影視制作專業(yè)問答3

王亞明

為什么HDR文獻(xiàn)里SDR系統(tǒng)伽瑪值是1.2而不是1.1？

在問答系列連載1“為什么顯示與拍攝伽瑪需要匹配？”中已經(jīng)介紹過，BT.709定義的SDR拍攝伽瑪（OETF）為1/2.2=0.45，BT.1886定義的SDR顯示伽瑪（EOTF）為2.4，因此SDR的系統(tǒng)伽瑪（OOTF）為2.4/2.2=1.1。而在BT.2390和很多HDR文獻(xiàn)中，SDR的系統(tǒng)伽瑪值是1.2。那么，SDR的系統(tǒng)伽瑪值是1.1還是1.2呢？

系統(tǒng)伽瑪1.1的顯示圖像對比度比實(shí)際場景略大，景物亮度增加1倍時(shí)顯示端亮度的增量與攝像機(jī)光圈開大1.1檔時(shí)的增量相同，因此顯示亮度越高與景物端的對比度差距越大。SDR電視監(jiān)視器的峰值亮度是100尼特，一般把亮度100尼特、系統(tǒng)伽瑪1.1稱為“標(biāo)準(zhǔn)對比度”。由于高亮度端的對比度比低亮度端大，而且現(xiàn)代家庭高清電視機(jī)顯示屏的尺寸比較大，亮度也比100尼特高，在這樣的情況下系統(tǒng)伽瑪1.2時(shí)，其對比度與系統(tǒng)伽瑪1.1的高亮度端標(biāo)準(zhǔn)對比度相當(dāng)，所以包括ITU文件在內(nèi)，幾乎所有HDR文獻(xiàn)中SDR的系統(tǒng)伽瑪值都是1.2，而不是1.1。

HLG-Live與HLG的區(qū)別是什么？

HLG-Live是索尼對HLG的改進(jìn)版本，也可以認(rèn)為是“索尼版”HLG，配置在索尼廣播級4K演播室攝像機(jī)、4K ENG肩扛攝錄一體機(jī)等設(shè)備上。在這些設(shè)備上既可以選擇BT.2100定義的標(biāo)準(zhǔn)HLG伽瑪，也可以選擇索尼的HLG-Live。HLGLive與HLG完全兼容，其OETF曲線形狀與HLG相同，因此用HLG-Live拍攝的節(jié)目在HLG監(jiān)視器和電視機(jī)上顯示的圖像與HLG完全相同，無需任何特殊處理。

HLG-Live與HLG的區(qū)別是靈敏度與轉(zhuǎn)換SDR時(shí)的增益差不同。例如，索尼HDC4300攝像機(jī)設(shè)置為HLG-Live時(shí)，其靈敏度比設(shè)置為HLG提升了5dB，接近1檔光圈，對低照度拍攝非常有利。HLG-Live下變換SDR時(shí)的增益差也比HLG小5dB，使用索尼HDRC4000轉(zhuǎn)換器做HDR至SDR下變換時(shí)，如果攝像機(jī)選擇HLG-Live，HDRC4000必須設(shè)置為AIR MACHNING ON與之匹配，其下變換SDR的增益差與攝像機(jī)下變換SDR的增益差相同，都比HLG下變換SDR增益差小5dB。同樣地，用HDRC4000轉(zhuǎn)換器把SDR上變換為HLG-Live信號時(shí)，也必須把AIR MACHNING設(shè)置為ON，轉(zhuǎn)換增益也比SDR轉(zhuǎn)換為HLG時(shí)小5dB，才能與系統(tǒng)內(nèi)其他HLG-Live信號混合切換操作。

ITU-R BT.2408文件中HDR參考白基準(zhǔn)信號電平的作用是什么？

HDR參考白基準(zhǔn)信號電平是HDR制作的重要依據(jù)，其作用與SDR的峰值白信號電平相似，是HDR制作的定光點(diǎn)。

標(biāo)清和高清電視信號有模擬與數(shù)字兩種形態(tài)，模擬電視信號的峰-峰值為1V，其中同步占0.3V，視頻0.7V（700mV），因?yàn)橥讲⒉话瑘D像信息，所以電視制作只關(guān)注峰-峰值為700mV的視頻。模擬電視的視頻信號電平用mV或百分比表示，700mV=100%，數(shù)字信號用編碼值代表不同的電平，但習(xí)慣上仍然沿用了模擬時(shí)代mV或百分比的電平表示法。超高清電視只有數(shù)字信號一種形態(tài)，因此在ITU文件里用百分比表示HDR電平。

