Sony S-LOG2/3 概念澄清

背景

如下图所示，一个典型的camera至少会包含一个镜头、一个CMOS Image Sensor、一个ISP图像处理器，以及必要的外围功能部件。

出于成本的考虑，消费级的ISP处理器内部通常会使用10bit位宽表示像素数据，而单反、电影机等高端产品往往会使用12bit以上的CMOS image sensor。下图列出了一些高端单反相机所用 sensor 动态范围，有些最高端的型号会使用16bit位宽的sensor。

当camera产品中使用消费级ISP芯片适配12bit以上sensor时，就会出现数据精度不匹配的情况。将sensor输出的12bit以上数据直接做低位截断变成10bit是一种简单粗暴的方案，但这显然不是一个合理的方案，比这更合理的方案至少有两种

companded，采用分段线性（piecewise linear）折线的方法将sensor数据压缩到10bit
log，采用某种log函数将sensor数据从线性空间（linear space）映射到变换空间（transform space），实现位宽压缩

这两种方案在消费级ISP产品中都有支持，本文讨论的重点是log方案。下图显示了Canon定义的三种log曲线，其中log-3可以支持高达14个stop的动态范围，而log-2则提供了最大的扩展空间，理论上可以支持16个stop的动态范围，虽然目前可能很难找到匹配的sensor。

有群众指出上图中的曲线看起来像指数曲线而不像log曲线，没错，这主要是因为横坐标采用的是"stop"单位，图的右下角大大的红字就是横坐标的单位。"stop"本质上是以2为底的log函数。图中stop=0 含义是中性灰正确曝光时相机的曝光量（绝对值与环境有关，正比于Aperture * Shutter * ISO），stop=0 处的纵坐标是曲线规定的中性灰理想曝光值。stop每增加1个单位，意味着曝光量x2，反之每减小一个单位，曝光量减小1/2。如果将stop单位还原成线性单位表示，则上图即会变成正常的log曲线。

用法

下图给出了Canon Log 1曲线的图像，该曲线可以支持12bit宽度的sensor。当使用该曲线拍摄时，应先调节光圈和曝光设置，使反射率为18%中性灰的像素值等于351，在此条件下，反射率为2%的黑色物体像素值应等于169，反射率为90%的白色物体像素值应等于614。如果画面中存在光亮度大于8倍标准白色的高光区域（highlight spot，名义反射率>720%，可能是某种光源，或镜面反射点），则该物体的像素值达到或超过940（IRE100%），最大饱和值为1016（IRE108%）。

在一种典型的硬件ISP pipeline中，Log处理发生在raw域，位于WDR合成之后，因此R/Gr/Gb/B四种颜色分量会受到同样的处理。

线性数据经过Log律变换之后，R/G/B的幅值被压缩，颜色的饱和度降低，图像看起来灰灰的，因此称为灰片。

Log灰片需要使用软件进行调色（grading）处理才能恢复出正常的颜色和亮度。

Sony S-Log

Sony 定义的log曲线称为S-Log，常用的有S-Log2和S-Log3版本，如下图所示。

S-Log2 最大可以支持14个stop动态范围，而S-Log3是面向未来的曲线，最大可以支持16个stop的动态范围。Sony的Venice 系列电影机已经可以录制15个stop的动态范围，而其他型号的Sony单反和电影机则都不超过14个stop。

当你使用的camera动态范围不超过14个stop时，使用S-Log2或者S-Log3作为录制格式其实并没有实质区别，此时图像质量的上限是sensor的动态范围。

有些用户会注意到，使用S-Log3作为录制格式时，画面暗部的噪声看起来会比S-Log2要大一些，于是就推论S-Log3的暗部噪声性能不如S-Log2。其实这个结论是不正确的，S-Log3的暗部噪声看起来更大只是因为暗部的编码值比S-Log2曲线更高，因此噪声的表现更加明显，而决定图像质量的唯一指标是信噪比（Singal-Noise Ratio, SNR），在这个关键指标上两种曲线并没有任何区别，换句话说，使用S-Log3并没有在原始图像中引入新的噪声，也就没有破坏图像的质量，在对log图像进行调色后，图像就会恢复正常，和使用S-Log2没有任何区别。

ETTR

衡量高图质量好坏的技术指标是信噪比，因此提高图像质量可以从增加信号强度和减少噪声强度两个维度入手。增加信号强度最简单有效的方法就是增大镜头光圈开度（aperture）和曝光时间（shutter），使更多的光线进入CMOS sensor参与曝光。使用Native ISO则可以减少图像噪声，有助于提高信噪比。

一种常用的拍摄技巧叫做ETTR（expose to the right），就是在条件允许的情况下，采用比标准曝光量高一个stop，这样会有助于改善画面暗部的信噪比，此时画面亮部也会比平常更亮一些，已经或接近过曝的区域会因此蒙受损失，但其它区域的细节仍会被保留，在后期调色阶段可以使用软件工具恢复过来。

Zebra Stripes

Zebra 条纹是专业相机提供的一种高级功能，用于指示过曝情况。当启用该特性时，相机会将过曝区域打上斑马线标记，该标记仅在取景窗内出现，并不会出现在录像文件中。

相机会提供UI界面用于定义"过曝"的具体阈值。

波形监视器

一些专业的摄影人群在拍摄时需要获取更多的技术信息，以帮助评估拍摄效果是否满足自己的需求，曝光和对焦是否准确等。一些经常使用 DaVinci Resolve 或 Premiere 软件的用户可能已经知道，软件中的波形监视器可以反映出拍摄的当前曝光度、色彩等多种属性。其实某些高端单反和电影机会支持波形监视器功能，下图是Canon XF105摄像机支持的波形监测器功能截图。