淺析4K HDR技術(shù)的實現(xiàn)方法
——以廣東衛(wèi)視2019春晚為例

( 廣東廣播電視臺，廣東 廣州 510000)

0 引言

廣東衛(wèi)視2019年春節(jié)聯(lián)歡晚會是廣東電視臺春晚歷史上第一次采用4K HDR技術(shù)進行大型現(xiàn)場制作，并且需要同時完成HD SDR(衛(wèi)視高清頻道播出)和4K HDR(廣東4K綜藝頻道)兩版節(jié)目的同場錄制?？紤]到春晚對于電視臺和廣大人民群眾的重要意義，從錄制到播出的時間非常有限，還要兼顧4K和高清兩版不同標準節(jié)目的制作。為了盡可能提升現(xiàn)場錄制的品質(zhì)，降低后期的制作壓力，對于本次制作進行了非常充分的準備。本次廣東衛(wèi)視春晚共搭建了2個舞臺，主舞臺位于廣東臺1 600 m2大型演播廳，是春晚主要文藝節(jié)目的錄制現(xiàn)場；副舞臺為演播廳外廣場搭建的外景區(qū)，穿插了民俗表演、展示等豐富的內(nèi)容，與主舞臺節(jié)目交替進行。

1 機位設(shè)計(主舞臺)

2個舞臺分別搭建了一套4K HDR現(xiàn)場錄制系統(tǒng)，其中主舞臺采用了合作伙伴4K花園“五月花號”大型轉(zhuǎn)播車，共架設(shè)了14個訊道，其中包括搖臂、伸縮炮、天眼、斯坦尼康、電控軌道、飛貓等多個特種攝像機位，極大豐富了鏡頭視角和舞臺整體及內(nèi)容的表現(xiàn)力。

所有14個訊道攝像機，除了斯坦尼康和天眼由于設(shè)備原因采用了高清信號傳輸通過轉(zhuǎn)播車上轉(zhuǎn)4K HDR的方式(天眼機身為4K攝像機PXW-FS5)之外，其余全部采用索尼HDC-4300 4K攝像機，鏡頭采用佳能4K廣播級鏡頭，焦段覆蓋了從90倍箱式鏡頭、45倍長焦鏡頭、20倍標頭和14倍廣角鏡頭各個焦段，如圖1所示。

2 4K HDR現(xiàn)場制作

12路4K攝像機信號和兩路高清信號到達“五月花號”轉(zhuǎn)播車號，4K攝像機直接通過攝像機基站HDCU-4300，同時輸出4K HDR和HD SDR標準信號，HD SDR信號根據(jù)后期高清的制作要求，所有機位都進行了單掛錄制；4K HDR信號進入IP交換機(“五月花號”為4K IP系統(tǒng)架構(gòu))，指派給IP 4K切換臺XVS-7000進行節(jié)目制作。兩路高清信號(微波斯坦尼康和飛貓)則通過轉(zhuǎn)播車上的HDRC-4000 HDR轉(zhuǎn)換器，上轉(zhuǎn)為HDR和寬色域4K信號，同樣送入切換臺，與其他4K信號進行混合切換。所有切換臺的信號源，全部按照HLG 2100的HDR曲線和BT2100寬色域標準進行制作。導播李霆老師可以通過導演監(jiān)視墻上的4K HDR 55寸監(jiān)視器PVM-X550直接監(jiān)看到最終HDR現(xiàn)場效果，并且也可以兼顧到高清信號的制作。

圖1 天眼機位4K攝像機架設(shè)

