Диапазоны яркости: О черном и белом

Крис Мейер, Журнал "Цифровое Видео"

      Кажется, что может быть очевиднее: черный - самый темный из возможных цветов; белый - самый светлый. Однако так их воспринимают не все аппаратные и программные средства для работы с видео. Очень часто в них допускаются значения темнее черного и светлее белого, что в ряде ситуаций обеспечивает большую надежность. Следовательно, в разных системах используются различные значения черного и белого.
      Такие различия создают множество сложностей для видеомонтажеров и художников, которые в процессе производства пользуются разнообразными инструментальными средствами. В изображении без всякой видимой причины могут сместиться относительные значения яркости и контрастности. Проблема усугубляется отсутствием точной информации о том, как нужно обращаться с такими смещениями. Но если их игнорировать, в конечном счете можно получить блеклое изображение или недопустимые цвета.
      Поэтому необходимо иметь представление о том, как в разных системах определяются значения черного и белого и как их следует преобразовывать друг в друга. Чтобы разобраться в этих вопросах, вначале понадобятся определенные умственные усилия, которые безусловно оправдаются в дальнейшем.

Цифровые параметры

      В большинстве программ компьютерной графики, в том числе в программах для рисования, 3D-графики и композитинга, используются интуитивно понятные определения: черный означает нулевую яркость, которой в цветовом представлении RGB с 8 битами на канал соответствуют значения 0/0/0; белый - максимальную яркость, которой соответствуют значения 255/255/255. Получить изображение темнее черного или светлее белого невозможно. Таким образом, компьютерная яркостная система охватывает диапазон 0-255.
      Но во многих системах цифрового видео используются различные варианты определений: черный - это яркость чуть более 6%, которой в RGB соответствуют цветовые значения 16/16/16; белый - яркость чуть выше 92%, т. е. значения RGB 235/235/235 (опять-таки  при 8 битах на каждый цветовой канал). Эта система, описанная в спецификации ITU-R BT601, используется в большинстве устройств цифрового видео - в видеомагнитофонах с форматами от DV до D-1 и в системах передачи цифрового видео (например, SDI и IEEE 1394/FireWire). Следовательно, яркостная система 601 охватывает диапазон 16-235.
      Система 601 допускает цвета темнее черного и светлее белого. Это особенно важно для съемочных камер. При съемке объекта, имеющего яркое пятно, в котором сигнал выше принятого уровня белого, вы можете впоследствии восстановить детали в этом ярком пятне. Уровни темнее телевизионного черного иногда применяются для синхросигналов, а также в ряде несложных кеинговых приложений, например "superblack", когда система маскирует или вырезает области изображения, где уровень чернее черного.
      Важно понимать, когда и как нужно выполнять трансляцию из одной системы в другую.

Что видит пользователь

      Многие аппаратные системы не информируют пользователя о том, что в своем внутреннем представлении они применяют яркостный диапазон 601. Пользователю такие системы показывают компьютерный диапазон яркостей. При декодировании или декомпрессии кадра, с которым хочет работать пользователь, они автоматически растягивают диапазон, превращая 16 в 0, а 235 в 255. При этом промежуточные значения соответственно пересчитываются, а значения за пределами диапазона 16-235 обрезаются. Аналогично при кодировании или сжатии кадра для последующего воспроизведения системой диапазон сжимается: 0 переводится в 16, а 255 - в 235. Системы Avid, Scitex и Digital Voodoo имеют цифровые видеокодеки, которые выполняют такие преобразования.
      Однако многие системы, выполняя декомпрессию своих кадров, передают внутренние яркостные значения в 601 пользователю, и (вот сюрприз!) предполагается, что вы сами преобразуете компьютерный диапазон обратно в диапазон 601, прежде чем записать изображение. Так функционируют система Media100 и большинство кодеков DV. В работе этих систем все корректно, и ниже, когда мы будем рассматривать примеры, связанные с DV, мы увидим, что отображение для пользователя растянутого диапазона значений удобно. Если всегда оставаться в такой системе, то никаких проблем, скорее всего, и не возникнет.
      Проблемы появляются при переходе между различными системами и, следовательно, различными яркостными диапазонами. Например, вы оцифровываете отснятые материалы в Media100, а затем добавляете к ним статические изображения и графику с помощью Adobe After Effects. Тогда материалы съемки и статические изображения будут иметь разные диапазоны яркости, в результате видео окажется менее насыщенным и контрастным, чем вы ожидали. А в случае рендеринга 3D-графики с последующим воспроизведением на DV самые темные и самые светлые места могут оказаться темнее и ярче ожидаемого, что приведет к повышению контрастности и появлению недопустимых значений яркости. Все эти проблемы разрешимы только в том случае, если вы понимаете, что происходит.