BT.2408-2文件的表1列出了HDR參考白基準(zhǔn)信號電平與顯示亮度的關(guān)系：在白色信號電平幅度為58%時(shí)PQ伽瑪HDR監(jiān)視器上顯示的白色亮度為203尼特；白色信號電平幅度為75%時(shí)1000尼特HLG伽瑪HDR監(jiān)視器上顯示的白色亮度也是203尼特。

參考白基準(zhǔn)電平定義的是100%動(dòng)態(tài)范圍對應(yīng)的電平，具體來說就是用PQ伽瑪攝像機(jī)拍攝100%反射率白色測試卡時(shí)輸出電平幅度應(yīng)為58%，HLG伽瑪攝像機(jī)輸出電平幅度應(yīng)為75%。如果測試卡的反射率為90%，則PQ與HLG的電平應(yīng)分別為57%和73%，監(jiān)視器顯示的白色亮度179尼特。

從電平的角度看，58% PQ或75% HLG參考白基準(zhǔn)信號電平是一個(gè)分界線，低于參考白基準(zhǔn)電平的內(nèi)容是SDR，超過參考白基準(zhǔn)電平的內(nèi)容是HDR。參考白基準(zhǔn)電平的作用是確定PQ或HLG拍攝制作的曝光基準(zhǔn)也就是定光點(diǎn)，這個(gè)電平也是HDR制作時(shí)白色字幕的推薦電平。

SDR的峰值白電平是100%，對應(yīng)SDR監(jiān)視器100尼特亮度。對SDR制作來說，峰值白電平既有校準(zhǔn)層面的意義，也有操作層面的意義。在波形監(jiān)視器上，100%是最高電平，是定光點(diǎn)，對應(yīng)拍攝場景內(nèi)最高亮度的景物，因此峰值白電平既可以用于系統(tǒng)校準(zhǔn)，也可以為調(diào)光工程師的曝光控制提供參考。

PQ和HLG的參考白電平分別是58%和75%，對應(yīng)1000尼特HDR監(jiān)視器203尼特亮度。對HDR制作來說，參考白電平只有校準(zhǔn)層面的意義，沒有操作層面的意義。在波形監(jiān)視器上， 58%或75%是定光點(diǎn)但不是最高電平，并不對應(yīng)拍攝場景內(nèi)最高亮度的景物，調(diào)光工程師無法判斷58%或75%電平對應(yīng)哪些景物，找不到定光點(diǎn)，因此無法像SDR的峰值白電平那樣為調(diào)光工程師的曝光控制提供參考。

ITU推薦的兩種HDR制作流程有什么區(qū)別？

ITU-R BT.2408-2推薦了兩種用HDR系統(tǒng)制作節(jié)目的流程，一種是用HDR調(diào)光制作HDR，也就是HDR優(yōu)先，另一種是用SDR調(diào)光制作HDR，即SDR優(yōu)先。

在HDR優(yōu)先的制作流程中，為了獲得高質(zhì)量的HDR圖像，HDR攝像機(jī)使用HDR監(jiān)視器調(diào)光。由于HDR圖像的曝光寬容度遠(yuǎn)大于SDR，因此獲得高質(zhì)量的HDR信號后，下變換SDR轉(zhuǎn)換器必須采用智能化的動(dòng)態(tài)映射才能獲得高質(zhì)量SDR輸出。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換器旨在優(yōu)化任何場景的HDR到SDR映射曲線，從而適應(yīng)比固定（或靜態(tài)）增益差映射曲線更寬的曝光范圍。遺憾的是，市場上還沒有符合要求的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，因此目前HDR優(yōu)先的制作流程無法保證高清SDR圖像質(zhì)量。實(shí)際操作時(shí)，以HDR為基準(zhǔn)調(diào)光制作HDR，采用固定增益差下變換得到的SDR圖像有很大概率會(huì)過曝光。

在SDR優(yōu)先的制作流程中，為了獲得高質(zhì)量SDR圖像，HDR攝像機(jī)使用SDR監(jiān)視器調(diào)光。大多數(shù)演播室HDR攝像機(jī)可以同時(shí)輸出HDR和SDR信號，因此可以用SDR輸出對攝像機(jī)進(jìn)行調(diào)光，HDR輸出可以使用相對于SDR的固定增益差（相當(dāng)于曝光偏置）進(jìn)行下變換，從而獲得高質(zhì)量的SDR圖像。

