王亞明

HDR轉(zhuǎn)換時如何選擇SR或DR？

選擇映射方式不能只看轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須結(jié)合制作流程綜合考慮。

如果只關(guān)注轉(zhuǎn)換結(jié)果，DR是最簡單的選擇。因為DR上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)、往返轉(zhuǎn)換后其觀感都與原始信號相同，沒有變化；而SR上轉(zhuǎn)后飽和度下降，下轉(zhuǎn)后飽和度上升，往返轉(zhuǎn)換后飽和度不變。

考慮到HDR制作流程的實際應(yīng)用，選擇什么映射方式并不簡單。

先看上轉(zhuǎn)換。在HDR制作中混合使用HLG和SDR攝像機時，SDR攝像機應(yīng)該用SR上轉(zhuǎn)換才能與HLG攝像機完美匹配。這是因為SR上轉(zhuǎn)換保留了HLG的OOTF，相當(dāng)于用HLG攝像機拍攝SDR場景，轉(zhuǎn)換圖像的觀感與HLG攝像機相同。

目前HDR制作流程中仍然使用了很多SDR圖文或虛擬系統(tǒng)，這些系統(tǒng)制作的國旗、廣告標識、俱樂部徽章等圖形進入HDR制作系統(tǒng)時，應(yīng)該用DR上轉(zhuǎn)換才能使HLG圖像中顯示的這些圖形與高清SDR圖像一致，這是因為DR上轉(zhuǎn)換保留了SDR OOTF，相當(dāng)于用HLG攝像機拍攝SDR監(jiān)視器，轉(zhuǎn)換圖像的觀感與SDR監(jiān)視器相同。

再看下轉(zhuǎn)換。如果HDR制作系統(tǒng)中混合使用了HLG與SDR攝像機，而SDR攝像機采用SR上轉(zhuǎn)換HLG，HDR與SDR同播時為了使高清SDR圖像保持與SDR攝像機相同的觀感，播出端應(yīng)采用SR下轉(zhuǎn)換，這是因為SDR攝像機信號用SR上轉(zhuǎn)后再用SR下轉(zhuǎn)才能保持SDR攝像機圖像的觀感不變。

即使HDR制作系統(tǒng)中只有HLG攝像機，如果采用SDR調(diào)光制作HDR，由于HDR攝像機內(nèi)置的下轉(zhuǎn)換器都是SR，為了使調(diào)光師看到的圖像與播出信號一致，播出端也應(yīng)采用SR下轉(zhuǎn)換。

如果HDR制作系統(tǒng)中只有HLG攝像機并采用HDR調(diào)光制作HDR，播出端采用SR或DR下轉(zhuǎn)換都沒有問題，其區(qū)別是SR下轉(zhuǎn)換保留了SDR圖像的觀感，DR下轉(zhuǎn)換保留了HLG圖像的觀感。

如果HDR制作時使用了SDR圖文或虛擬系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的文字和圖形是用DR上轉(zhuǎn)換的，播出端應(yīng)采用DR下轉(zhuǎn)換才能保持SDR圖文觀感與原始文字、圖形一致。

通過上述分析可以看到，不同的應(yīng)用需要不同的映射方式，而在實際制作和播出流程中是不可能頻繁改變映射方式的。近年來電視行業(yè)通過大量研究、測試和實踐，對HDR轉(zhuǎn)換形成了如下共識：

·上轉(zhuǎn)換：

HDR制作系統(tǒng)中混合使用HLG和SDR攝像機時，SDR攝像機信號應(yīng)采用SR上轉(zhuǎn)換。

未調(diào)色SDR錄像節(jié)目應(yīng)采用SR上轉(zhuǎn)換。

調(diào)色制作的SDR錄像節(jié)目應(yīng)采用DR上轉(zhuǎn)換。

SDR圖文、虛擬系統(tǒng)的文字和圖形應(yīng)采用DR上轉(zhuǎn)換。

·下轉(zhuǎn)換：

播出端應(yīng)采用SR下轉(zhuǎn)換。

·問題對策

在HDR制作和播出系統(tǒng)中采用上述映射方式后，必須解決這些映射方式存在的彩色變化問題才能確保轉(zhuǎn)換圖像質(zhì)量。具體來說，就是解決SR上轉(zhuǎn)飽和度下降和SR下轉(zhuǎn)飽和度上升的問題，特別是DR上+SR下往返轉(zhuǎn)換的彩色飽和度上升、色調(diào)變化問題。

從轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品來看，以HDRC-4000為例，首先，下轉(zhuǎn)換時該設(shè)備對超過100%幅度的R、G、B信號做了削波處理，解決了DR上+SR下往返轉(zhuǎn)換后彩色飽和度超過100%的問題。其次，用AIR Matching消除了SR上、下轉(zhuǎn)換的色調(diào)變化，減少了轉(zhuǎn)換后飽和度的變化。

不過，AIR Matching只是減少但并未完全消除SR上、下轉(zhuǎn)換飽和度的變化，還需要調(diào)整ADDITIONAL P A I N T（附加繪畫）菜單中的SATURATION（飽和度），SR上轉(zhuǎn)換時SATURATION+5，增加飽和度以抵消SR上轉(zhuǎn)換時飽和度的下降；下轉(zhuǎn)換時SATURATION-5，降低飽和度以抵消SR下轉(zhuǎn)換時飽和度的上升。

這些措施解決了SR轉(zhuǎn)換的彩色變化問題，設(shè)置后無論SR上、下單向轉(zhuǎn)換，還是DR上+SR下往返轉(zhuǎn)換，彩色飽和度和色調(diào)都不會出現(xiàn)明顯可見的變化。其它幾個廠商的同類轉(zhuǎn)換器也采用了AIR Matching專利，可以按照上述設(shè)置做相同的處理。不過不同廠商、型號的設(shè)備設(shè)置參數(shù)不一定相同，需要用SDR、HDR彩條測試信號和攝像機拍攝的彩色測試卡圖像進行測試和調(diào)整，使SR上、下轉(zhuǎn)換的彩色飽和度、色調(diào)變化最小。

不同類型的HDR轉(zhuǎn)換器有什么特點？適合什么需求？

如果用照相機做參照，“技術(shù)型”的靜態(tài)固定參數(shù)轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于專業(yè)單反相機的手動模式，所有參數(shù)均可由用戶自行調(diào)整、設(shè)置，實現(xiàn)精準控制，使用者需要具備HDR專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗，了解各項技術(shù)參數(shù)對圖像的影響。

由于SDR的動態(tài)范圍比HDR小得多，依據(jù)正常曝光圖像設(shè)置HDR與SDR的映射關(guān)系后，大部分規(guī)范制作的HDR節(jié)目用固定參數(shù)下轉(zhuǎn)換后都能獲得理想的圖像質(zhì)量，但超亮或超暗畫面下轉(zhuǎn)換后會出現(xiàn)過曝或欠曝現(xiàn)象。增大轉(zhuǎn)換增益差可改善超亮畫面質(zhì)量但犧牲了超暗，減小增益差則改善超暗犧牲了高亮，這是靜態(tài)固定參數(shù)轉(zhuǎn)換器的固有局限。

因為下轉(zhuǎn)換是把HDR大動態(tài)范圍用一套固定參數(shù)轉(zhuǎn)換為小動態(tài)范圍，相當(dāng)于把大鍋換成小鍋，原本放在HDR這口大鍋里的大蘋果不可能完整無損地放進SDR小鍋里，必須去掉一部分。所謂靜態(tài)固定參數(shù)，就是確定去掉大蘋果的某些固定部分，以便把大蘋果放進小鍋。

