ACES色域超出与色域压缩解决方案

张 雪

（中国电影科学技术研究所，北京 100086）

学院颜色编码规范 (Academy Color Encoding Specification，ACES)是一个免费、开放、独立的颜色管理及图像交换框架，由美国电影艺术与科学学院 (The Academy of Motion Picture Arts and Sciences，AMPAS)和行业合作伙伴联合开发，贯穿拍摄、剪辑、特效、母版制作、放映乃至存档全流程，并和当前及未来大部分的电影拍摄制作流程实现无缝衔接。

ACES的处理流程利用“拍摄参考数据”，即每个摄影机系统使用并写入到素材中的色彩科学数据，在进入色彩流程后，ACES会对这些数据进行逆向工程，即ACES输入设备转换 (Input Device Transform，IDT)，将其还原为摄影机在实际场景中拍摄的纯线性光信息。ACES的线性场景仅运用于工作生产流程，并不适用于直接观看，因此ACES还涉及显示端的色彩管理流程输出设备转换 (Output Device Transform，ODT)，通过针对不同颜色空间和显示设备的不同转换来解析ACES数据。

利用ACES色彩空间和特定的IDT-ODT 流程，可从任何采集设备获取图像，在校准过的显示器监看下调色，最后输出任何格式。其采用极广色域的场景线性空间，涵盖人类视觉区域的所有可见光区，甚至包括一部分不可见光，可在不使用负值的情况下对任何可见颜色进行编码，并能最大限度地利用输出媒介的色彩空间和动态范围，保留色彩的丰富性，使“观感”最大化。

精度方面，ACES使用OpenEXR 16位半浮点处理，能覆盖至少30档动态范围的场景曝光数据。这些EXR 数据仅用于应用程序内部运算，除渲染器外，不会生成数据文件。

1 常用ACES工作空间

AP0和AP1分别是ACES的两个不同色域。

AP0 (ACES 2065-1)主要用于存档和文件交换，在实际调色或视效(VFX)制作中并不常用，取而代之的则是使用AP1，尤其是CG 和VFX 里的渲染和光照计算工作。

ACES AP1 与Rec.2020 色域相近，远大于Rec.709，主要用于ACEScc、ACEScct 和 ACEScg。

图1 AP0和AP1

2 ACES应用优势与难点

由于HDR 的发展，除了过去常规的DCI-P3、Rec.709版本外，现在一部电影还可能需要交付HLG、HDR10、Dolby Vision等多种HDR 规格的版本。使用ACES流程是一个更方便管理多个版本制作的方法，由于ACES流程标准制定的相对前瞻性，即便日后出现更先进的播放设备和播放标准，以ACES 规格方式存储的画面母版 (DCDM)，在将来进行重制发行时，制作也更方便，画质更容易控制。

ACES在前期多摄影机拍摄素材、最终多版本导出的情况下，确实比传统方案更加便捷、省时省力。拍摄、DIT、剪辑、特效、调色各个环节均可使用Open EXR 格式流转，文件格式方面没有衔接困难。ACES可以有效统一拍摄、制作和监看的色彩空间，尤其适用于交接多、外包多的影视行业。ACES在特效制作中有非常好的效果，特别是ACES sRGB高光的rolloff处理非常适合特效制作。特效交接的画面和HDR 调色也适合使用ACES。

虽然ACES优势明显，但经过多年应用，国内制作机构在实践中仍存在不少难点。通过多方调研，应用难点主要如下。

(1)由于ACES流程是美国方面为了更好配合视效部门管理画面色彩的技术参数，由行业内各大公司自发组织起来一同设计出的一个流程体系，国内比较缺乏相应资讯和相关交流。

(2)前期拍摄时，若需现场ACES监看，还需专门搭建一套现场监看的设备和系统，外加具有相关经验的DIT 人员。

(3)国内绝大多数视效团队、视效软件针对ACES的使用与工具开发缺乏经验，假如使用过程中有部分环节缺失，没有明确的渠道寻求解答。

(4)由于工具的缺乏及相应特种软件工具开发人员的稀缺，大部分视效公司会缺乏改变工作流程、采用ACES方案的动力与信心。调色部门相比视效部门，面对的使用难度和问题相对较少。

