope of No.6 fixture

    1)HSI模式，即亮度—色相—饱和度模式。该模式下有三个按钮分别可以控制亮度、色相以及饱和度。

    2)RGBW模式。通过分别控制红色、绿色、蓝色、白色的强度，来整体控制色彩输出。

    3)XY坐标模式。通过输入CIE1931色度图当中的X、Y坐标来确定色彩，同时可以单独控制亮度。

    4)GEL模式。灯具内置了各大色纸厂家的品牌及色纸号码，可以通过调用某一品牌、某一型号的色纸，来确定输出的颜色。另外亮度参数也可以同时单独控制。

    在测试中，笔者先使用灯具的HSI 模式来分别调整出R、G、B三基色。先调整色相为0°(R红色)，然后连续调整饱和度从0～100%的同时，观察示波器的亮度分量，控制画面的亮度不要过曝光。在这个过程中，不断观察示波器中的色域图像，记录红色的最大区域与BT.2020色域范围之间的比较。

    按照上述方法，继续测试色相中120°与240°的色域范围。

    通过连续的颜色和饱和度的调整，可以发现灯具输出的颜色可以基本覆盖BT.2020范围，由于4K摄像机的色域范围限定，在色域图中，灯具输出的颜色被限定在了BT.2020的边界内，如图15～图17所示。

    图15 R色相Fig.15 R Hue

    图17 B色相Fig.17 B Hue

    对于饱和度较高的场景，在拍摄制作4K HDR节目时，应密切关注下变换后的HD SDR信号输出。为确保高清图像质量，应避免高饱和基色，同时避免颜色溢出现象。

    笔者还在灯具中使用RGBW模式以及XY模式来测试灯具输出的色彩在示波器中的色域范围。其结果与上述利用HIS模式的结果基本一致。

    本次测试中选用了6款灯具，其中前5款为当前国内外厂商的最新产品，第6款为在用的老款灯具，为10年前的老款LED产品，与前5款灯具作为对照。通过对灯具显色性方面的测量，前5款灯具都具有较好的显色性，第6款灯具显色指数较低，根据当前的相关标准规定，已经不适合在演播室继续使用。

    通过主观评价与灯具客观数据(显色性)的对比，可以发现显色指数与画面的主观评价呈现一定的正相关。显色指数较高的灯具对人物肤色的还原与保护较好，对各类高饱和色彩能够较为正确地还原。但显色指数较高的灯具之间还存在肉眼可见的区别，观众对灯具之间的不同色彩倾向存在一定的喜好分歧。另外，显色指数低的灯具存在人物肤色较差、高饱和色彩溢出失真的情况。

    在判断灯具的显色性上，建议将CRI、TLCI、TM-30与灯具的光谱分布结合使用。光谱曲线连续且波动越小，灯具的特性越好。在电视演播室当中，除了整体数值，我们还比较关注CRIRa中的R9和R15，TM-30中的颜色矢量图形，再结合TLCI的数值，这样能较为全面的体现LED灯具在色彩方面的特性，有利于针对实际应用场景来选择灯具设备。在4K超高清下且有较高要求时，建议Ra、TLCI、TM-30均不低于92。

    在色域方面，当前的LED彩色光源灯具基本覆盖4K BT.2020色域。在拍摄时，要注意高饱和基色的使用，特别是高饱和蓝色和红色，抑制色彩溢出现象。

    本次测试由于时间和条件限制，在测试设计和数据分析上还存在很多改进空间，本文更多的是从笔者自身工作实践等需求来对该课题做的一些探究，希望能够为相关研究提供一些参考。

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