《现代电影技术》｜ACES色彩管理流程及其在影视数字合成中的应用

本文刊发于《现代电影技术》2024年第4期

作 者 简 介

顾春华

顾春华，上海电影艺术学院讲师，资深数字合成师，主要研究方向：数字合成与视觉特效。

王少云，北京策玛文化传播有限公司资深特效师，主要研究方向：影视特效与合成技术。

王少云

平凯磊

平凯磊，浙江传媒学院讲师、资深调色师，主要研究方向：数字调色技术。

符云飞，数字王国朝霆（上海）文化传媒有限公司合成总监，主要研究方向：数字合成与视觉特效。

符云飞

霍晓东

霍晓东，Foundry大中华区创意指导，资深视效总监，主要研究方向：数字合成与视觉特效。

色域是ACES中重要且复杂的概念之一。首先，大多数显示设备的色域都基于色度图的坐标位置进行描述和表达；其次，摄影机对可见光颜色的记录、存储都是基于色彩模型限定的色域进行编码。因此，深入理解色域在编码、显示和转换中的相关概念，有助于理解ACES的工作原理^[2]。但在实际学习或工作中，人们常常将色域与色彩模型、色彩空间等概念相互混淆。

2.1 色彩模型与色彩空间

色彩模型是用一定规则来描述（排列）颜色的表现方式（即表示颜色的抽象数学模型）。例如，RGB、CMYK、YUV以及HSB等都是较为常见的色彩模型^[3]，色彩模型强调的是数学逻辑性。色彩空间则是按照一定约束排列而成的颜色集合（即表示颜色的空间结果），是色彩模型通过函数映射到真实世界颜色所产生的绝对色彩空间中的一个色彩集合。因此，色彩模型只有具体到某种色彩空间才有实用性^[4]。在一个色彩模型下可以有不同的色彩空间，例如，常见的Adobe RGB（1998）、sRGB、Apple RGB 等都是在 RGB 色彩模型下的不同色彩空间。

人们常常以CIE1931⁃XYZ色度系统（与设备无关的色彩空间）为参考用于定义其他的色彩空间。例如，基于RGB色彩模型的sRGB色彩空间,其对最纯红色的定义就是CIE1931⁃XYZ色度系统中将XYZ参数值定义为：0.4360657, 0.2224884, 0.013916^[5]。虽然不同的色彩空间都以可见光谱为基础，但分别包含不同的色彩范围。因此，不同的色彩空间之间可能存在彼此不包容的颜色，这些颜色在某一个色彩空间环境中可以被显示或印刷出来，在另一个色彩空间环境中则无法再现或还原出来。在影视制作中，使用不同的色彩空间模式或不正确的色彩空间转换都会产生截然不同的画面颜色，如图1所示。

图1　使用不同色彩空间模式或不正确的色彩空间转换都会产生截然不同的画面颜色^①

2.2 色域

“域”在汉语中指代范围，所谓色域是指在给定的色彩空间内或某种输出设备所能准确表示的颜色子集。色域与色彩空间是两个容易混淆的概念：虽然从总体上来看一种色域可以视为一组颜色的集合，因此色域可以视作色彩空间；但是，相较于色彩空间，色域更强调由计算所得，强调设备的实用性和表达颜色的能力性。因此，一种色域可以产生一个对应的色彩空间，但一种色彩空间未必是一种色域^[6]。相较于色彩空间，色域更突出所能显示的色彩范围，即在某个色彩空间中所占颜色范围的百分比。例如，显示器的色域为90%sRGB，这表示该显示器所能显示的颜色范围在sRGB中占据90%的面积^[7]。也可以简单理解：色彩空间是颜色的“容器”，如同约19L标准的桶装水；色域是描述设备自身可达到的最大颜色范围，好比是19L以内装水的水瓶或容器^[8]。

