4K超高清節(jié)目制作中的問題與解決方法

梁愛華，黃凱樂

（廣東廣播電視臺，廣東 廣州 510088）

0 引 言

自2018年10月16日4K頻道正式開播以來，廣東廣播電視臺充分利用廣東4K電視的先發(fā)優(yōu)勢，抓住廣東省政府積極籌辦4K頻道的戰(zhàn)略機遇，進行了大量4K超高清節(jié)目的制作實踐。筆者所在的電視制作事業(yè)部陸續(xù)參與了《通海夷道——絲路上的嶺南文化》《秘境神草》第二季及《老廣的味道》第四季等原創(chuàng)紀錄片的拍攝制作工作。在實際4K超高清節(jié)目制作過程中，遇到的問題較多。有些問題需要結(jié)合技術(shù)指標要求和節(jié)目制作流程進行充分思考，才能制作出高質(zhì)量的圖像畫面。因此，本文將結(jié)合筆者的一線工作經(jīng)歷，探討常見的問題及對應(yīng)的解決方案。

1 前期拍攝技術(shù)要求探索

目前，廣東廣播電視臺的紀錄片和宣傳片大量采用4K技術(shù)拍攝。4K畫面圖像清晰度更高，亮度色彩表現(xiàn)更豐富，下變換為高清畫面比直接用高清技術(shù)拍攝的質(zhì)量更高。拍攝前，要按照指標參數(shù)對攝像機的記錄格式和編碼等技術(shù)參數(shù)進行基本設(shè)置，以確保拍攝的畫面符合4K超高清技術(shù)指標要求。同時，要結(jié)合不同廠家攝像機的實際特性和具體拍攝環(huán)境要求，對伽馬曲線、壓縮方式及音頻處理方式等技術(shù)參數(shù)進行設(shè)置，以確保拍攝畫面的高質(zhì)量要求。隨著4K超高清電視技術(shù)的不斷發(fā)展，目前攝像機生產(chǎn)廠家在高動態(tài)范圍格式等技術(shù)參數(shù)上依然保留有各自的特點，給后期制作設(shè)備的技術(shù)參數(shù)識別匹配帶來了一定的困難［1］。因此，前期拍攝人員有必要記錄技術(shù)參數(shù)，以確保節(jié)目后期制作的準確性。

1.1 選擇高動態(tài)范圍曲線的方法

高動態(tài)范圍曲線也叫伽馬曲線。4K超高清技術(shù)在亮度和對比度范圍方面的提升，使得技術(shù)人員有更好的手段保留畫面中的高光和陰影中的層次和細節(jié)。目前，不同廠商的攝像機都有自己定義的伽馬曲線，如何理解并正確選擇攝像機伽馬曲線，是外拍時需要認真對待的問題。

廣東廣播電視臺4K超高清電視播出采用HLG標準，因此在后期制作中輸出應(yīng)選擇HLG曲線。但是，一些早期攝像機卻沒有配置HLG曲線。為了盡量減少后期曲線轉(zhuǎn)換對畫面效果的影響，攝像師必須了解不同型號攝像機內(nèi)置多種廠家轉(zhuǎn)換曲線的特性，盡量選擇與HLG動態(tài)范圍接近的轉(zhuǎn)換曲線，如Panasonic攝像機的V-Log曲線、Arri攝像機的LogC曲線以及Sony攝像機的S-Log2曲線等。

在實際制作中，伽馬曲線的選擇不應(yīng)被固化。攝像師應(yīng)該結(jié)合場景和創(chuàng)作意圖合理選擇伽馬曲線，以創(chuàng)造更好的畫面效果。以Sony攝像機的Slog伽馬曲線為例，常用的有Slog2和Slog3曲線。Slog2比Slog3在暗部壓得更低，人眼看畫面覺得Slog2的暗部噪點更低，但是暗部的層次較少［2］。在18%灰度時，Slog2的亮度比Slog3低，從陰影到膚色的層次過渡更明快。高光部分寬容度方面，Slog3比Slog2要大1.5檔，更適合表現(xiàn)高光的細節(jié)。因此，在實際拍攝過程中，如果拍攝主體以中灰為主，在動態(tài)范圍不大的環(huán)境下，采用Slog2曲線拍攝可以有效降低噪點，也可呈現(xiàn)應(yīng)有的層次；在高反差拍攝條件如海邊、沙漠及雪地等既有高亮又有陰影暗部環(huán)境下拍攝時，可采用高動態(tài)的Slog3曲線，因為畫面主體以高亮為主，在反映暗部層次的同時，可以更多呈現(xiàn)出亮部的層次細節(jié)。另外，超高清拍攝比高清拍攝對光亮度的要求更高，因此在主題環(huán)境為暗部的環(huán)境下拍攝時，兩種曲線都會產(chǎn)生噪點，只能通過補光手段降低畫面噪點。此時，用Slog2效果更好。

