深入理解位深、碼率和RAW

前言：

在拍攝和導出時，你又經(jīng)?？吹?bit、10bit以及100M、200M這些數(shù)字，他們分別代表了位深和碼率。

那么這些概念從何而來，對實際創(chuàng)作又會產(chǎn)生什么影響？

本期從位深的角度去剖析碼率和RAW格式。

位深：

在描述圖像時也稱為顏色深度，

我們用色深來表示每個顏色分量所能呈現(xiàn)的變化數(shù)量。

位是比特，是二進制計算機中最小的單位，

每一個比特都只存在兩種狀態(tài)，用0和1來表示。

這樣如果有8個bit，就能表示256種不同的狀態(tài)。

對一個8bit色成的像素來說，RGB每個通道的顏色都可以呈現(xiàn)出256種變化，3個通道在一起就可呈現(xiàn)出超過1670萬種變化。

同理，對于10bit色深的視頻，這超過10億種顏色變化，

12bit則超過了687億種。

關(guān)于色深有兩點需要注意：

第1：要注意區(qū)分色深的具體含義。

在過去，色深會用來表示所有顏色分量的總比特數(shù)，比如在過去說的8位色深時，攏共只有256種顏色變化。

第2：不要和色域的概念混淆

色域表示的是顏色的范圍有多廣，色深表示的是記錄或者呈現(xiàn)顏色的精度有多高。

視頻碼率：

指的是單位時間內(nèi)視頻的數(shù)據(jù)量或者說位數(shù)，所以叫比特率。

對于8位測試的RGB視頻來說，每個像素都有3個顏色，分量就占據(jù)24位。

我們知道位和字節(jié)存在著8倍的關(guān)系，所以每一個像素要占據(jù)3個字節(jié)。

對于分辨率是1080P的視頻來說，一共有2073600個像素，要存儲1幀畫面就需要6220800個字節(jié)，換算成千字節(jié)是6075KB，再換算成M，字節(jié)是5.93M。

我們知道視頻是由一幀一幀的靜態(tài)畫面組成的，如果每秒有25幀，就需要大約148M的空間。

作為一個慣例，

描述存儲空間時用字節(jié)為單位

描述傳輸數(shù)率時用比特為單位，是148，再乘以8，大約是1186M比特每秒。

我們可以用達芬奇找出一段這樣的視頻，選擇編碼格式為無壓縮，

就能輕松驗證這個結(jié)果。

而實際的情況是，一般的拍攝都難以負擔這么高的碼率，所以會使用不同的編碼對視頻進行壓縮。

比如索尼的XAVC S-I 4K格式，

它能以10比特色深精度記住影像，如果不做壓縮，當幀速率為50時，碼率會超過1萬M比特每秒，

但是配合422的色度采樣和幀內(nèi)壓縮，碼率可以下降到600M比特每秒

而XAVC S-I 4K格式還使用了幀間壓縮，碼率可以進一步下降到200M比特每秒。

進而如果使用XAVC HS 4K的格式，它采用H265的編碼，碼率能再次下降到100M比特每秒。

較低的碼率節(jié)省了所需的存儲空間，而代價要么是犧牲了畫面的質(zhì)量，或是在解碼時需要更多的算力和軟硬件的編解碼支持。

對于調(diào)色來說，相同編碼的素材，色深和碼率越高越好，

碼率越高畫質(zhì)越高，像色帶這類情況出現(xiàn)的概率也就越低。而后期能拿到的質(zhì)量最好的素材格式就是RAW.

RAW格式：

是未經(jīng)處理的原始圖像格式，色深通?？梢赃_到12bit、16bit或者更高。

但是當我們用上面的方法去計算RAW素材的碼率時，會出現(xiàn)問題。

比如這段素材，這是攝影機拍攝的12比特色深視頻，

這是一種未經(jīng)壓縮的格式，所以我們套用之前的計算結(jié)果是每幀畫面大約要占據(jù)35.6M的空間，而實際情況是中的素材有277幀，大小為3.21GB，算下來與知畫面只有11.9兆.

