4K超高清和高清電視同播系統(tǒng)的下變換技術(shù)探討

王 偉

（天津海河傳媒中心，天津 300221）

0 引 言

目前，我國廣播電視技術(shù)發(fā)展日新月異，超高清電視正快步走來，國內(nèi)多家電視臺正在大力推進4K超高清制播體系的建設(shè)。然而，由于我國絕大多數(shù)電視觀眾的電視機和機頂盒還是高清制式的，因此在今后相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，超高清和高清電視頻道將會共存。2022年，廣播電視行業(yè)被納入“特困”行業(yè)名單。各家電視臺為了節(jié)約資金，對于同一套電視節(jié)目，基本上不會建設(shè)兩套播出系統(tǒng)：一套用于4K超高清信號對外播出，另一套用于高清信號對外播出。因此，現(xiàn)在各電視臺在建設(shè)4K超高清電視頻道時，仍要兼顧高清信號的播出，也就是要建設(shè)4K超高清和高清電視同播系統(tǒng)。

1 4K超高清和高清同播系統(tǒng)

4K超高清節(jié)目畫面明暗細節(jié)更加豐富，明亮處效果鮮亮，黑暗處能夠保留更多細節(jié)，體現(xiàn)出高動態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）畫面的高動態(tài)范圍優(yōu)點，同時，下變換后的高清信號要符合高清電視節(jié)目播出技術(shù)質(zhì)量的要求?，F(xiàn)在，4K超高清轉(zhuǎn)播車、4K超高清演播室、4K超高清制作網(wǎng)越來越多，超高清電視劇、電影等節(jié)目資源越來越豐富，因此，超高清和高清同播系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)依據(jù)“就高”原則，即整個播出流程均采用4K超高清信號，包括外來線路信號、文件化推送播出、臺標(biāo)疊加以及圖文字幕包裝等。另外，在建設(shè)4K超高清和高清電視同播系統(tǒng)時，整個系統(tǒng)所有設(shè)備都應(yīng)該采用4K超高清設(shè)備，這樣可以避免反復(fù)進行節(jié)目素材的上、下變換，因為每變換一次就會對原圖像質(zhì)量造成一次損失[1]。

無論是采用12G-SDI傳統(tǒng)基帶信號的播出系統(tǒng)，還是基于SMPTE ST2110的IP播出系統(tǒng)，4K超高清和高清同播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致如圖1所示。

圖1 4K超高清和高清同播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

信號源部分包括主備視頻服務(wù)器信號、系統(tǒng)公共信號、總控調(diào)度矩陣信號以及異構(gòu)的第二備通路信號等。信號源盡可能使用4K超高清信號，如果轉(zhuǎn)播外臺的節(jié)目，只有高清線路信號，則需要使用上變換器把外來信號轉(zhuǎn)變?yōu)?K超高清信號，然后進入矩陣開關(guān)。多個4K超高清頻道同時用高清信號直播的可能性很低，為了避免上變換器的浪費，可用總控調(diào)度矩陣環(huán)接兩臺上變換器，供多個頻道共用[2]。

總控調(diào)度矩陣接收到需在4K超高清頻道播出的高清外來信號后，把信號切換到上變換器。上變換器輸出符合標(biāo)準(zhǔn)的4K超高清信號，環(huán)接送回總控調(diào)度矩陣。最后，總控調(diào)度矩陣把上變換后的4K超高清外來信號送4K超高清分控播出。通過鍵控器疊加上臺標(biāo)、字幕、時鐘信號。主通路、備通路、異構(gòu)的第二備視頻服務(wù)器、循環(huán)墊片信號進入末級4選一切換開關(guān)，之后進入視頻分配放大器，其中一路輸出4K超高清信號對外播出，視分輸出的另一路經(jīng)過下變換器，對外輸出高清信號。這樣，通過一套播出系統(tǒng)，實現(xiàn)同時播出4K超高清和高清兩套電視節(jié)目，在保證4K超高清圖像質(zhì)量指標(biāo)滿足要求的同時，也確保轉(zhuǎn)換后的高清信號圖像質(zhì)量足夠好[3]。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安全性高，人員和設(shè)備成本顯著降低，同時也最大限度地減少反復(fù)上變換和下變換帶來的畫面亮度過低或過高、色彩失真等問題，信號質(zhì)量最好。