1.2 4K高幀率畫面的解決方法

高幀率拍攝已經(jīng)成為電視制作的常用手法，但由于目前各廠商生產(chǎn)的4K攝像機幀率普遍較低，除了訊道攝像機已經(jīng)有高于50幀幀率的機器外，新聞采訪外拍（Electronic News Gathering，ENG）攝像機的最大幀率只有60P，因此目前4K高幀率畫面的拍攝手段很少。經(jīng)過實踐，可行的解決辦法是使用6K和8K攝像機進行4K超高清錄制。雖然攝像機在6K和8K狀態(tài)下最大幀率都只有60P，但設(shè)置為4K超高清錄制狀態(tài)后，可以大幅提高拍攝幀率，甚至可以達到240 f/s，可拍攝到接近5倍速的畫面。

在實踐中,有攝像師嘗試把攝像機設(shè)置為25P、幀率設(shè)為50P進行拍攝，希望達到2倍速的拍攝效果。但是，由于實際幀率沒變，實際效果與用50P正常拍攝、后期把播放速度減半的效果差別不大，但對前期拍攝存在一定的影響，如攝像機同步收錄聲音等，因此不建議使用這種方法。

2 4K后期制作性能提升探索

2.1 加強軟件及系統(tǒng)處理能力

4K素材基帶碼率較高，會影響后期制作環(huán)節(jié)的實時性能。廣東廣播電視臺通過與非編廠家共同試驗，提升了4K圖像處理效率，實現(xiàn)了4K源碼多軌實時剪輯，使4K HDR電視節(jié)目的快速制作成為可能。在節(jié)目生產(chǎn)過程中，主要針對3個問題進行技術(shù)優(yōu)化和創(chuàng)新。

2.1.1 計算機資源優(yōu)化

后期制作系統(tǒng)普遍采用CPU+GPU的高效渲染架構(gòu)。其中，CPU主要負責邏輯運算，GPU主要負責圖像處理。后期制作系統(tǒng)用于4K節(jié)目后期制作，意味著要處理高清視頻幾十倍的數(shù)據(jù)量，且色彩上也涉及到更復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和處理，因此需要調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部處理邏輯，優(yōu)化計算資源，以提升制作的實時性能［3］。

2.1.2 半幅編輯技術(shù)

經(jīng)過測試，在存儲設(shè)備能夠提供足夠帶寬的情況下，影響4K編輯效率的主要瓶頸在于CPU與GPU的上下行帶寬，因此提出可通過減少CPU與GPU上下行的數(shù)據(jù)量來提高4K編輯效率。具體地，在CPU處理圖像后將畫面的垂直分辨率減半，即分辨率由原始的3 840×2 160變?yōu)? 840×1 080，減少圖像的數(shù)據(jù)量。之后將3 840×1 080的圖像傳輸給GPU，由GPU做垂直分辨率上的拷貝，還原成3 840×2 160的圖像。以XAVC-Intra class300為例，通過此方法編輯實時性能至少提高50%，可進一步縮小4K后期制作與高清后期制作效率上的差距。盡管這樣處理會在一定程度上降低輸出監(jiān)看畫面的清晰程度，但是畫面質(zhì)量仍然明顯優(yōu)于4K的代理碼率。在監(jiān)看方面能夠承受的范圍內(nèi)，用少許畫質(zhì)的降低可換取4K編輯效率的提升。

2.1.3 色彩空間自動管理

要使來源不同的4K超高清素材在制作系統(tǒng)內(nèi)還原“本來面目”，需要系統(tǒng)能夠準確還原素材在拍攝時的顏色。早期最常用來進行統(tǒng)一色彩轉(zhuǎn)換的方式是顏色查找表（Look Up Table，LUT），一種通過修改色相、飽和度及亮度值，精確將源圖像的RGB值變?yōu)榱硪唤M新的RGB值的方法。LUT通過矩陣映射的方式控制素材的色域/伽馬，從矩陣A映射到矩陣B，完成從色彩信息A到色彩信息B的轉(zhuǎn)換［4］。