2.2.1 显示设备色域

同人眼一样，由于电子显示设备是通过光来显示画面颜色的范围，因此也可以使用色度图对其进行颜色描述。例如，对于支持Rec.709色彩空间的显示设备，其在CIE1931⁃xyY色度图（色彩空间）中对红原色比例描述为：x轴为0.640，y轴为0.330；对绿原色比例描述为x轴为0.300，y轴为0.600；对蓝原色比例描述为：x轴为0.150，y轴为0.060^[9]。将红、绿和蓝三原色在CIE1931⁃xyY色度图中的位置坐标点进行相连，所围成的三角形区域即为Rec.709色域。可以看到：Rec.709色域仅占CIE1931⁃xyY色度图的30%左右，而且Rec.709色域所定义的红绿蓝与光谱轨迹中的原色存有一定的距离。因此，以Rec.709为标准色域的显示器能够显示的颜色仍有一定局限，如图2所示。

图2　Rec.709色域^②

由于CIE1931⁃xyY色度图中光谱轨迹外的坐标点没有任何物理意义，它们只是数学上的抽象概念，因此对于描述显示设备的色域而言，它们在色度图中的范围绝对是在马蹄形范围之内，对于显示设备而言，能够显示最纯的颜色即是光谱轨迹上的纯色光。

2.2.2 输入设备色域

显示设备色域描述的是物理设备自身可记录或复现的最大色彩范围，其色域一定是在马蹄型色度图范围之内。然而，相较于显示设备色域而言，描述数字摄影设备、扫描仪以及胶片等采集输入设备的色域则更为复杂，它们不能与显示设备色域直接类比，我们也可将输入设备色域简单理解为编码色域、摄影机色域或本地色域等。例如，在生成原始图像编码数据阶段，由光信号转换生成的原始图像编码数据，即Raw图像格式（Raw Image Format），它不仅保留了数字信号的原始数据，而且其数值和场景物理光线强度呈线性对应^[10]。由于Raw图像格式本质为原始图像数据，因此在此阶段讨论色域无太大意义。但是，Raw图像格式经过白平衡和色彩空间转换之后，将Raw图像格式数据对颜色的表达转换到独立于设备的色彩空间，例如CIE1931⁃XYZ色度系统^[11]，此时讨论色域具有一定的意义。

同时，为了编码更大范围的颜色，各摄影机厂商限定（建立）红、绿和蓝纯色坐标可能会位于色度图马蹄形范围之外（虽然范围之外的色度坐标没有具象的物理意义，但是它有抽象的数学意义）。这也是为什么很多摄影机编码色域超出色度图的原因之一，主要是为了在拍摄阶段摄影机能够编码更大范围的可见光颜色信息^[12]。目前，每个厂商的摄影机色域都不尽相同，甚至同一厂商不同型号的摄影机其色域都不一样（图3）。例如，阿莱艾丽莎（ARRI ALEXA）摄影机采用的是阿莱广色域（ARRI Wide Gamut）。 

图3　目前主流摄影机所设定的不同色域（基于CIE1976色度图）^③

3.1 ACES的产生原因

首先，在电影或剧集拍摄过程中，摄影师往往会同时使用多种不同类型的摄影机进行拍摄。不同的摄影机厂商往往采用不同的编码色域对存储的图像数据进行颜色表达；同时，随着摄影机型号及品牌的日趋丰富，其能表达的色域更大，颜色编码方式也越来越多。为了能够统一不同色域编码的拍摄素材，迫切需要公共的颜色编码系统以在这些色域之间建立转换关系，且该颜色编码系统需与设备无关^[13]。

其次，线性工作流的转换方案仍存在不完整性。线性工作流的色彩空间转换仅仅指的是伽马（Gamma）转换，即图像亮度的转换^[14]。编码所使用的色域以及摄影机存储图像数据对颜色的表达仍都是各摄影机厂商自己的标准。例如，常见的sRGB、Rec.709、Gamma 2.2以及ALEXA V3logC等概念在线性工作流中只表示为转换亮度的伽马函数。虽然线性工作流保证了图像在亮度层面实现物理还原，使图像获得准确的亮度显示结果以更符合人眼观感。但是，线性工作流无法实现图像在色彩方面的还原与统 一，即对于图像色域的处理^[15]。因此迫切需要公共的颜色编码系统，其不仅能够实现各类拍摄素材的亮度转换，而且也能够实现色域的转换。