2 4K超高清電視信號下變換為高清電視信號技術(shù)難點

實際上，建設(shè)4K超高清和高清電視同播系統(tǒng)，用同一套播出設(shè)備，既要保證4K超高清電視節(jié)目的技術(shù)指標(biāo)，又要確保高清節(jié)目的技術(shù)質(zhì)量，這樣做難度非常大，甚至遠遠超過了高清和標(biāo)清電視節(jié)目同播的要求。與高清信號相比，4K超高清電視信號除了16∶9的寬高比沒有改變，在量化深度、色域范圍、掃描方式、幀率和亮度顯示方面都不一樣，因此要實現(xiàn)相互兼容，問題更加復(fù)雜。4K超高清電視信號和高清電視信號的主要技術(shù)參數(shù)比較如表1所示。

表1 4K超高清和高清電視信號主要技術(shù)參數(shù)比較

4K超高清和高清電視同播系統(tǒng)的技術(shù)難點在于，4K超高清（4K HDR）電視相對于高清（HD SDR）電視，分辨率提高了整整4倍，亮度指標(biāo)更是增強了10倍，色彩豐富度也增加了1.5倍。HDR建立了一個比標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)范圍（Standard Dynamic Range，SDR）更大的色彩、亮度坐標(biāo)體系并改變系統(tǒng)的傳輸函數(shù)，以再現(xiàn)更大的色域和更高的亮度動態(tài)范圍，如圖2所示。圖2中，空間是色域和亮度（伽瑪）構(gòu)成的立方體，小立方體是傳統(tǒng)高清SDR電視空間（100 nit、電視伽瑪），小立方體底面積是傳統(tǒng)的高清SDR電視BT.709的色域；大立方體是超高清HDR電視空間（10 000nit、對數(shù)伽瑪），大立方體底面積是超高清HDR電視BT.2020色域。該圖直觀地描述出超高清HDR、高清SDR彩色、亮度和對比度的區(qū)別。

圖2 4K超高清和高清電視的亮度、色域比較

建設(shè)4K超高清和高清同播系統(tǒng)時，通過下變換器實現(xiàn)4K HDR到HD SDR信號的轉(zhuǎn)換，這一過程會涉及動態(tài)范圍HDR和SDR、色域BT.2020和BT.709之間的映射關(guān)系。HDR建立了一個比SDR更大的亮度和色度坐標(biāo)體系，并改變了系統(tǒng)的傳輸函數(shù)，用以再現(xiàn)更高亮度動態(tài)范圍和更大色域。因此，HDR和SDR的OETF（光電轉(zhuǎn)換特性）和EOTF（電光轉(zhuǎn)換特性）有很大的不同。國家廣播電視總局規(guī)定了HLG伽瑪曲線，色域也從Rec.709擴展到了Rec.2020。Rec.2020的色域，大約是Rec.709色域面積的兩倍，所以對于4K超高清HDR的圖像，色彩超出SDR范圍的那部分，SDR的顯示器無法正確還原。

3 4K超高清電視信號下變換為高清電視信號過程

4K超高清信號下變換到高清信號，第一步是要完成分辨率和幀率的變換。分辨率從3 840×2 160下變換到1 920×1 080，幀率從50場逐行掃描下變換到50場隔行掃描。這一過程相對簡單，目前已經(jīng)能夠通過軟件實現(xiàn)并迭代了多代算法，并獲得了良好的主觀評測。

難度最大的是要完成HDR到SDR的變換，包括電平、伽瑪、色域的映射。色域從BT.2020下變換到BT.709，量化深度從10 bit下變換到8 bit，亮度范圍從HDR（HLG）下變換到SDR。這一過程簡單來說就是利用算法對4K超高清電視畫面進行分析，自動計算出動態(tài)元數(shù)據(jù)，并依據(jù)該元數(shù)據(jù)進行亮度映射算法生成觀看舒適的SDR信號輸出。為了保證4K超高清播出信號經(jīng)過下變換器后輸出的高清信號符合國家廣播電視總局在清晰度、動態(tài)范圍、色域等性能指標(biāo)方面的相關(guān)規(guī)定，要對下變換器的相關(guān)參數(shù)設(shè)置進行測試、調(diào)整。下變換最重要的是亮度轉(zhuǎn)換曲線的問題。HDR能夠呈現(xiàn)100 000∶1的動態(tài)范圍，為了用10 bit或者12 bit的數(shù)據(jù)來表示100 000個灰度級，HDR采用非線性曲線轉(zhuǎn)換圖像的高亮度部分，來獲得更好的圖像顯示效果，其中HLG曲線應(yīng)用最為廣泛[4]。HLG以1 000 nit作為峰值亮度的基準(zhǔn)，定義了一個相對的亮度轉(zhuǎn)換曲線。因此，下變換器的工作參數(shù)和顯示參數(shù)設(shè)置要審慎，需合理處理灰度層次、色彩、峰值亮度與動態(tài)范圍的關(guān)系，減小灰度層次和色彩的損失。