通過LUT表進行色彩空間和伽馬轉(zhuǎn)換需要一一對應(yīng)，會引發(fā)兩個問題：一是當素材來源復(fù)雜時，需要套用多種包含專業(yè)參數(shù)的LUT，而后期編輯人員對這些信息了解不深入；二是每一種素材都需要套用一個對應(yīng)的LUT，操作過程復(fù)雜煩瑣，容易出錯。因此，實現(xiàn)色彩空間的自動化識別和管理，成為實現(xiàn)4K HDR電視快速制作的重點環(huán)節(jié)。

4K素材的色彩管理主要包括對色域進行管理（源色彩空間轉(zhuǎn)換到目標色彩空間）和對伽馬進行管理（源伽馬曲線轉(zhuǎn)換到目標伽馬曲線）兩種處理過程?；谶@兩種處理過程，制作系統(tǒng)會通過以下3個步驟對素材A進行色彩管理。

（1）LogA→Linear。將素材A的伽馬去掉，使之變?yōu)榫€性素材。部分素材本身就是線性素材，Gamma信息為空，如RAW格式素材，在轉(zhuǎn)換時不需要去伽馬，可直接進行色彩空間轉(zhuǎn)換。

（2）Color space A→Color space B。將線性素材的源色域轉(zhuǎn)為目標色域。

（3）Linear→LogB。為線性素材添加目標伽馬，得到目標素材B。

只要將每一種轉(zhuǎn)換的處理過程編制在非編軟件內(nèi)，即可完成色彩空間的自動轉(zhuǎn)換。后期編輯人員在進行制作時無需考慮素材的“源色域/伽馬”，也無需多次套用LUT文件，只需將素材拖拽至正在編輯的時間線上，相應(yīng)的軟件就能自動完成轉(zhuǎn)換。這樣既降低了后期編輯人員的學習成本，又提高了制作的生產(chǎn)效率，解決了4K超高清規(guī)?；a(chǎn)的一大難題。

2.2 優(yōu)化軟件上下變換

隨著4K電視頻道的開播，出現(xiàn)了4K超高清和高清兩版節(jié)目同步制作和播出的情況。色彩管理過程會涉及高清素材上變換到4K節(jié)目使用和4K節(jié)目下變換輸出高清視頻內(nèi)容。上變換要求輸出的4K視頻效果與變換前的高清素材效果保持一致；下變換要求輸出的高清視頻盡量還原變換前的4K視頻效果。以此為目標，優(yōu)化4K/高清上下變換工藝。

2.2.1 高清上變換4K

測試發(fā)現(xiàn)，如果高清素材不進行上變換而直接在4K設(shè)備上播放使用，會出現(xiàn)整體畫面過暗的問題。對此，ITU組織頒發(fā)的BT.2390標準定義了上變換的轉(zhuǎn)換算法，如圖 1所示［5］。

圖1 BT.2390標準定義的上變換算法

將高清素材的BT.709色域統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為BT.2020色域后再進行亮度映射。由于SDR向HDR轉(zhuǎn)換時要以SDR畫面的白色為基準，因此若要保持轉(zhuǎn)換前后基準白的顏色相同，要求映射后的HDR畫面最高亮度不應(yīng)超過203 nits。具體來說，應(yīng)提升圖像高亮部分，加載與之相對應(yīng)的LUT進行上變換，使其觀感更好。電平映射關(guān)系如表1所示。這個工藝流程解決了規(guī)?；a(chǎn)中高清素材快速上變換的問題。

表1 SDR非圖文信號上變換電平映射關(guān)系

2.2.2 4K下變換高清

針對4K節(jié)目下變換至高清，ITU BT.2390標準也給出了相關(guān)的思路。在進行下變換時，色域根據(jù)對應(yīng)的標準一對一進行映射，但需要更多考慮動態(tài)曲線的轉(zhuǎn)換，即伽馬的轉(zhuǎn)換。對不同的下變換方式進行測試發(fā)現(xiàn)：整體壓縮的方法會導(dǎo)致圖像整體過暗；裁切高亮部分的方法會導(dǎo)致圖像過曝；設(shè)立亮度拐點，適當壓縮亮度超過拐點的部分，完好保留亮度低于拐點的部分，能夠最大程度保留HDR的畫面，如圖2所示。