最后，在后期调色和媒体交付中，一方面调色素材既有来自于不同种类摄影机拍摄素材，又有来自于多种后期软件的渲染输出物料，另一方面，多样化的媒体交付逐渐成为主流，最终输出物料可能会在影院银幕、电视屏幕以及手机屏幕等不同类型的平台进行投放。为了保证媒体交付中不仅能够将物料素材转换成任何的色彩空间，而且也能够最大限度地利用输出媒介的色彩空间和动态范围，迫切需要后期调色能够无损地保留摄影机宽容度范围内记录的所有高光以及暗部的颜色信息和细节。从而使观感最大限度地保留调色的效果。

3.2 ACES介绍

基于以上主要原因，ACES应运而生。ACES是美国电影艺术与科学学院（Academy of Motion Picture Arts and Sciences，AMPAS）在主流摄影机制造商（ARRI、RED和SONY等）和知名视效工作室（ILM、Animal Logic等）协助下开发的图像数据交换和色彩管理系统^[16]，旨在为专业人士设定色彩管理标准从而形成统一的色彩体验，以最大程度地实现在拍摄、剪辑、视效、放映以及存档等影视工业全流程都能够保留电影制作者的创意和构想。ACES在技术层面具有相当的前瞻性，不仅可以使多种不同的数字拍摄源文件之间的色彩空间转换更加方便和简单，而且可以针对不同的输出方式保证色彩的一致性和高效性，从而为行业提供标准化的色彩管理工作流程。

从广义上讲，ACES是与设备无关的色彩管理和图像交换系统；从狭义上讲，ACES指的是这套体系中最为核心的、用以中间交换的色彩空间（全名是ACES 2065⁃1，即AP0原色）。

3.3 ACES的优势

3.3.1 广色域、线性和高动态范围制作需求

ACES具有超出人眼可见光的色域，即不仅能够覆盖人眼所能分辨的所有颜色而且还包含CIE1931⁃xyY色度图光谱轨迹外的“虚色”。因此，ACES系统的色域完全包括并超出了CIE1931⁃xyY色度图（即人眼可见色域）并完全能够满足当下和未来电影拍摄和后期制作的需求。目前主流所使用的Rec.709,其色域仅占了CIE1931⁃xyY色度图的30%左右， Rec.2020及DCI⁃P3等色域也都在ACES色域之内，如图4所示。色彩管理最重要的工作就是色彩空间（或色域）的转换，基于ACES的色彩管理流程完全能够实现将各类色彩空间转换并统一到ACES这一公共的色彩空间。

图4　ACES与其他色域对比图^④

另外，ACES使用Open EXR 16位半浮点处理，能够记录并处理至少30档动态范围的场景曝光数据，这不仅为现代摄影机留下了大量富余，而且还使影像数据在处理和传递过程中完整保留，从而使创意人员几乎能够读取摄影机捕获的所有信息。因此，ACES完全能够胜任广色域（WCG）和高动态范围（HDR）影像的制作需求。

3.3.2 多来源的图像素材处理

在电影拍摄过程中，摄影师往往会使用不同类型的摄影机；对于同一场景，相同照明条件，不同摄影机所捕捉场景的色域也会各不相同，例如，ARRI摄影机推荐使用的是ALEXA Wide Gamut色域，SONY摄影机推荐使用的是S⁃Gamut3或S⁃Gamut3.Cine，另外，在视效制作环节，由于各类渲染器渲染输出的是场景参考范畴的线性色彩数据，因此，在影视制作中迫切需要统一多来源图像素材的色彩管理流程，面对不同摄影机的光电转换函数 (OETF)，面对日益复杂的后期制作流程，ACES提供了精确、简单的方式对多来源图像素材进行统一处理。

3.3.3 多样化的媒体交付

在多样化的媒体交付渐成主流的情况下，针对不同的影院，广色域的高清电视、标准色域的电视以及多种移动设备往往需要交付不同的版本。ACES能够在最终交付前根据播放平台的标准要求和硬件限制，最大程度地转换为不同设备所需的色彩空间并输出符合设备标准的（其中包括色域、白点以及伽马等）、“赏心悦目”的图像数据^[17]。例如，针对数字电影发行母版需要的是CIE1931⁃xyY色彩空间；针对主流显示器需要的是sRGB色彩空间，从而使观众能够在不同的平台看到更佳的色彩表现。