4 下變換器的實現(xiàn)

實現(xiàn)4K超高清電視信號下變換為高清電視信號的設(shè)備就是下變換器。下變換器可以分為固定參數(shù)變換器（技術(shù)類型變換器）和動態(tài)參數(shù)變換器（藝術(shù)類型變換器）兩種。

固定參數(shù)下變換器的轉(zhuǎn)換方法是基于OETF、EOTF、映射的方法以及色域的轉(zhuǎn)換公式開發(fā)的，采用技術(shù)邏輯為主，藝術(shù)邏輯為輔助，所有的變換都是根據(jù)顯示參考、場景參考、色域轉(zhuǎn)換、色調(diào)映射的計算公式完成的。根據(jù)實際需求設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)后，就可以得到下變換后的高清信號。“固定參數(shù)”下變換這種方式比較簡單，缺點是亮度映射曲線是“固定亮度值”的簡單映射關(guān)系，很難適配各種各樣的電視節(jié)目類型。當(dāng)采用固定參數(shù)下變換時，在畫面主體亮度超過1 000 nit時，下變換后的高清圖像會出現(xiàn)大塊的白限幅，會嚴(yán)重影響圖像的質(zhì)量[5]。

動態(tài)參數(shù)下變換器是以人眼睛的視覺感受為基礎(chǔ)，變換得到的結(jié)果也是基于藝術(shù)體驗得到的。“動態(tài)參數(shù)”變換的亮度映射采用的是動態(tài)方式，在變換過程中，亮度映射曲線依據(jù)每一幀圖像的亮度值信息計算得出。下變換器的參數(shù)是從調(diào)色師的角度處理動態(tài)范圍、色域和伽瑪?shù)霓D(zhuǎn)換，藝術(shù)邏輯為主，技術(shù)邏輯為輔助，不再需要進行參數(shù)的設(shè)置，就能夠在設(shè)備的輸出端得到變換后的高清信號。目前，動態(tài)參數(shù)下變換器還處于試驗階段，輸出效果還不能完全符合國家相關(guān)技術(shù)要求。

此外，客觀測試也并不能完全反映下變換后信號的質(zhì)量，還需要對其進行主觀評價測試，比較下變換器的性能，應(yīng)對清晰度處理能力、畫面層次處理能力、色彩還原能力、運動特性等進行綜合的考慮。按照國家廣播電視總局《4K超高清視頻圖像質(zhì)量主觀評價用測試圖像》的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)實際的使用需要，選用一定數(shù)量具有不同圖像特性的測試圖像，找一個相對兼顧的參數(shù)值[6]。

5 下變換器的功能要求

選購下變換器時，需要特別關(guān)注以下功能要求。

（1）輸入、輸出接口。對于傳統(tǒng)的12G-SDI基帶信號系統(tǒng)，需要有支持12G-SDI輸入、輸出的接口。對于IP系統(tǒng)，需要有支持10GE光接口、25GE光接口、40GE光接口或者100GE光輸入、輸出接口。

（2）映射模式。支持DR模式或者SR模式，或者兩種模式都支持。

（3）同步鎖相。支持黑場BB信號或者三電平同步信號。如果是IP系統(tǒng)，需要支持高精度時間同步協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）同步信號。

（4）操作控制和參數(shù)設(shè)置。能通過控制面板或者遙控面板對下變換器進行操作控制和參數(shù)配置，最好能通過網(wǎng)管對設(shè)備進行操作控制和參數(shù)配置。

（5）信號輸出。輸出的高清晰度信號格式應(yīng)符合高清晰度電視節(jié)目制作及交換用視頻參數(shù)值（GY/T 155—2000）和演播室高清晰度電視數(shù)字視頻信號接口（GY/T 157—2000）中的有關(guān)規(guī)定。