(5)只有大型制作机构有可能设置专门的技术人员做色彩管理方面的研究，一般公司基本不会做商业项目以外的延伸研究。

(6)国内制片方并未使用影片资产复用、IP系列影片生产的长远眼光看待制作流程，尚未形成如此的商业模式和思维，缺乏使用ACES的商业化动力。

(7)国内制片公司对数字资产的了解还处于初级阶段，包括对物料的技术要求也不是十分明确，没有统一的存档规范。同时部分从业人员素质难以胜任，如果使用ACES可能适得其反。

(8)后期调色在接到不同品牌摄影素材后，转换到ACES色彩空间后仍需要先进行色彩匹配后再进行调色，在输出不同分销版本前，也仍需针对性进行创造性调色。即使采用ACES色彩空间，特效公司和DI公司仍需要针对每个项目，进行一遍测试校对流程，以保证色彩的正确性。

3 ACES短片摄制实践

为验证ACES技术流程在实践过程中的优势与技术难点是否真如调研所说，我们开展了ACES短片的摄制实验。

3.1 短片技术规格

(1)时长:6分钟

(2)分辨率:DCI Scope 2.39 (4096×1716)

(3)帧率:24fps

(4)色彩空间/Gamma (光电转换函数Electrical-Optical Transfer Function，EOTF)多版本输出:

(5)声音:立体声

(6)技术流程:全流程使用ACES系统制作

3.2 摄制流程

(1)采用设备或素材

(2)摄影器材对应拍摄色彩模式

(3)镜头设计

根据项目需求，混用摄影机，设计拍摄了日光、夜晚、高饱和度高亮度单色光源、烛光、直射镜头逆光等不同光线条件下的场景，包含了升格、运动等拍摄方法。

(4)现场DIT

使用LiveGrade控制两台尊正DM240 和尊正BOX IO 连接的两台监视器进行ACES色彩变换得到正确结果。

现场按照DIT 流程设置每台机器的卷号，检查拍摄格式帧速率是否符合拍摄要求以及数据现场备份情况。

(5)数据IO

在达芬奇中导入并校验拍摄原素材，设置项目参数。

不同机器的素材设定对应IDT，根据显示设备设定ODT。

(6)剪辑

选用镜头并对其依次进行IDT设置，转换生成剪辑软件Final Cut Pro X可用的代理及合板XML文件。

Final Cut Pro X 将剪辑完成的时间线导出XML给Da Vinci调色软件，通过软件中转导出AAF或者OMF，并同时导出参考样片，参考样片需要发给调色和声音，并作为剪辑的参考。

(7)基础调色

针对每个镜头进行手动色彩匹配，主要使用一级调色工具。

(8)视效制作

烛光转场添加特效。特效部分使用CINEMA 4D 和NUKE。

CINEMA 4D 设置:需要先在CINEMA 4D 中安装Arnold Renderer插件，然后在该插件中使用OCIO 选择相应的ACES设置。将视效镜头提取以原始分辨率转换为Open EXR 16bit(ACES 2065-1)AP0序列帧进入CINEMA 4D 进行完成烛光转场光效制作，然后以ACES 2065-1 的空间输出给NUKE。

NUKE设置:需要使用OpenColorIO (OCIO)进行ACES色彩管理。需先安装OCIO 插件，然后在NUKE中打开OCIO，在其中设置ACES参数，实现转换。在NUKE 中完成合成，并生成分层的Open EXR ACES 2065-1空间发送给Da Vinci。

(9)调色

使用DaVinci在ACES AP1色彩空间完成所有镜头的匹配和调光工作，设置色彩科学为ACEScct。

(10)声画合成

将声音交付的文件在Da Vinci中合成为成片，并在时间线上做最终的检查和校对。

(11)多格式母版交付

在Da Vinci的交付功能中完成成片输出。

最终输出多版本成片:HEVC (mov)、OpenEXR 16bit(ACES 2065-1)序列帧＋2.0声音文件、IMF、DCP。

其中，IMF是ACES推荐的数字电影母版归档格式，可完全包含ACES 2065-1 色彩空间全部信息，用于分发和存档。根据不同用途需要，对其他版本进行相应色彩转换及输出。