這樣出色的燈光和舞美搭配，通過4K HDR技術(shù)進行展現(xiàn)，可以獲得非常驚艷的視覺感受。按照廣東4K頻道的播出規(guī)范，HDR采用HLG 2100曲線標準進行制作，HLG作為當前最容易兼顧4K HDR和4K SDR的HDR標準，既可以很好展現(xiàn)過去SDR標準動態(tài)范圍難以覆蓋的高亮度區(qū)域(如絢麗的燈光色彩)，同時也能夠延展暗部區(qū)域的細節(jié)層次，即使在普通4K SDR電視上觀看，也同樣能夠得到比較理想的效果，這個特性也極大幫助了4K頻道在廣東地區(qū)的廣泛普及；BT2020作為寬色域標準，特別是針對綜藝舞臺豐富絢麗的燈光色彩設(shè)計，能夠最真實還原過去窄色域無法重現(xiàn)的高飽和高亮度顏色(如藍色、紫色的LED燈)，使得舞美、燈光效果能夠獲得最好的呈現(xiàn)。

在轉(zhuǎn)播車上的視頻技術(shù)調(diào)整區(qū)，采用了SR LIVE的制作技術(shù)，SR(Scene Refered)基于場景效果準確還原的邏輯進行制作，同時需要兼顧HDR和SDR不同的亮度范圍屬性。并且，考慮到本次制作必須要兼顧好高清SDR的效果，以及由于后期高清制作需要將高清單掛攝像機信號和高清PGM信號進行混剪，而高清SDR PGM信號是由HDR 4K PGM信號進行下轉(zhuǎn)得到的，那么就必須保證轉(zhuǎn)換后的信號和攝像機高清單掛信號的一致性，如圖2所示。

圖2 4K轉(zhuǎn)播車技術(shù)區(qū)的畫面控制

3 HDR制作與SDR如何兼顧

如果說高清和4K是分辨率的變化是呈現(xiàn)屏幕大小的區(qū)別，那么，你可以簡單地認為HDR與SDR是質(zhì)的區(qū)別。這是由于從拍攝記錄畫面信息的能力到最后顯示效果的能力，都表現(xiàn)出本質(zhì)區(qū)別。

攝像機可以認為是承載光的容器，屏幕則是還原光的載體。在最早的時候，攝像機和屏幕都遠遠弱于人眼捕捉光線的能力，攝像機僅僅是略比屏幕稍好一點(都相當于SDR水平)，這就導致攝影師不得不控制好現(xiàn)場的光比(亮度反差)，避免出現(xiàn)高光呲掉(亮度溢出)的情況；后來，攝像機的能力接近了人眼所能捕捉到的范圍，但屏幕依舊沒有提高，這樣攝影師可以相對保留更多的明暗層次(特別是高光細節(jié))，同時后期需要調(diào)色師精心控制，將前期捕捉到的信息進行精確處理和篩選，使得屏幕可以展現(xiàn)的效果比過去更好一點(攝像機HDR了，屏幕還是SDR水平)。直到今天，攝像機和屏幕都實現(xiàn)了HDR的能力，屏幕以100，000:1到1，000，000:1的高對比度顯示能力，能夠真實不妥協(xié)的展現(xiàn)極大對比度的環(huán)境下所有的明暗層次，這樣拍攝和制作就可以更少地妥協(xié)。可以說這是一次真正有益的視覺體驗革命。

由于二者無論在拍攝端還是呈現(xiàn)端，所使用的亮度伽馬曲線完全不同，而顯示端屏幕的峰值亮度、平均亮度、對比度指標也不一樣。在幾年前我們最初開始制作HDR節(jié)目時，就發(fā)現(xiàn)如果一臺攝像機輸出的4K HDR畫面直接轉(zhuǎn)換為SDR畫面(LUT轉(zhuǎn)換)，亮度會出現(xiàn)問題：如果HDR的畫面看起來舒適，SDR轉(zhuǎn)換出的畫面高光區(qū)域很容易曝光過度；而如果SDR的畫面正常，則HDR畫面看起來會偏暗淡。這個問題也是最初困擾HDR制作的一個關(guān)鍵點，假如我們以HDR作為標準，但是攝像師看到的取景器卻是HDR轉(zhuǎn)換為SDR的畫面，很容易出現(xiàn)主體曝光過度的情況，導致正常拍攝取景都非常困難。