差不多，只計算值的1/3。

再換一條視頻計算結(jié)果同樣如此。那為什么RAW素材占據(jù)的存儲空間只有理論值的1/3呢？

就要回溯到繞素材誕生的地方，感光元件。

感光元件：

是由幾百萬個微小的感光點組成的陣列，

每個感光點上都有一個微透鏡，進一步匯聚光線，

它的本質(zhì)是一個光子計數(shù)器，計算單位時間內(nèi)進入的光子數(shù)量，并將你轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

色深越高就意味著每個感光點記住光子的精度越高。

這里需要注意的是，感光點并非和最終得到的像素點是一一對應(yīng)的關(guān)系。

比如感光點的陣列是2880x1620，

在拍攝1080P的視頻時畫面會經(jīng)過3 : 2的下采樣，同樣也可以做3 : 4的上采樣，

也能得到被認可的4K分辨率。

感光點只能記錄光子，并不能記錄光子的頻率，他并不知道光的顏色是怎樣的，他只能記錄灰度圖像。

為了能記錄彩色圖像，改成了三傳感鏡攝影機，他用棱鏡和二相色鏡把入射的光線分成了紅、綠、藍三色光。

而如今的攝影機只會用一塊感光元件同時處理三元色。

那要怎么做？

給每個感光點加一個不同顏色的濾鏡，

它只允許特定顏色的光線通過。這種像馬賽克一樣的彩色濾鏡陣列被稱為拜耳濾鏡，

濾鏡上有一半顏色被綠色占據(jù)，紅色和藍色各占1/4。

看過上期視頻的朋友應(yīng)該知道，這樣做是因為我們眼睛對綠色最敏感，所以權(quán)重更高。

上期視頻深入 422 420 的底層邏輯：https://www.bilibili.com/video/BV1oP4y1m7Nm/?vd_source=aa83aa39c00723051d92545917f8cf3b

感光元件上直接得到的畫面是這樣一個馬賽克的圖像，

每個反光點只記錄某一個顏色通道的數(shù)據(jù)，若要還原現(xiàn)實場景的本來面目，就成為去馬賽克，或者叫去拜爾，解拜爾

解拜耳的方法相當復(fù)雜，具體的算法都是各個制造商嚴格守護的機密。

大致的思路都是從心里的感光點做彩色插值的計算，比如某個感光點的數(shù)據(jù)是綠色，那么它丟失的紅色和藍色信息就可以從相鄰的像素中推斷出來。

常見的視頻解拜耳的過程都是發(fā)生了相機內(nèi)部

解拜耳后得到RGB的畫面，然后對RGP畫面進行編碼壓縮，就得到了一個個視頻文件

作為對比RAW格式將馬賽克的原始圖像直接編碼，解拜耳的工作則放到了回放或者后期的環(huán)節(jié)。

所以在RAW格式中，每個像素點只記錄一個顏色通道的數(shù)據(jù)，而非3個，所以在計算碼率的時候，未經(jīng)壓縮的RAW格式不需要再乘以3.

.r3d , RedCode RAW格式，一般會在RAW的基礎(chǔ)上壓縮到三分之一甚至更低，對于這種RAW的碼率就不能直接算了。

Arri的碼率計算器：https://tools.arri.com/fileadmin/adapps/afdc/index.html

Red 碼率計算器：https://www.red.com/recording-time

RAW格式憑借著拜耳濾鏡和之后的解拜耳算法在事實上將數(shù)據(jù)壓縮到了1/3。

上面的計算時，其實每個RAW素材占據(jù)的空間和我們的計算都差了一點幾M，因為ArriRAW的元數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)是分開存儲的。

像ISO、白平衡等等數(shù)據(jù)如此存放的元數(shù)據(jù)里面，并沒有燒入到視頻中，這在后期可以修改元數(shù)據(jù)的各種參數(shù)。

所以解拜耳盡管會消耗更多的計算資源，但是給后期提供了極高的自由度。

總結(jié)：

介紹了色深的概念，它用來表示記錄或者顯示顏色的精度。

介紹了無壓縮視頻的碼率計算

最后我們簡單介紹了RAW格式的視頻，可幾分鐘的時間只說了他的冰山一角，以后有機會再做分享。

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