综上所述，ACES的优点在于从摄影机开机拍摄到后期制作，再到最后多平台的发行播映，都能够实现色彩的可预测性和一致性。

从专业术语层面上讲，ACES属于色彩管理流程（Color Management Workflow，CMW），而非色彩管理系统（Color Management System，CMS）。色彩管理系统（CMS）是基于运算法则对图像执行颜色转换的生产系统。例如Truelight Colour Spaces、OpenColorIO（OCIO）、ColorSync及Autodesk Colour Policy等都是色彩管理系统；色彩管理流程是基于预定义顺序应用特定颜色转换的流程。例如ACES、Truelight CAM、ARRI ALF⁃2及RED IPP2等都是色彩管理流程。因此，色彩管理系统可适用于诸多色彩管理流程。当然，为确保以准确的顺序应用正确的颜色变换，色彩管理流程也离不开色彩管理系统^[18]，如图5所示。

图5　色彩管理系统与色彩管理流程^⑤

下面，笔者将主要围绕输入设备转换（IDT）、外观修改转换（LMT）、参考渲染转换（RRT）以及输出设备转换（ODT）等四个方面对ACES色彩管理流程作展开说明。

4.1 输入设备转换（IDT）

输入设备转换（Input Device Transform，IDT）是各类图像数据进入ACES颜色编码系统的特定输入路径，IDT本质上是数学公式。不管导入的是摄影机拍摄素材还是三维软件渲染数据，IDT能够直接读取图像原始数据并将对应输入设备的色彩空间统一转换到ACES工作空间，即将其还原为摄影机在实际场景中拍摄的线性信息（三维渲染数据本身已是线性数据）。目前，所有主流摄影机厂商都已经为ACES标准提供了不同的IDT以将该摄影机拍摄的图像色彩空间转换为ACES 2065⁃1。因此，经过IDT步骤后不仅能够消除不同机型的色彩偏差，将其转换为有共同起点的线性场景的统一标准，而且也为后续图像数据的存档、交换和调色等工作带来极大便利^[19]。

4.2 外观修改转换（LMT）

外观修改转换（Look Modification Transforms，LMT）是ACES观看转换（由LMT、RRT和ODT系统组成）的一部分，其主要作用是在ACES色彩空间中进行无限多种可能的外观转换来达成某些特殊的需求。这里需要强调的是：LMT始终在ACES色彩空间中工作，即它始终将一种ACES 2065⁃1数据转换成另一种ACES。LMT提供了类似于将颜色查找表（Look Up Table，LUT）套用于镜头的方法。但是，相较于LUT，LMT不仅处于ACES的渲染链前端，而且LMT的输入和输出色彩空间都是ACES 2065⁃1，因此LMT能够较好地与ACES图像兼容并具备较强灵活性^[20]。

4.3 参考渲染转换（RRT）

参考渲染转换（Reference Rendering Transform，RRT）可以简单理解为ACES的渲染引擎组件，RRT将IDT转换获得的标准的、高精度的、高动态范围的场景参考线性图像数据映射到输出颜色编码空间以适用于参考显示设备的观看。由于ACES 的场景参考数据动态范围过大导致显示设备无法正确显示颜色。因此，RRT 不仅可最大化保留图像数据亮度和颜色信息，而且还能够根据不同的显示设备将其转换为可显示的高动态范围^[21]。

4.4 输出设备转换（ODT）

输出设备转换（Output Device Transform，ODT）是ACES流程的最后一步，是将RRT获得的广色域和高动态范围图像数据映射、转换为不同显示设备所对应的色彩空间。这是ACES色彩管理流程中图像信号最终输出转换，简单理解就是将 ACES 转换成最终播出设备所需要的色彩空间，例如Rec.709、Rec.2020、DCI⁃P3 等。要将ACES的色彩空间转换为非ACES色彩空间都需要有RRT的参与，但是由于转换流程的复杂性，在新的ACES标准中，官方已经把RRT和ODT两个流程作合并处理^[19]，如图6所示。

图6　ACES色彩管理流程^⑥

在线性合成工作流中，存在转换方案不完整的情况，即只还原图像物理亮度的分布标准，没有统一图像颜色的分布标准；没有统一的显示标准，即所看到的画面并非为线性画面，而是套用各摄影机厂商不同的LUT标准进行监看预览的效果。笔者将带着以上两个问题详细介绍Nuke中的ACES色彩管理流程。