BT.2408-2推薦用SDR調(diào)光制作HDR節(jié)目的主要原因如下：

·節(jié)省成本：為每個(gè)調(diào)光師配置HDR監(jiān)視器和波監(jiān)的成本很高；

·減輕視覺疲勞：HDR監(jiān)視器峰值亮度比SDR高得多，調(diào)光工程師長時(shí)間觀看容易出現(xiàn)視覺疲勞，判斷力下降；

·提高調(diào)光精度：調(diào)整光圈時(shí)同樣的曝光量變化在HDR監(jiān)視器上亮度變化很小，在SDR監(jiān)視器上亮度變化很大，因此SDR調(diào)光更精準(zhǔn)；

·精準(zhǔn)控制膚色曝光：膚色電平都在SDR范圍內(nèi)，用SDR調(diào)光能夠精確控制SDR和HDR的膚色電平；

·確保高清質(zhì)量：用SDR調(diào)光可在確保高清SDR圖像質(zhì)量的情況下同時(shí)獲得高質(zhì)量4K HDR圖像；

·保留傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣：SDR時(shí)代調(diào)光工程師多年積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)和操作習(xí)慣得以保留，無需改變。

因此，采用SDR調(diào)光制作HDR能夠確保同時(shí)獲得高質(zhì)量高清SDR和4K HDR圖像，符合現(xiàn)階段節(jié)目制作和播出的要求。具體來說，4K HDR制作系統(tǒng)包括攝像機(jī)、切換臺等核心設(shè)備均支持4K HDR，輸出4K HDR節(jié)目信號，攝像機(jī)內(nèi)置下變換高清SDR用于調(diào)光，4K HDR下變換的高清SDR用于系統(tǒng)節(jié)目輸出。

用SDR調(diào)光制作HDR的核心是設(shè)置HDR轉(zhuǎn)換SDR的增益差。HLG轉(zhuǎn)換成SDR需要做電平、伽瑪和色域映射，電平從HLG映射到SDR（BT.709），伽瑪從HLG映射到SDR（BT.709），色域從BT.2020映射到BT.709。在三個(gè)映射中，伽瑪和色域映射是產(chǎn)品制造商設(shè)計(jì)決定的，用戶只能進(jìn)行相應(yīng)的選擇和微調(diào)，最重要的是電平映射，用戶需要設(shè)置HDR轉(zhuǎn)SDR的增益差，使HLG電平正確映射到SDR。

大多數(shù)4K HDR演播室攝像機(jī)CCU都內(nèi)置了HDR與SDR兩個(gè)獨(dú)立的信號處理器，可以同時(shí)輸出4K HDR與高清SDR信號。由于HDR的動(dòng)態(tài)范圍比SDR大得多，攝像機(jī)以SDR為基準(zhǔn)調(diào)光時(shí)HDR就會(huì)曝光不足，如果擴(kuò)大光圈以HDR為基準(zhǔn)調(diào)光時(shí)SDR就會(huì)曝光過度，為了使HDR與SDR都能正確曝光，需要用光圈控制HDR曝光，并為HDR與SDR處理器設(shè)置適當(dāng)?shù)脑鲆娌羁刂芐DR曝光。

采用SDR優(yōu)先的制作流程時(shí)必須用測試信號和測試卡檢查、驗(yàn)證攝像機(jī)CCU內(nèi)置下變換SDR輸出與4K HDR節(jié)目輸出轉(zhuǎn)換器下變換SDR信號的電平、伽瑪和色域相同，兩者有差別時(shí)需要對攝像機(jī)或轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)整使之盡可能一致，以實(shí)現(xiàn)電視直播制作要求的“所見即所得”。

根據(jù)攝像機(jī)廠商提供的數(shù)據(jù)和實(shí)際測試驗(yàn)證，H D R轉(zhuǎn)換SDR的增益差為-10.2dB，由于HLG-Live比HLG下變換SDR的增益差小5dB，所以HLG-Live轉(zhuǎn)換SDR的增益差為-5.2dB。當(dāng)HDR轉(zhuǎn)換SDR的增益差設(shè)置為-10.2dB時(shí)，75% HLG電平映射為100% SDR電平，如下圖所示。