SR LIVE的理念推出，就是希望從根本上解決這個問題。通過在攝像機端合理地設(shè)置HDR和SDR對照關(guān)系參數(shù)，使得在控制一端(如HDR)時；另一端(SDR)可以匹配出合適的效果，使得HDR與SDR畫面能夠兼顧調(diào)整。在這其中，主要需要定義的參數(shù)是HDR GAIN(HDR增益差)和HDR BLACK OFFSET(HDR黑偏移量)(菜單項位于攝像機控制面板RCP-1500的PAINT菜單HDR OPERATION相關(guān)設(shè)置頁面)，如圖3所示。

圖3 HDR GAIN的處理方式

首先，通過主觀對比HDR和SDR兩個同一臺4K攝像機輸出的畫面，設(shè)置HDR GAIN，控制范圍是0～15 dB，每6 dB代表一檔光圈亮度的變化。由于不同環(huán)境下的光比不同，可能主觀設(shè)置的參數(shù)會有差異，一般個人經(jīng)驗是在-6～-9 dB，代表HDR畫面的亮度比SDR畫面高1擋光圈到1.5擋光圈亮度。在廣東衛(wèi)視春晚，我們根據(jù)現(xiàn)場測試，決定使用-9 dB增益值。攝像機是按照HDR效果舒適的光圈值進行控制，而高清畫面由于是采用減增益的控制方式，高清畫面的有效進光量更多，噪點會更小(信噪比增加)。當然這個設(shè)計的副作用，是使得攝像機的光圈需要比過去高清拍攝開得更大，這就對于現(xiàn)場環(huán)境的照度提出更高要求，否則開大光圈也容易導致攝像師聚焦的難度增加(景深變淺)。HDR BLACK OFFSET(HDR黑偏移)是基于HDR的曝光增加，HDR暗部底電平(黑電平)可能比SDR的底電平抬高，為了保證HDR的畫面對比度，可以適當降低數(shù)值，使得HDR的底電平與SDR保持一致。這個參數(shù)并沒有建議數(shù)值，需要參考每一個畫面的不同情況。不過由于本次錄制需要考慮HDR PGM下變換和高清畫面的一致性問題，所以這個參數(shù)并沒有做額外設(shè)置(由于HDR BLACK OFFSET只是針對HDR畫面的對比度調(diào)整，不影響SDR輸出，擔心如果動了BLACK OFFSET的HDR轉(zhuǎn)換后得到的SDR畫面，和高清單掛畫面可能有區(qū)別)。

一定需要注意的是在HDRC-4000的轉(zhuǎn)換菜單中，必須保證和每臺攝像機的HDR GAIN完全相同。也就是說，HDR PGM(相當于每臺攝像機的HDR畫面輸出)，通過HDRC-4000里設(shè)置的HDR GAIN，所得到的下變換HD SDR PGM，與同樣是攝像機單機自己的HD SDR畫面(同樣通過基于本機HDR GAIN設(shè)置的4K HDR畫面轉(zhuǎn)換得到)，用相同的HDR GAIN數(shù)值就能保證畫面的一致性(為了確保單掛高清畫面和通過4K HDR轉(zhuǎn)換得到的HD SDR PGM一致，所有4K攝像機的HDR GAIN也必須設(shè)置成同一個數(shù)值)。

另外，HDRC-4000中的AIR MATCHING功能，也可以輔助更好的將4K HDR的BT2020寬色域特性，更加逼真的映射到ITU-709 SDR色域標準中去。我們在轉(zhuǎn)播車上仔細對比了通過HDRC-4000轉(zhuǎn)換得到的SDR信號，和攝像機本機的HD SDR信號，通過精細控制基本上做到了相同。 還需要注意在HDRC-4000轉(zhuǎn)換器中，需要相應(yīng)打開每個通道的輸出延時OUTPUT DELAY，才能保證轉(zhuǎn)換后的HD SDR PGM畫面，和單掛的單機畫面的相位相一致，避免后期出現(xiàn)錯幀的情況。

