對HDR制播過程中調(diào)光細(xì)節(jié)分析

陳 錕 郝旭東

1.2.內(nèi)蒙古廣播電視臺 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010050

1 HDR參考白基準(zhǔn)信號電平的作用

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。見表1。

表1 中列出了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。

表1 PQ 和HLG 制作的基準(zhǔn)信號電平

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。

2 HDR優(yōu)先與SDR優(yōu)先兩種HDR制作流程的區(qū)別

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。

2.1 HDR 優(yōu)先制作流程

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 圖像有很大概率會過曝光。

2.2 SDR 優(yōu)先制作流程

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。

SDR 調(diào) 光 制 作HDR 節(jié) 目 的主要原因如下：

（1）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；

（2）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；

（3）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)；

（4）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；

（5） 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；

（6） 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，HLG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)HLG 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。

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 直播和類似于直播的錄播采用SDR 優(yōu)先的制作流程，以高清SDR 圖像為基準(zhǔn)調(diào)光， 建議用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，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”。

3 常用的HDR播出、傳輸方案

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+、DolbyVision-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SLHDR3）。

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+、DolbyVision 和HLG。廣電總局已經(jīng)確定用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āＴ诓捎肞Q 的HDR 方案中，從兼容性來看DolbyVision 和Philips/Technicolor可以下兼容SDR， HDR10 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 描 述 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)（色溫），最高顯示亮度，最低顯示亮度；MaxFALL （maximumframe-averagelightlevel，最高幀平均亮度電平，簡稱FALL 或平均亮度）和MaxCLL （maximumcontentlightlevel，最高內(nèi)容亮度電平，簡稱CLL 或最高亮度）描述了節(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DolbyVision 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ST2094-10，Philips 是ST2094-20，Technicolor是ST2094-30，因此Philips/Technicolor 方案的動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)是ST2094-20 與ST2094-30 的集合，HDR10+的動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是ST2094-40。

播出、傳輸用PQ 制作的HDR10 或DolbyVision 節(jié) 目 時(shí) 必須同時(shí)傳輸元數(shù)據(jù)， 支持HDR10 或DolbyVision 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HLGHDR 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)和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。