3.3 实践感受

ACES色彩流程为制作电影提供了便利条件，特别是在多种机器混用时，素材匹配的效率极大提升。正如ACES官方文档所提及的动态范围，在配合EXR 文件使用的时候，以ACES 色彩空间能很好地适应当下和未来HDR 输出和交付。

ACES在色彩转换中会出现一些画面问题，在极高亮度和饱和度条件下，尤其是使用LED 光源进行明亮色彩打光时出现的超出色域(Out of Gamut，OOG)即颜色溢出(简称溢色)情况，进而导致画面细节与层次丢失。例如在本次测试的BMD Cintel素材中，霓虹灯高亮的区域在ACES转换之后出现了溢出。此外，从摄影机RAW RGB向ACES AP0转换、从ACES AP0向ACES AP1转换、视效制作、调色、输出转换时都有可能出现超出色域的情况。

4 色域超出问题

针对色域超出问题，此前的解决方案有三种:一是使用外观修正转换矩阵 (Look Modification Transforms，LMT)BlueLight ArtifactFix，在ACES色彩空间中进行外观转换来修正色彩；二是采用查找表 (Look Up Table，LUT)或达芬奇色彩空间变换语言 (Da Vinci Colorspace Transform Language，DCTL)进行处理，ACES 官方论坛里提供的色域映射DCTL可将大部分溢出AP0区域的摄影机原生空间进行映射，确保错误减少到最低；三是先将素材处理为一个固定的小色域 (例如将RAW 通过非ACES的流程转换为 DCI-P3、Rec.709等小于AP1的空间)，再使用这个色彩空间进行IDT。

本次摄制实践中第二种方法，即使用霓虹灯抑制的LUT 和DCTL进行处理。

上述方法属于制作人员在实践过程中探索出来的解决方案。2021年5月，美国电影艺术与科学学院(AMPAS)发布了学院颜色编码系统 (ACES)的1.3 版本，新版本增加了色域压缩 (Gamut Compression)算法，成为针对这一问题的正式官方解决方案。

此前，ACES 成立了色域映射工作组 (Gamut Mapping Working Group)，针对现场拍摄和后期制作环节中遇到的超出色域问题，研究制定在不同色域间建立正确的转换方法，以避免或减少颜色裁剪。该工作组最终提出的色域压缩转换函数可代替此前的Blue Light Artifact Fix LMT，尤其适用于广色域(WCG)、高动态范围 (HDR)、场景参考 (Scene Referred)内容等，具有较高鲁棒性和可逆性。色域压缩转换函数的最大优势在于不会影响色域内部的色彩，只会对超出色域的部分产生影响。

5 色域压缩算法

摄影机和人眼观察之间的不匹配造成了感官上非真实颜色的出现，即产生颜色变换误差中的异常值，因此需要将上述异常值重新映射为看上去合理但并不“正确”的值。如图2所示，AP1范围内的ACEScg值是正值，而AP1范围外的值中有1～2个分量是负值，即需要通过映射至色域内来修复的值。

图2 部分值超出色

色域压缩算法在RGB场景线性空间中逐个像素执行，由一组参数控制哪些核心色域需要保护、哪些外围颜色分量需要压缩、采用何种压缩曲线等。为实现精准的色域压缩，需重建图像的非彩色(Achromatic)和距离(Distance)。

非彩色是指除了彩色以外的其它颜色，常见有黑、白、灰，亮度为0～100，而色度接近于0，代表着颜色空间中的中性轴 (Neutral Axis)，取RGB的最大值，即$$achromatic＝max (r，g，b)$$。建立中性轴能够保证其中一个颜色分量不受色域压缩变换的影响。

距离(Distance)类似于色度，代表了每一颜色分量距离中性轴的距离，距离除以RGB的最大值即可使其归一化 (Normalized)，即$$distance＝frac{achromatic-rgb} {achromatic}$$，色域边界处 (其中一个颜色分量为0)的距离值为1(图3)。

图3 中性轴与距离归一化

距离值大于1的颜色需要压缩至色域内，压缩算法采用设定阈值的线性 (y＝x)函数，大于阈值时，可通过平滑曲线将y值映射为低值。阈值必须小于1，以便为压缩高值留出空间，但也不可低到对颜色产生负面影响。经过多种压缩功能测试，最终选择了强度压缩函数 (Power Compression Function)。