Трансляция

      Трансляция между этими двумя представлениями, если вы знаете об их существовании, довольно проста. На каждом этапе производственного процесса необходимо задать себе следующие вопросы.
      1. Каков яркостный диапазон данного источника?
      2. В каком яркостном диапазоне работает программа, которую я сейчас использую?
      3. Какой яркостный диапазон требуется на выходе для кодека и принимающей аппаратуры?
      Зная ответы на эти вопросы, остается проследить за тем, чтобы по всей цепочке обработки различные уровни черного и белого согласовывались между собой.
      Повторим: в рамках одной замкнутой системы беспокоиться об этих вопросах не нужно. Лучший вариант - нелинейная монтажная система, в которой все источники вводятся или создаются в самой системе: она знает свой яркостный диапазон и может обеспечить корректную обработку.
      Путаница возникает, когда приходится что-то смешивать и согласовывать. Рассмотрим несколько примеров и обсудим, как нужно поступать в этих случаях.

Композитинг

      Допустим, у вас имеется система Media100 (как и у многих наших клиентов). Поэтому отснятые материалы, а также результаты окончательного рендеринга часто представлены в формате Media100, который использует яркостный диапазон 601. Композитинг мы выполняем преимущественно в After Effects, пользуясь материалами из нашей обширной видеотеки и добавляя к ним элементы 3D, полученные в результате рендеринга.
      Задавая себе указанные выше три вопроса, получаем следующие ответы.
      1. Оцифрованные источники представлены в яркостном диапазоне 601. Все остальные источники имеют компьютерный диапазон яркостей.
      2. В программе используется компьютерный диапазон.
      3. Выходные материалы должны быть представлены в диапазоне 601.
      Таким образом, для работы в After Effects все источники с диапазоном 601 должны быть преобразованы в компьютерный диапазон, а результат окончательного рендеринга в After Effects нужно преобразовать из компьютерного диапазона в диапазон 601.
      Чтобы в такой программе, как After Effects, осуществить необходимое входное преобразование, к каждому источнику Media100 нужно применить эффект Levels, установив параметр Input Black равным 16, а параметр Input White - равным 235. Параметр Output Black должен сохранить свое исходное значение 0, а Output White - исходное значение 255.
      Если один и тот же источник предполагается использовать несколько раз, целесообразно поместить каждый источник в отдельную композицию, применив эффект Levels, и потом работать с этой уже обработанной композицией  (а не с самим источником) в других композициях. Заметим, что в некоторых системах (например, в Videonics Effetto Pronto) можно задавать индивидуальные значения параметров для каждого источника. Было бы неплохо, если бы это позволяли и другие программы.
      Почему бы входные материалы Media100 не оставить в первоначальном виде, преобразовав другие источники в диапазон Media100? Так поступить нельзя, потому что After Effects не знает, что уровень черного нужно поддерживать равным 16, а уровень белого - 235. При наложении различных эффектов (свечение, переход) легко получить яркие пятна, достигающие уровня 255. Если вы хотите в каком-нибудь слое сделать затемнение до черного, вам придется вместо этого затемнять его до совпадения с другим фиктивным источником, имеющим цветовые уровни 16/16/16. Создавая белый текст, не забудьте присвоить ему цвет 235/235/235, а не 255/255/255. Да, все эти настройки можно делать вручную, но это потребует гораздо больше усилий.
      Существуют два способа добиться того, чтобы после рендеринга окончательной композиции изображение имело яркостный диапазон 601. Раньше мы делали так: вставляли окончательную композицию в новую для рендеринга и к ней снова применяли Levels. На этом этапе входные и выходные настройки меняются местами: Output Black устанавливается на 16, а Output White - на 235, тогда как входные параметры сохраняют свои значения по умолчанию - 0 и 255 соответственно. Но, поскольку в версии 4.0 After Effects появились настроечные слои (Adjustment Layers), мы помещаем один из этих слоев на верхний уровень окончательной композиции и применяем Levels, как описано выше. Теперь черный уровень равен 16, а белый - 235.
      С этим способом связана одна проблема. Эффект Levels будет преобразовывать только те точки изображения, которые не являются совершенно прозрачными. Трудности возникают, когда, например, создаются простые титры на черном фоне. Если на изображении есть места, где значение альфа-канала равно 0, то фоновый цвет не будет преобразован из 0 в 16. Поэтому лучше всего поместить полноразмерный фиктивный черный слой (например, сплошной слой в After Effects) в самый низ окончательной композиции. Тем самым прозрачные области будут заполнены и впоследствии правильно преобразованы. (Конечно, у каждого правила есть исключения - см. врезку "Superblack".)
      Хотелось бы, чтобы такая опция обработки рано или поздно появилась в меню Output Module программы After Effects. Это, например, упростило бы рендеринг нескольких версий одной и той же композиции как для Media100, которая работает в системе 601 и поэтому требует такого преобразования, так и для указанного клиентом кодека, который может выполнять преобразование автоматически. Перенос обработки в выходной модуль после расчета альфа-канала также позволил бы обойтись без "подкладывания" под прозрачные места черного фона, которое описано выше.