用SDR調(diào)光制作HDR，就是把75% HLG電平映射到SDR后成為100%峰值白電平，這樣調(diào)光工程師就有了與SDR制作時(shí)相同的定光點(diǎn)可供參考，這個(gè)定光點(diǎn)對應(yīng)的就是75% HLG，實(shí)現(xiàn)了用SDR調(diào)光精準(zhǔn)控制HDR曝光的目的。

實(shí)際測試結(jié)果證明，雖然用SDR調(diào)光制作HDR時(shí)調(diào)光師看不到HDR內(nèi)容，但只要系統(tǒng)設(shè)置了正確的HLG與SDR增益差（映射關(guān)系）就能確保HDR圖像質(zhì)量。以高清SDR圖像為基準(zhǔn)調(diào)光時(shí)高清好HLG一定好，雖然不一定是最好，以HDR圖像為基準(zhǔn)調(diào)光時(shí)HLG圖像好高清SDR不一定好，大概率可能更差，出現(xiàn)過曝光。

根據(jù)測試研究和實(shí)踐總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，建議4K直播和錄播采用SDR優(yōu)先的制作流程，以高清SDR圖像為基準(zhǔn)調(diào)光，即ITU建議的用SDR調(diào)光制作HDR；如果確認(rèn)制作的4K節(jié)目僅用于HDR播出、傳輸或發(fā)行，不下變換高清SDR播出，可采用HDR優(yōu)先的制作流程，用HDR調(diào)光制作HDR。用SDR調(diào)光制作HDR時(shí)，技監(jiān)和導(dǎo)演都能看到4K HDR圖像，如果4K HDR與高清SDR圖像質(zhì)量無法兼顧時(shí)，目前的策略應(yīng)該是“高清優(yōu)先”。

測試研究證明，HLG與SDR的轉(zhuǎn)換增益差是不同伽瑪曲線特性的差別，轉(zhuǎn)換增益差與設(shè)備無關(guān)，與場景無關(guān)，只與創(chuàng)作意圖有關(guān)。無論采用哪個(gè)廠家的攝像機(jī)，拍攝什么場景，只要攝像機(jī)HLG曲線符合BT.2100標(biāo)準(zhǔn)，HLG轉(zhuǎn)換SDR的增益差都是相同的，只不過不同廠家設(shè)備設(shè)置的轉(zhuǎn)換參數(shù)名稱和數(shù)值不一定相同，但實(shí)際的增益差是一樣的。用SDR調(diào)光制作HDR時(shí)，以-10.2dB增益差為基準(zhǔn)，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)增減SDR增益差可以改變4K圖像的HDR效果，體現(xiàn)制作者的創(chuàng)作意圖。轉(zhuǎn)換增益差越大HDR的曝光量就越大，HDR效果越明顯。

常用的HDR播出、傳輸方案是哪幾種？

在問答系列連載2“ITU定義的兩種HDR伽瑪有什么差別？”中已經(jīng)介紹過，BT.2100定義了兩種用于高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）電視的伽瑪，分別是絕對亮度體系的PQ和相對亮度體系的HLG。不過，PQ只是EOTF，由于PQ對顯示設(shè)備精度要求很高，必須在播出碼流中加入控制顯示設(shè)備性能的元數(shù)據(jù)形成完善的HDR方案才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，用PQ制作的節(jié)目可以用HDR10、HDR10+、Dolby Vision-1/2、SL-HDR1/2方案播出、傳輸。HLG無需元數(shù)據(jù)，用HLG制作的節(jié)目在播出、傳輸碼流里插入識別符就可以直接播出，也可以加入元數(shù)據(jù)形成HDR方案（如SL-HDR3）。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織和廠商提出了多種HDR播出方案，目前已經(jīng)被影視行業(yè)和電視機(jī)廠商接受的HDR方案有BDA（藍(lán)光盤）/ HDR10、HDR10+、Dolby Vision和HLG。廣電總局已經(jīng)確定中國用HLG加識別符的方案播出4K HDR節(jié)目，采用PQ伽瑪?shù)牟コ龇桨复ā?img src="https://cimg.fx361.com/images/2019/10/22/qkimagescbzzcbzz201909cbzz20190923-10-l.jpg"/>