4 4K HDR版本后期制作特點

由于本次的錄制時間與播出時間銜接非常緊，后期基本不可能有時間進行精細化的如復(fù)雜調(diào)色等處理(渲染輸出的時間有限)，所以對于前期制作提出了很高的要求，首先導播需要盡可能保證切換的精確性(接近于直播的要求)，減少后期剪輯的壓力；技術(shù)團隊也需要控制好現(xiàn)場攝像機的光比、色彩、影調(diào)等，減少后期替換調(diào)整失誤鏡頭；后期則在精剪、上包裝唱詞的基礎(chǔ)上，盡可能避免復(fù)雜處理(大量畫面校正等)。由于目前4K節(jié)目現(xiàn)場錄制，基本還是采用10 bit 4:2:2的量化取樣方式，而現(xiàn)在的4K HDR播出已經(jīng)從高清過去的8 bit 4:2:0升級為10 bit 4:2:0。這樣對于后期的素材調(diào)整空間來說，會有一定的影響，需要處理的更加精細和小心。特別是針對目前現(xiàn)場制作，無論是前期采用S-LOG3還是HLG的OETF曲線，都能夠覆蓋遠遠超越過去SDR的動態(tài)范圍，這對于白天的外景大光比環(huán)境是很大的優(yōu)勢，但是對于晚會一類的現(xiàn)場布光包括觀眾審美習慣，確實帶來很大的變化。由于綜藝現(xiàn)場布光一直以來是要照顧電視錄制的需要，所以基本光比都控制在6～8檔光圈的動態(tài)范圍，也就是完美覆蓋SDR的范圍，如果轉(zhuǎn)換到HDR而提高了光比，在影調(diào)、反差等方面，會與過去有很大區(qū)別。比如，過去一直以來由于照相機動態(tài)范圍窄，我們習慣了拍攝日落日出，因為反差不會像中午頂光時候那么大，相機可以收納所有的亮部層次信息，同時我們也喜歡早晚時分的光影；而現(xiàn)在照相機性能提升了，拍中午高反差的光比也不會出現(xiàn)曝光過度，可是那樣強烈的光影感受，是否適合用來塑造很多情境呢？這又是藝術(shù)表現(xiàn)方面的問題，也不是一朝一夕說變就變的。

如果布光方式不會根本改變(加大反差)，就會出現(xiàn)一種情況，HDR相當于一個巨大的容器，本可以承載非常多的亮部信息(14檔光圈以上)，但實際現(xiàn)場卻只有很少的有效信息，這就導致在通過10bit進行量化的時候，有很多灰階并沒有發(fā)揮作用(因為量化曲線是不能根據(jù)現(xiàn)場光比變化而動態(tài)調(diào)整的)，也就是原先SDR情況下，可能信息量分配很充分的亮度層次，在HDR錄制時由于量化曲線灰階分布原因，相比SDR曲線，HDR曲線的中灰和暗部層次受到擠壓，記錄下的信息減少。而到了后期，在處理這樣的HDR信號時，如果希望將現(xiàn)有的信息充滿到所有有效的亮度空間范圍(將HDR容器填滿，提高整體反差)，就會放大一些亮度的增益值，這樣就容易產(chǎn)生新的噪點。所以針對像一些需要通過HDR曲線進行錄制、經(jīng)過后期調(diào)色得到理想效果的HDR鏡頭，往往需要通過調(diào)色軟件進行降噪處理。

5 結(jié)語

本次廣東衛(wèi)視春晚能夠高效完成4K HDR和高清SDR版的制作，得到各方團隊緊密配合。在錄制過程中，蔡伏青臺長和4K綜藝頻道總監(jiān)周繁主任都上轉(zhuǎn)播車現(xiàn)場指導，確保了每個環(huán)節(jié)能夠順暢進行。合作伙伴4K花園在前期、后期均派出技術(shù)團隊和相關(guān)負責人現(xiàn)場支持了整個制作過程。通過本次制作，廣東電視臺在4K制作技術(shù)方面有了新的突破，也積累了更為豐富的經(jīng)驗。相信在未來，廣東4K綜藝頻道將會有更多豐富精彩的大型現(xiàn)場節(jié)目通過高品質(zhì)的4K HDR方式呈獻給大家。