3D-рендеринг

      Многие 3D-аниматоры работают на станциях, не имеющих видеоплат PAL или NTSC, однако порой им нужно создавать демонстрационные ролики для привлечения клиентов, а также делать пробные записи своих работ на видеоленте перед сдачей окончательной версии.
      Простота сопряжения аппаратуры DV с компьютером склонила многих пользователей к переходу на DV для создания видеопроб. Популярны и платы M-JPEG, например Media100qx. Однако многие из этих устройств, в том числе Media100 и ряд кодеков DV, по умолчанию работают в яркостном диапазоне 601 (от 16 до 235), а не в компьютерном диапазоне (от 0 до 255), который используется в большинстве 3D-программ. Поэтому если осуществлять рендеринг непосредственно из 3D-программы в DV или Media100, то в результате диапазон контрастности может получиться не таким, какой ожидался.
      Чтобы этого избежать, нужно выполнить рендеринг для промежуточного кодека, например кодека Animation из QuickTime, а затем обработать результат в какой-нибудь программе типа After Effects для изменения яркостного диапазона. Это можно сделать, применив эффект Levels и установив значение Output Black равным 16, а Output White - 235. Надеемся, что разработчики 3D-программ учтут это и введут опцию настройки яркостного диапазона в свои меню записи файлов, тогда можно будет  исключить этот лишний этап.
      Те же вопросы, что и в приведенном выше примере из области композитинга, возникают, если оцифрованное видео используется в качестве текстурной карты для трехмерных объектов. Вам необходимо знать, в каком яркостном диапазоне представлены отснятые материалы: в компьютерном, которым пользуется программа трехмерной графики, или в диапазоне 601. Во втором случае придется выполнять преобразование яркостей, прежде чем использовать материал как текстурную карту.
      Следует отметить, что большинство 3D-программ  не способно корректно обрабатывать частоту кадров и поля изображений в видеосъемке; возможно, поэтому вам часто приходится предварительно обрабатывать видео в какой-то другой программе. При этом, если оцифровка выполнялась в системе, работающей в диапазоне 601, примените эффект Levels с установкой Input Black и White на 16 и 235 соответственно. Разработчикам 3D-программ, планирующим ввести в текстурные карты необходимые функции работы с видеоматериалами (например, выделение полей), следовало бы добавить и опцию автоматического растяжения яркостного диапазона.