在采用PQ的HDR方案中，從兼容性來看Dolby Vision和P h i l i p s/T e c h n i c o l o r可以下兼容S D R，H D R10和HDR10+不兼容SDR；從靜態(tài)元數(shù)據(jù)來看各方案相同，都是ST2086+MaxFALL/MaxCLL。SMPTE的ST2086定義了制作HDR節(jié)目時(shí)使用的監(jiān)視器硬件性能，包括RGB基色坐標(biāo)（色域），白色坐標(biāo)，最高顯示亮度，最低顯示亮度；MaxFALL（maximum frame-average light level，最高幀平均亮度電平，簡稱FALL或平均亮度）和MaxCLL（maximum content light level，最高內(nèi)容亮度電平，簡稱CLL或最高亮度）定義了節(jié)目的平均和最高亮度。

在不同的方案中動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)的作用也不一樣，有些是針對不同場景優(yōu)化顯示圖像質(zhì)量的，如Dolby Vision和HDR10+；有些是為實(shí)現(xiàn)HDR與SDR兼容的，如Philips/Technicolor。具體來說，Dolby Vision的動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是ST 2094-10，Philips是ST 2094-20，Technicolor是ST 2094-30，因此Philips/Technicolor方案的動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)是ST 2094-20與ST 2094-30的集合，HDR10+的動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是ST 2094-40。

播出、傳輸用PQ制作的HDR10或Dolby Vision節(jié)目時(shí)必須同時(shí)傳輸元數(shù)據(jù)，支持HDR10或Dolby Vision的HDR電視機(jī)/顯示設(shè)備在自動(dòng)模式時(shí)接收到元數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)進(jìn)入PQ的“絕對亮度”模式，并根據(jù)靜態(tài)元數(shù)據(jù)控制/選擇顯示設(shè)備參數(shù)使之適合信號源的要求；播出、傳輸用HLG制作的HDR節(jié)目時(shí)必須同時(shí)傳輸HLG識別符，支持HLG的HDR電視機(jī)在自動(dòng)模式時(shí)接收到HLG識別符后自動(dòng)進(jìn)入HLG HDR模式。

在整個(gè)播出、傳輸和接收流程中，HDR播出碼流需要同時(shí)傳輸元數(shù)據(jù)或識別符，HDMI接口必須支持元數(shù)據(jù)或識別符傳輸。機(jī)頂盒連接電視機(jī)或顯示設(shè)備后，機(jī)頂盒通過HDMI發(fā)送Inforframe（信息幀）通知電視機(jī)正在傳輸?shù)膱D像信號參數(shù)，包括分辨率、色域、色溫、伽瑪、是否HDR，如果是HDR屬于哪種類型，如PQ或HLG，以及制作監(jiān)視器的最高亮度、最低亮度等信息，電視機(jī)的HDMI接收到Infoframe后，會(huì)把電視機(jī)自身的硬件性能通過EDID（擴(kuò)展顯示識別數(shù)據(jù)）回復(fù)機(jī)頂盒，電視機(jī)的分辨率、色域、色溫、伽瑪、是否支持HDR的PQ或HLG、最高和最低亮度等電視機(jī)參數(shù)。

通過HDMI的Infoframe和EDID通訊后，雙方判斷，如果電視機(jī)的性能可以支持傳輸信號的所有需求，那么機(jī)頂盒對傳輸信號不做任何處理，透傳數(shù)據(jù)，所有信號處理都由電視機(jī)完成，如果電視機(jī)性能不支持傳輸信號的要求，信號處理將由機(jī)頂盒完成，機(jī)頂盒應(yīng)該根據(jù)電視機(jī)性能將傳輸信號轉(zhuǎn)換成電視機(jī)能夠顯示的圖像格式。

以上是理想狀況，實(shí)際情況會(huì)復(fù)雜的多。例如，機(jī)頂盒與電視機(jī)的HDMI版本必須高于2.0b才能支持HLG識別符傳輸，機(jī)頂盒、電視機(jī)也必須傳輸并識別元數(shù)據(jù)或識別符，如果機(jī)頂盒向電視機(jī)發(fā)送了infoframe，電視機(jī)也必須通過EDID回復(fù)真實(shí)的性能。這是個(gè)通訊握手的過程，節(jié)目制作、播出、傳輸、機(jī)頂盒、電視機(jī)廠商等有關(guān)各方必須遵守相同的協(xié)議才能實(shí)現(xiàn)即插即用，互通互聯(lián)，自動(dòng)識別，確保用戶端再現(xiàn)高質(zhì)量4K HDR圖像。B&P

（未完待續(xù)）