阈值和色域边界之间的压缩空间并不适用于过高的距离值，因此需对距离值设限，以保证该算法可用于有效调整绝大多数有问题的区域。设置参数包括距离值限制、压缩阈值和强度曲线指数。

(1)距离值限制

从中性轴到色域边界的距离限制为 [1.147，1.264，1.312]，限制值设置为选定的常数，以便所有具备官方ACESIDT 的数字电影摄影机 (ARRI、RED、佳能、索尼、松下)的编码色域均可压缩到AP1范围内(图4)。

图4 距离值限制

(2)压缩阈值

要保护的核心色域的百分比设为 [0.815，0.803，0.88]，按照ISO 17321-1相关规定，上述数值为ColorChecker Classic 24色卡ACEScg边界值(图5)。

图5 压缩阈

(3)强度曲线指数

该参数表示压缩强度，取值目前设置为1.2。工作组成员和部分用户的测试结果表明，在标准动态范围 (SDR)情况下，1.1 或1.2 最合适，但对于能够显示高饱和度颜色的高动态范围 (HDR)监视器来说，1.4更能忠实还原创作意图，因此该值需保持在1～1.5之间(图6)。

图6 强度曲线

压缩距离计算完成后，即可使用无彩色和压缩后的距离值重建RGB图像。

$$rgb＝achromatic-compressed _distance*achromatic$$

重建图像如图7所示。

图7 重建后图像色域

6 实际操作中的注意事项

需要注意的是，色域压缩工具只是ACES流程(图8)中的一部分，色域压缩算法仅适用于场景参考的线性RGB 空间，即ACEScg，调色师仍将在ACEScct中进行调色。IDT 之后应立即应用色域压缩算法，此后才能开展其他后续步骤。

图8 ACES流程示意

该算法基于当前ACES 1.1输出变换 (RRT/ODT)，在场景线性RGB值中执行，完全独立于渲染变换。由于渲染变换所需色域映射的目标和最终结果与色域压缩算法完全不同，因此色域压缩算法不应作为显示色域映射的替代操作。此外，色域压缩算法虽然逐像素进行操作，但运行速度足够快，可支持实时运行，且只影响图像需要改变的必要部分，其余部分保持不变，从而能够尽可能多地保留原始图像，并成为ACES制作流程的功能之一，可用于存在问题的部分镜头，也可用于所有镜头。

7 DaVinci中的色域压缩功能

超出色域是长期困扰调色师的棘手问题，将直接导致画面细节和层次丢失，更甚者完全令画面内容难以直视，尤其是基于LED 显示墙的虚拟摄制成为行业热点，越来越多电影摄制使用LED 光源，更是加剧了这一问题。

Da Vinci通过综合考虑现场监看、机内调用、数据传递、视效提报、调色创作等应用，设计了ACES参考 (Reference)色域压缩和参数 (Parametric)色域压缩两个可选方案，用于不同的制作环节(图9)。

图9 Da Vinci中的色域压缩选项

在现场/VFX 临时监看等不需要额外人工干预的环节中，直接应用参考色域压缩功能，即可得到较为满意的结果，同时也可简单地进行逆向变换来还原文件实体。

参数色域压缩的优势更多体现在调色环节，该方式为调色师提供了可操作空间，其中阈值部分相对于此前整体调整方法，保护了低饱和区域，更符合调色师的习惯；强度值则用于控制压缩幅度，尤其是在画面色彩夸张的情况下，可根据调色师的判断进行调整。

8 结语

ACES色域压缩中涉及到多种颜色空间、Gamma曲线的转换，ACES IDT 转换算法均由摄影机厂商为自己的摄影机系统开发。当部分制作软件中的IDT 选项并未覆盖市面上所有摄影机机型时，可使用第三方IDT 生成软件自己制作，或在软件内选用其他机型的IDT 后，再对显示不正确的部分进行手动调整。因此这一工作需要各摄影机厂商和调色软件开发商长期持续的配合支持，确保转换过程正确，并搭配相应指导文件，向用户普及各个环节如何科学、正确地使用。

ACES对色彩信息的保留为其与8K、HDR 等其他高新制作与放映技术等搭配使用提供了可能，随着当前与未来画面采集与播映技术的不断进步，高技术格式影片的制作与发行必将愈来愈多，这也将为ACES进一步应用与推广创造机会。❖