6 下變換器指標(biāo)實測

不同品牌的下變換器有各自的特點。例如，SONY公司在4K超高清下變換高清信號研究上起步比較早，技術(shù)比較成熟。本文選擇SONY HDRC-4000下變換器進行實測。

6.1 關(guān)鍵亮度指標(biāo)要求

HDR參考白電平為203 nit，75%HLG；主持人膚色電平參考值為100 nit，63%HLG；底電平參考值為2.2 nit，13%HLG。在1 000 nit監(jiān)視器上顯示的77% HLG的HDR參考白基準(zhǔn)亮度為230 nit。將230 nit作為SDR與HDR內(nèi)容的分界線，高于230 nit的高光部分是HDR內(nèi)容，只有HDR電視才能正常再現(xiàn)。下變換到高清SDR后，這些高亮信息被壓縮到只占用了很少電平和亮度資源的拐點部分，低于230 nit的部分都能夠在SDR電視上展現(xiàn)。

6.2 映射關(guān)系參數(shù)設(shè)置測試

鑒于4K超高清電視畫面中，大部分對象還是SDR范圍內(nèi)的亮度，最大亮度大多不超過1 000 nit，如果參數(shù)值過低，則4K超高清電視畫面偏暗；如果參數(shù)設(shè)置過高，則4K超高清電視畫面動態(tài)范圍就會縮小。經(jīng)過大量的測試和綜合比較，本文確定了對4K HDR和高清SDR都能夠兼顧的平衡點。當(dāng)使用100%的SDR為基準(zhǔn)電平時，在SDR拐點KNEE關(guān)閉的情況下，79%的HLG的輸入電平映射為100%的SDR輸出電平。當(dāng)使用75%的SDR為基準(zhǔn)電平時，在SDR拐點KNEE打開的情況下，75%的HLG的輸入電平映射為90%的SDR輸出電平。

6.3 輸入信號源

輸入信號源選用BT.2111的標(biāo)準(zhǔn)彩條，經(jīng)過下變換器輸出信號，輸入到高清波形監(jiān)視器。觀測75%HLG電平下變換輸出的SDR電平，微調(diào)相應(yīng)參數(shù)值，使其位于90%電平位置。

6.4 轉(zhuǎn)換增益參數(shù)調(diào)整

轉(zhuǎn)換增益是下變換器最重要的參數(shù)之一，用來調(diào)整4K HDR到高清SDR亮度的映射關(guān)系。根據(jù)實測驗證，對于HLG-LIVE，Air Matching設(shè)置為ON時，采用79%的HLG的輸入電平映射為100%的SDR輸出電平，下變換增益設(shè)置為-7 dB時，綜合效果最好。

6.5 色 域

在色域方面，盡管4K超高清的BT.2020比BT.709要大一些，能夠涵蓋多一些的色彩，但是下變換器的參數(shù)設(shè)置卻相對簡單一些。當(dāng)KNEE功能打開，有些高亮畫面的色飽和度會明顯下降，因此拐點飽和度的功能要設(shè)置為ON。在下變換器的GAMMA設(shè)置為0.5時，圖像看起來更加自然流暢。但是要注意，參數(shù)設(shè)置后，要結(jié)合一些實際的景物進行驗證，最好是選取一些具有代表性的畫面作為測試素材，反復(fù)測試，精心微調(diào)，最后選擇一個兼顧性比較好的參數(shù)，這樣一般就不會出現(xiàn)色彩失真的問題。

7 結(jié) 語

當(dāng)前，下變換器大多只支持“固定參數(shù)”下變換方式，下變換后的效果，目前還不能盡如人意。即使是能夠支持“動態(tài)參數(shù)”的下變換器，也需要進一步測試實際效果。對于4K超高清和高清同播系統(tǒng)來說，為同時保證4K超高清電視節(jié)目和高清電視節(jié)目的技術(shù)指標(biāo)和主觀觀看效果，還需要電視技術(shù)工作者進行大量的相關(guān)科研工作?，F(xiàn)階段4K超高清和高清同播系統(tǒng)的下變換技術(shù)仍然存在一定的不足，參數(shù)設(shè)置和算法有待進一步優(yōu)化，相信通過不斷的測試優(yōu)化，在廣電同仁和各廠商的共同努力探索下，會有更好的解決方案。隨著動態(tài)參數(shù)下變換器的技術(shù)不斷更新迭代，相信很快會達到令人滿意的效果。