5.1 数字图像录制存储：图像存储过程中的色域编码和亮度编码

数字图像在生成或保存过程中，图像传感器（或图像软件渲染器）不仅会根据不同摄影机所预设的编码色域执行色域编码，例如，ARRI摄影机使用ARRI Wide Gamut对图像传感器捕获的图像信息进行色域编码；而且还执行光电转换函数 （OETF）对Raw图像格式进行亮度编码，即对Raw图像格式作编码伽马校正（近似值为1/2.2，上曲线）以在有限的存储资源中存储更多有价值的暗部信息。因此，在此阶段存储或输出的为非线性图像数据^[15]，如图7所示。 

图7　图像存储过程中的色域编码和亮度编码

在图像素材导入Nuke软件之前，首先需要将Nuke的色彩管理系统切换为ACES。需要注意的是Nuke中ACES版本的选择不仅需要与供应商提前确认，而且还需要与项目其他流程保持统一。因为同一Nuke工程文件若套用不同版本的ACES配置文件可能会出现工程文件报错或输出颜色偏差等问题。

5.2 输入设备转换（IDT）：图像读取过程中标准色彩分布和标准亮度分布的组合处理

图像导入Nuke软件后，Nuke会对不同类型的图像素材统一进行颜色标准化和线性化的组合处理。通过在Read（读取）节点中指定拍摄素材的色域和伽马等元数据信息，不仅通过变换矩阵执行反向色域编码以完成原摄影机编码色域到ACES目标色域的变换，而且还套用最为匹配的反向解码校正伽马去除图像在存储或渲染输出过程中的编码伽马校正，从而最大可能地转换回RGB原始数据（线性数据）。例如，对于使用ARRI ALEXA拍摄的素材（假定曝光指数EI为400），则可以在Read节点中（或使用OCIOColorSpace节点）指定原摄影机色域为：Input⁃ARRI⁃V3LogC （EI400）⁃Wide Gamut，目标色域指定为：scene_linear （ACES⁃ACEScg），从而完成从原摄影机色域（ARRI_WideGamut）到目标色域（ACEScg）的快速转换。需要注意的是，如使用OCIOColorSpace节点指定原摄影机色域和目标色域，需将图像素材设置为原始图像数据（Raw Data）。Read节点中的Input Transform（输入转换）操作可以理解为ACES色彩管理流程在Nuke中执行IDT操作。

通过以上操作，即可完成图像读取过程中标准色彩分布和标准亮度分布的组合处理。同理，对于Nuke中导入的其他拍摄素材或三维渲染素材，都可以通过选定原摄影机色域和目标色域（ACEScg）快速、精准、统一地将不同来源的合成素材转换到公共的ACES颜色编码系统，如图8所示。

图8　Read节点图像读取过程中标准色彩分布和标准亮度分布的组合处理

另外，对于数字合成中的其他常见素材，都需要根据图像类型完成目标色域和原摄影机色域的转换。例如，对于日常图像素材（网络图像、手机拍摄视频等），需要完成从原摄影机色域sRGB到目标色域matte_paint （Utility⁃sRGB⁃Texture）的转换；对于抠像所输出的通道或三维渲染输出的法线层、深度层等图像数据素材，都无需进行原摄影机色域和目标色域之间的转换。

5.3 外观修改转换（LMT）：视图窗口预览监看中的颜色和亮度组合补偿处理

在图像素材导入环节，Read节点（或OCIOColorSpace节点）已经实现了不同类型图像素材颜色标准化和线性化的组合处理。但是由于显示器的固有物理属性，图像仍会出现整体偏暗的情况。因此，为了使合成师能够看到真实的画面颜色，ACES针对不同类型设备提供了监看预览方案。与线性工作流不同的是，ACES色彩管理流程不仅在视图窗口对图像亮度进行补偿，而且也对图像色域进行补偿。例如，如果预览监看显示器支持的色域为Rec.709，那么只需将视图窗口中的预览监看设置为Rec.709（ACES）。此时，Nuke中的视图窗口（Viewer）不仅补偿了Rec.709标准的亮度，而且也补偿了Rec.709标准的色域。视图窗口对图像素材进行颜色和亮度的组合补偿，可以理解为ACES色彩管理流程在Nuke中执行RRT操作，如图9所示。