因此，目前廣東廣播電視臺4K下變換都采用設(shè)置亮度拐點的方式進行處理，而拐點的設(shè)置也從設(shè)置一個拐點不斷完善為設(shè)置多個拐點，同時給編導(dǎo)開放了根據(jù)不同場景進行自主調(diào)整的權(quán)限。隨著技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化，廣東廣播電視臺已經(jīng)可以通過圖像自動識別來調(diào)整亮度拐點，從而進一步提高4K下變換的質(zhì)量。

圖2 原4K畫面與下變換畫面對比

靜態(tài)下變換可通過設(shè)置增益差或加載LUT實現(xiàn)。使用索尼攝像機和下變換器時，當75%HLG電平映射到100%HD SDR電平（拐點打開）時，下變換設(shè)備的增益設(shè)置如表2所示。適當加大增益差，將75%HLG電平映射到90%HD SDR電平，可以使HD SDR圖像保留更多的高動態(tài)信息。

表2 SONY HDRC-4000靜態(tài)下變換增益設(shè)置

使用GV攝像機和下變換器時，為使GV攝像機的SDR輸出信號和經(jīng)過下變換的HD PGM輸出信號盡量接近，GV攝像機可參考表3的參數(shù)進行設(shè)置調(diào)整，下變換設(shè)備可參照表4的典型電平映射關(guān)系進行設(shè)置，或進行一定的調(diào)整以獲得更好的觀感，也可加載相應(yīng)的LUT進行下變換。

3 云化節(jié)目生產(chǎn)探索

4K節(jié)目的云化制作是技術(shù)發(fā)展的目標。在4K頻道建設(shè)初期，4K非編系統(tǒng)軟件的功能和硬件處理能力都達不到4K后期制作的要求，只能采用純單機模式。這種模式制作起步快，配置相對靈活，但工作協(xié)同性弱，資源調(diào)配不夠靈活。廣東廣播電視臺從2018年開始搭建基于云桌面的4K制作系統(tǒng)，能配合頻道的流水線協(xié)同制作。4K網(wǎng)絡(luò)化節(jié)目生產(chǎn)的基礎(chǔ)是高帶寬和低延時。廣東廣播電視臺經(jīng)過近兩年的技術(shù)發(fā)展與反復(fù)測試，確定IP化分布式存儲設(shè)備能夠支撐穩(wěn)定的高帶寬，最終在成本可控的前提下，實現(xiàn)了4K超高清節(jié)目的源碼流在線實時制作。在傳統(tǒng)的高清元數(shù)據(jù)上增加有關(guān)于色域、HDR及音頻等各個方面的信息，構(gòu)成了一個完整的4K HDR網(wǎng)絡(luò)化制作系統(tǒng)。就目前業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的非編系統(tǒng)來看，該系統(tǒng)在實時性能方面基本能夠達到5層以上的4K 50P XAVC-Intra Class 300素材的實時編輯。在此性能基礎(chǔ)上配合自動化色彩管理和寬色域高動態(tài)技術(shù)監(jiān)測工具，在保證4K HDR色彩正確轉(zhuǎn)換的同時，能保證4K超高清節(jié)目的生產(chǎn)效率，順利應(yīng)對目前包括專題片、綜藝片、體育及新聞等各類節(jié)目的制作。

表3 GV攝像機主要參數(shù)設(shè)置

表4 推薦的靜態(tài)下變換電平映射關(guān)系

4 結(jié) 語

經(jīng)過3年多的快速推進，廣東廣播電視臺已經(jīng)構(gòu)建起4K電視節(jié)目制作播出的基本鏈條，實現(xiàn)了4K電視節(jié)目的“采編播發(fā)管存”工藝生產(chǎn)全流程，具備支撐一個直播頻道在IPTV和有線電視網(wǎng)絡(luò)同步播出的技術(shù)能力。目前，4K產(chǎn)業(yè)鏈還處于起步階段，其發(fā)展環(huán)境、產(chǎn)業(yè)支撐條件、節(jié)目業(yè)態(tài)以及相關(guān)技術(shù)標準等都還有待完善。高質(zhì)高效地生產(chǎn)4K節(jié)目、實現(xiàn)4K/高清協(xié)同制作，將是4K技術(shù)發(fā)展的方向。