Графика для монтажеров

      Теперь рассмотрим обратную ситуацию:  предположим, что вы работаете на видеомонтажной системе, которая функционирует в яркостном диапазоне 601. Вам требуется обработать несколько статических изображений со сканера и из архива на CD для включения их в свой проект. Из ответов на указанные выше три вопроса вы знаете, что эти источники представлены в компьютерном диапазоне, но ваша программа работает в диапазоне 601.
      Здесь могут потребоваться некоторые преобразования. В ряде систем, в том числе фирмы Avid, имеется опция Import, которая выполнит такое перемасштабирование. Она применима только к тем источникам, которые не подвергались рендерингу на свой кодек.
      Если ваша система не делает преобразование автоматически, обработайте изображения в программе для рисования (например, в Adobe Photoshop) и примените эффект Levels, в котором установите Output Black равным 16, а Output White - равным 235. Тем самым яркостный диапазон этих изображений будет преобразован в диапазон 601.
      Как убедиться в том, что ваша монтажная система работает в диапазоне 601? Для этого нужны тестовые изображения и монитор видеосигналов. Создайте простое изображение, состоящее из четырех областей с разными уровнями серого: 0/0/0, 16/16/16, 235/235/235 и 255/255/255. Импортируйте его в свою монтажную программу и понаблюдайте за  выходным видеосигналом. Если будут видны только две области, ваша система точно работает в диапазоне 601 (от 16 до 235), а все цвета вне этого диапазона она устранила. Если видны четыре области, подключите к выходу осциллограф. Уровни сигнала выше 100 IRE и ниже выбранного вами пьедестала (0 или 7,5 IRE - в зависимости от аппаратных настроек) свидетельствуют о том, что ваша система работает в диапазоне 601. Области с уровнями 0/0/0 и 255/255/255 содержат недопустимые цвета, так как по спецификации 601 они темнее черного и ярче белого.
      Если вы видите четыре области, а осциллограф не показывает недопустимых уровней сигнала, значит, области ниже 16 и выше 235 обработались корректно. Из этого следует, что ваша монтажная система либо работает во внутренней части компьютерного диапазона яркостей, либо выполняет необходимые преобразования автоматически.
      При отсутствии тестового оборудования создайте тестовую запись с серыми областями и попросите посмотреть на нее кого-нибудь, кто имеет осциллограф. Не пытайтесь устранить проблему переключением настройки 0/7,5 IRE. Это не то, что здесь требуется, и в любом случае не исправит уровень белого. (Подробнее по этим вопросам см. врезку "Уровни IRE  и цифры".)

Правила и исключения в DV

      Надеемся, что вы хорошо усвоили информацию о различных яркостных диапазонах; теперь займемся исключениями из правил, которые имеются в DV.
      Сам поток данных DV базируется на яркостном диапазоне 601 с уровнями от 16 до 235. Программа обычно получает этот поток через какой-то кодек. Путаница возникает из-за того, что разные кодеки работают по-разному. Некоторые из них способны даже переключаться между разными режимами работы.
      Так, в первой версии кодека Radius/Digital Origin диапазон 16-235 автоматически растягивается при декомпрессии в компьютерный диапазон 0-255, а при компрессии опять сжимается в диапазон 16-235. Вторая версия того же кодека этого не делает, предполагая, что внешняя программа работает в яркостном диапазоне 601. В текущей же его версии есть переключатель, который предоставляет пользователю выбор: если настройку кодека SoftDV установить в положение On, то диапазоны не пересчитываются, а если ее поставить в положение Off, то происходит автоматическое перемасштабирование.
      Кодек ProMax DV, известный под названием DVSoft, был модернизирован и включен в комплекс инструментальных средств DV Toolkit. Одно из новшеств - переключатель яркостного масштабирования. На языке DVSoft "несжатые" (unclamped) яркости означают, что яркостные значения остаются в своем исходном диапазоне 601, а "сжатые" (clamped) - что будут автоматически выполняться преобразования между диапазонами 601 и компьютерным. В DVSoft также имеется переключатель для подстройки разработанного компанией Apple DV-кодека системы QuickTime.
      Кстати о кодеке Apple: начиная с версии 4.0.3 в нем реализован целый ряд новшеств.  Кроме того, что он автоматически подстраивает диапазон яркости, он еще изменяет гамма-характеристику изображения при компрессии и декомпрессии. В результате изображение субъективно воспринимается как более темное при его отображении, например, в After Effects, чем при использовании SoftDV с настройкой Off или DVSoft с настройкой Clamped. Фирма Apple считает, что в этом случае изображения DV на экране компьютера выглядят лучше. Если пользоваться кодеком Apple как при декомпрессии, так и при компрессии, все будет хорошо.
      Проблема возникает тогда, когда кодек используется только для одного процесса. Например, вы делаете рендеринг трехмерного изображения на кодек Apple или вводите дополнительно отснятые материалы с камеры DV, а впоследствии выполняете композитинг в After Effects и выводите полученные материалы через какую-то другую систему.
      В этих случаях, даже если кодек Apple выполняет автоматическое преобразование уровней яркости, вам придется отменить или вновь применить гамма-характеристику, чтобы полученное изображение соответствовало остальным материалам. Во время ввода, если требуется отменить гамма-характеристику этого кодека, используйте эффект Levels и установите Gamma равной примерно 1,228. При компрессии изображений, предназначенных для вывода на кодек Apple, примените Levels к окончательной композиции и установите Gamma равной примерно 0,824.