图9　视图窗口（Viewer）监看预览中的颜色和亮度组合补偿处理

5.4 输出设备转换（ODT）：图像输出中的颜色和亮度组合处理

在合成镜头输出环节，数字合成师首先需要将合成镜头输出为“小档”文件（小尺寸代理文件），以便直接上传到项目管理软件让项目供应商或视效总监对合成镜头效果进行审核；对于审核通过的镜头则再输出“大档”文件（原尺寸原始数据），以便调色（或剪辑）部门获得合成镜头的图像数据后再进行创作。

对于审核所用的“小档”文件输出：为了使项目供应商或视效总监看到正确颜色的合成镜头，数字合成师一方面需要使用OCIOFileTransform（OCIO文件转换）节点套用项目提供的LUT，另一方面需要再使用OCIOColorSpace节点将基于ACES色彩管理的scene_linear （ACES⁃ACEScg）色域转换回监看预览所加载的Output⁃Rec.709。

对于最终发布的“大档”文件输出：数字合成对接的往往是调色环节，因此，数字合成师需要根据项目调色环节是否使用ACES色彩管理流程而进行输出。

若调色环节未采用ACES色彩管理流程，则“原进原出”：即将合成镜头的编码（色域编码和亮度编码）转换回原摄影机编码（色域编码和亮度编码），从而保证最终合成镜头与导入拍摄素材在编码数据模式上完全相同。例如，数字合成师在ARRI ALEXA拍摄的素材（假定曝光指数EI 为400）上进行了不同摄影机拍摄素材或三维渲染素材的合成和效果处理，那么数字合成师需要在渲染输出前再次套用OCIOColorSpace节点完成输入的目标色域：scene_linear （ACES⁃ACEScg）与输出的原摄影机色域Input⁃ARRI⁃V3LogC （EI400）⁃Wide Gamut之间的调换。同时，设置Write（输出）节点Output Transform（输出转换）为原始图像数据（Raw Data）模式，从而保证提交至调色部门的最终合成镜头的数据模式与ARRI ALEXA拍摄素材的数据模式完全相同。

若调色环节也采用ACES色彩管理流程，则“直接输出”：即直接输出基于ACES色彩管理流程编码的图像数据即可。例如，数字合成师同样在ARRI ALEXA拍摄的素材（假定曝光指数EI 为400）上进行不同摄影机拍摄素材或三维渲染素材的合成和效果处理，在使用Write节点输出过程中设置Output Transform（输出转换）为scene_linear（ACES⁃ACEScg），并设置输出格式为符合ACES编码的EXR文件格式。Write节点中的Output Transform（输出转换）操作可以理解为ACES色彩管理流程在Nuke中执行了ODT操作，如图10所示。

图10　Write节点图像输出中的颜色和亮度组合处理

Nuke中的ACES色彩管理流程作简单总结：首先，在图像读取过程中，Read节点基于变换矩阵对不同类型的图像素材统一进行色域编码的反向转换以完成原摄影机编码色域到ACES目标色域的变换；然后，在图像显示过程中，Viewer面板将通过ViewerProcess属性控件，针对不同类型的设备提供颜色和亮度组合补偿的监看预览方案；最后，在图像输出过程中，Write节点根据项目调色环节的工作流程，分别给出了“原进原出”和“直接输出”。同时，在制作过程中，合成师需套用项目所提供的LUT，将画面颜色转换成与导演在拍摄现场监视器上所看到画面一致的颜色。

Nuke是专业的数字合成软件，被全球影视行业广泛应用，同时也是较早引入OpenColorIO和ACES支持的合成软件。近年来，越来越多的高质量国产视效电影作品惊艳全球，不仅源于中国电影艺术家的努力和智慧，也源于艺术家们对国际数字电影新技术和新工具的深度应用。目前，ACES及其色彩管理流程已在行业内广泛使用，本文不仅较为全面地梳理了同ACES紧密关联的色彩原理和相关概念，提出ACES的产生原因以及ACES色彩管理流程的优势所在，而且详细介绍了Nuke中的ACES色彩管理流程。只有充分理解ACES及其色彩管理流程，才能正确将其应用于影视视效各制作环节。希望本文能够普及ACES色彩管理流程在影视数字合成中的规范使用，进而对ACES色彩管理流程在三维特效、灯光渲染以及虚拟摄制等领域的应用提供参考。