HDR技術在4K超高清電視上的應用研究

王宇宸

（吉林廣播電視臺，吉林 長春 130000）

0 引言

4K超高清電視是現代科技發(fā)展的產物，當前人們投入研究力量非常大，與傳統(tǒng)高清電視對比分析，超高清電視可以全面的提升畫面的質量，有很多先進技術應用到其中，讓畫面的畫質更加的清晰，讓觀眾觀看電視有更好的體驗。在這種技術應用之下，HDR技術可以促進電視畫面質量的提升。如果說4K超高清能夠全面的提升電視節(jié)目分辨力，那么HDR就能夠全面的進行像素質量的提高。HDR的作用就是保證節(jié)目質量滿足要求，體現出更多細節(jié)部分，讓色彩更加豐富，畫面也會更加的生動，讓人看電視有身臨其境的感覺，真正的是“沉浸式”的體驗。電視領域全面發(fā)展，因為高清技術所帶來了革命性轉變，但是還有下述問題：其一，HDR與SDR顯示兼容，就是在播放4KHDR信號時，當前的4KSDR電視機能正常顯示；其二，4KHDR與高清SDR制作兼容，在同一制作系統(tǒng)之下可以制作出兩種節(jié)目。

1 4KSDR制作領域發(fā)展現狀

1.1 4K超高清參數標準

國際無線電通信部門在2012年發(fā)布了新一代的視頻制作與現實系統(tǒng)BT.2020標準，對于超高清視頻的指標做出規(guī)定，結合要求做好參數設定。

圖像畫面的質量干擾性的因素是很多的，不僅包含分辨率、幀率、色域等，還有其他各個方面的因素都會產生影響，所以標清、高清、超高清電視雖然采取的技術是相同的。BT.2020標準的發(fā)布，對于視頻信號來說，性能有了較大的提高。量化深度讓畫面影響和色彩與色彩方面層次、過渡的改變，色域范圍擴大可以促進整個色彩質量的提高，也能夠按照運行的標準要求實現隔行掃描和利用，確保影像數據達到正常運行的標準。

1.2 HDR技術簡要分析

1.2.1 亮度（伽瑪）和色彩空間

各項技術都會有較大的提升，CCD/CMOS和LCD/OLED都能夠達到動態(tài)化運行的標準，擴大運行的范圍，保證圖像有效的展示和應用，滿足動態(tài)性標準和要求，影視制作環(huán)節(jié)應用HDR技術也能夠產生很好的效果。HDR的核心就是促進圖像質量、信息量的提高，同時會形成一個比SDR更大的色彩和亮度坐標系，使得系統(tǒng)傳輸函數發(fā)生改變，讓色域、亮度動態(tài)范圍[1]。

1.2.2 SDR制作流程

當前的電視播放中，會有明顯亮度差問題的出現，物體的亮暗差異比為1015，而肉眼觀察范圍為105左右。分析圖1發(fā)現，結合目前所使用的SDR標準，峰值亮度為100nit；通過電視可以觀看到對比度的差異，攝像機的伽馬控制范圍保持在100%以內。數據制作和傳輸中，可以實現全面的壓縮控制，所以在顯示設備內促進亮度、對比度的提升，轉換階段極易導致信息丟失，并不能準確的賬期其灰度變化范圍[2]。

圖1 SDR制作流程

1.2.3 HDR制作流程

HDR應用之下所形成的HDR監(jiān)視器，峰值亮度超過1000尼特，所以應用到電視內完成圖像對比和應用，攝像機就可以利用數伽馬控制做好動態(tài)化的調節(jié)。為了使得整個拍攝環(huán)節(jié)所產生的影像因素可以完全再現，信號制作環(huán)節(jié)，根據要求滿足HDR標準，且實施亮度壓縮處理，滿足105要求，具體流程如圖2[3]。

圖2 HDR制作流程

1.2.4 HDR難點

電視畫面中，從高清的狀態(tài)轉化為超高清的狀態(tài)，可以全面的提升像素質量，碼率也會有很大的提升。HDR能夠進行各項動態(tài)化信息轉化和應用，保證色彩和亮度灰階量實現完全控制，也會讓亮度、對比度都會調整到合理范圍內，適用范圍也會有所擴大，然后進行拍攝、制作，顯示各項信息，保證各項性能得到提升，滿足觀察要求。此外，制作與顯示中，應該完全的消除HDR和當前的標清/高清SDR兼容方面的問題，促進系統(tǒng)有效的運行[4]。