Чрезмерные блики

      Как правило, мы рекомендуем для работы конвертировать источники, имеющие яркостный диапазон 601, в компьютерный диапазон, а затем, если этого требует выбранная вами видеосистема, конвертировать их обратно в диапазон 601 на выходной стадии. Однако с увеличением разнообразия материалов DV, проходящих через наш виртуальный рабочий стол, нам пришлось пересмотреть этот подход.
      По самым разным причинам (например, из-за того, что многие камеры DV имеют собственные настройки, принимаемые по умолчанию или устанавливаемые автоматически, либо из-за недостатка опыта у оператора DV-камеры) очень часто в записях DV встречаются уровни белого выше 100 IRE, т. е. соответствующие цифровые значения больше 235. Значит, если вы или ваш кодек автоматически преобразуете 235 в 255, то детали, находящиеся на уровнях выше 235, будут срезаны, вследствие чего в этих местах появятся однородные пятна (эффект огрубления).
      Это недостаток не является органически присущим формату DV, съемочной аппаратуре DV или ее операторам. Здесь он просто проявляется гораздо чаще, чем на материалах, снятых в других профессиональных форматах. По мере накопления опыта работы с такими вещами, как полосовые индикаторы, предупреждающие о выходе за пределы допустимого диапазона, и по мере дальнейшего совершенствования алгоритмов автоматической подстройки яркостей вы будете сталкиваться с ним все реже. Ну а пока о нем обязательно следует помнить.
      В нашем примере мы используем кодек ProMax DVSoft с настройкой Unclamped и в результате получаем полный яркостный диапазон, недопустимые значения белого и все прочее. Затем вместо эффекта Levels мы применяем к полученному материалу эффект Curves - кривую, которая переводит уровень черного из 16 в 0; как и в эффекте Levels, в средней части яркостного диапазона она представляет собой прямую линию. В зависимости от свойств отснятого материала мы можем ее подстраивать так, как нам необходимо. Отличие от эффекта Levels проявляется в верхней части диапазона: вместо того, чтобы обрезать значения между 235 и 255, эффект Curves их плавно "придавливает". В результате яркие области становятся уже не совсем однородными.
      При таком подходе в сложных случаях часть информации изображения все-таки пропадает, но это лучше, чем задавить все блики или допустить, чтобы кто-то другой после вас перенастраивал весь выходной поток для устранения некорректных значений.
      На выходе мы не делаем обратное по отношению к этим кривым преобразование, а лишь применяем обычный эффект Levels, чтобы перевести компьютерный диапазон яркостей в диапазон 601. Почему? Прежде всего потому, что скорректированные нами оттенки белого имели недопустимые значения, и не нужно вновь создавать такие значения на выходе.

Уменьшить до черного

      Различные определения яркостных диапазонов кому-то могут показаться не очень понятными. Однако если их игнорировать, ваша выходная видеопродукция может оказаться не такой, как вы хотели. Достаточно осознать главную идею: какие значения используются для черного и белого в каждом файле или программе. Если эти значения различны, то их нужно подстроить для согласования друг с другом. Этот вопрос нужно задать себе сначала при вводе, а потом еще раз при выводе и, если необходимо, опять выполнить подстройку.
      Если вы не знаете ответов, обратитесь в службы технической поддержки тех изделий, которыми вы пользуетесь. Не удивляйтесь, если и они сразу не смогут ответить, но добивайтесь ответа, пока его не получите.
      В конечном счете количество загадок, с которыми вы сталкиваетесь во время работы, уменьшится. Что еще важнее, ваши клиенты запомнят вас как видеостудию, где они получили такое изображение, каким и ожидали его увидеть.