2 HDR在4K超高清電視的應用

某電視臺現行試驗運行，在4K超高清電視領域進行了深入的探索，總結出豐富的經驗。電視臺在規(guī)劃設計4K超高清節(jié)目制作環(huán)節(jié)，提高節(jié)目制作的水平，并且實現認證授權和應用，然后就是制作成為HDR播出格式方面選擇HLG進行制作[5]。

2.1 HDR制作

2.1.1 HDR拍攝

拍攝環(huán)節(jié)，結合不同節(jié)目質量標準和4KHDR攝像機的性能方面，選擇使用多種記錄格式使用。經過超高畫質電視節(jié)目制作和應用，再使用伽馬、BT.2020色域進行拍攝，2～16比特的RAW編碼格式記錄。如果制作常規(guī)節(jié)目，需要實現全面的分析和研究，在攝像機運行格式支持下，直接通過HLG格式記錄，如果無法支持HLG，應用對數(Log)伽馬格式進行制作記錄也可以，但是在輸出時還要轉化成為HLG格式播出[6]。

對于4KHDR直播，選擇HLG/1000尼特、BT.2020色域，可以將信號都傳輸到總控系統(tǒng)內。4KHDR錄制時，可以直接將其調整為HLG或Log，BT.2020色域。4K超高清攝像機輸出之下轉換成為高清的信號形式，可以進行高清直播或者錄制。在具體的操作環(huán)節(jié)，要想使得HDR和SDR畫面的各個方面質量指標都相同。

2.1.2 HDR后期制作

電視節(jié)目在后期制作環(huán)節(jié)，如果選擇應用的是超高畫質方面來進行處理，通過應用HLG或Log格式進行，Log應用的是中間片形式，然后應用RAW格式文件套片制作，直接轉化為低碼率的代理文件，利用編輯之后可以制作為成品文件，然后再傳輸到編輯工作系統(tǒng)內，經過處理后合成HLG視頻。RAW成像器可以更好的形成圖像數據信息，可以保證色彩的豐富性，經過后期制作，利用ACES全彩調色。質量要求相對較低的節(jié)目，利用HLG或Log格式制作，Log通常是中間片的形式，然后再調色進行，這時的圖片制作效率的有效提升。而應用HLG只是可以進行素材傳輸軟件的作用，然后進行HLG的視頻剪輯，也不會調色進行，可以保證最終制作成為畫面質量非常高的HDR視頻。經過制作工作結束后，就能夠達到節(jié)目觀看的要求，滿足輸出的標準，制作為4K文件與高清文件，變換之后完成可以進行色域、亮度調節(jié)，使得畫面色彩保真，也能夠滿足當前的節(jié)目觀看的要求。

2.1.3 HDR監(jiān)看

監(jiān)視器是目前后期制作中關鍵性設備，保證圖像質量符合要求。制作HLG應該通過HDR監(jiān)視器、SDR監(jiān)視器可以同時進行HDR與SDR顯示的觀看了解，HDR監(jiān)視器亮度層次會表現正常，而SDR監(jiān)視器會有較暗的情況存在。HDR監(jiān)視器要保證亮度超過600尼特，最好是超過1000，動態(tài)范圍至少10000:1，色域BT.2020。通過監(jiān)看小尺寸取景完成拍攝時，通過波監(jiān)圖形、直方圖、斑馬線等進行各個方面的曝光控制，如有條件，可以利用HDR波形監(jiān)視器進行，也需要應用彩色亮度計等進行曝光的控制。調色操作階段，利用軟件中存在的示波器進行波形監(jiān)視，最高亮度要限定在柱監(jiān)控器的最高亮度相應參數。

2.2 HDR播出傳輸及顯示

輸出HLG制作的HDR節(jié)目的情況下，需要播出編碼中需要插入HLG識別符。對于支持HLG的HDR電視機接收到了HLG識別符后會自動轉化成為HLG模式，亮度不同的電視機也會進行亮度自動調整，讓整個電視內的平均亮度差異下降。

機頂盒如果使用的是HDMI2.0及以上接口，就具備較高的HDR電視機顯示能力，可以通過進行試配處理以滿足正常的播放需要。如果電視機是BT.2020色域的SDR電視，由于HLG對SDR的兼容性，機頂盒可以根據信號要求直接輸出信號。

3 結語

雖然4K超高清電視并不說一定就會具備HDR功能，有HDR功能也不一定是4K電視，但是HDR技術的全面應用，4K電視的播放效果得到提升，從這個方面出發(fā)，HDR技術的應用，讓觀影的質量得到提升，并且目前的4KHDR電視機已經全面的應用到實際生活中，必然會給人們帶來更好的觀看體驗，也會讓很多觀眾的用戶可以在家中享受到影院級的觀看的效果，促進觀影質量和感受的提升。