同屬“技術(shù)型”的動態(tài)自適應(yīng)可變參數(shù)轉(zhuǎn)器換相當(dāng)于傻瓜相機，無需復(fù)雜設(shè)置即可滿足HDR節(jié)目的下轉(zhuǎn)換需求。理想的智能處理引擎能夠?qū)崟r分析每幀畫面亮度，用不同參數(shù)處理不同動態(tài)范圍的圖像，獲得最佳轉(zhuǎn)換結(jié)果。所謂動態(tài)可變參數(shù)，就是在不同場景去掉大蘋果的不同部分以便把大蘋果放進小鍋，只保留有價值的部分。

不過，目前智能處理引擎的性能還不完善，市場上幾乎所有同類產(chǎn)品都存在相同的問題：HDR畫面中沒有超亮景物時SDR輸出電平始終低于70-80%，只有出現(xiàn)超亮景物時才用70-80%以上的電平資源處理超亮信號，其結(jié)果是HDR超亮或超暗畫面下轉(zhuǎn)換質(zhì)量好，正常曝光的圖像電平比固定參數(shù)轉(zhuǎn)換器低20%左右，導(dǎo)致下轉(zhuǎn)換后規(guī)范制作的畫面偏暗、沉悶。從主觀評價結(jié)果看，只要HDR圖像基本正常，用動態(tài)轉(zhuǎn)換器下轉(zhuǎn)換都能夠獲得無錯但并非優(yōu)質(zhì)的SDR圖像。

通過上述分析可以看到，靜態(tài)與動態(tài)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點幾乎正好相反：靜態(tài)轉(zhuǎn)換器適合現(xiàn)場設(shè)備可控、制作規(guī)范的電視直播、錄播節(jié)目下轉(zhuǎn)換，而這正是目前動態(tài)轉(zhuǎn)換器的短板；動態(tài)轉(zhuǎn)器適合現(xiàn)場設(shè)備不可控、來源復(fù)雜、經(jīng)過后期調(diào)色的錄播節(jié)目下轉(zhuǎn)換，這正是靜態(tài)轉(zhuǎn)換器的不足，兩者的優(yōu)勢正好是對方的劣勢。從信息處理的策略上看，正確設(shè)置的靜態(tài)轉(zhuǎn)換器是保中間主體犧牲超亮和超暗，而動態(tài)轉(zhuǎn)換器則是保超亮和超暗，犧牲中間主體。

“藝術(shù)型”轉(zhuǎn)換器性能基于調(diào)色師的主觀感受，從使用者的角度看也相當(dāng)于傻瓜相機，無需復(fù)雜設(shè)置即可滿足大部分HDR轉(zhuǎn)換需求。實際主觀評價的結(jié)果，其下轉(zhuǎn)換性能與動態(tài)轉(zhuǎn)換器相似，但更具個性化。

LUT轉(zhuǎn)換相當(dāng)于專業(yè)單反相機的各種場景模式，無需復(fù)雜設(shè)置，只要根據(jù)說明選擇對應(yīng)場景的LUT就能獲得相對優(yōu)質(zhì)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。實際客觀測試和主觀評價結(jié)果證明，目前BBC提供的十幾種LUT性能都不錯，可以完成HDR上、下轉(zhuǎn)換，往返轉(zhuǎn)換，也可以與靜態(tài)、動態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換器混合使用，既能滿足制作和播出的HDR轉(zhuǎn)換需求也簡化了操作，適合沒有HDR轉(zhuǎn)換經(jīng)驗、需要規(guī)范HDR轉(zhuǎn)換流程的電視臺和制作公司使用。

綜上所述，三種不同類型的轉(zhuǎn)換器各有特點，適合不同需求。實際使用時，無論采用哪種類型的轉(zhuǎn)換方式，使用者都需要具備一定程度的專業(yè)知識。靜態(tài)固定參數(shù)轉(zhuǎn)換需要的HDR專業(yè)知識最多，LUT和動態(tài)自適應(yīng)可變參數(shù)轉(zhuǎn)換需要的專業(yè)知識比較少。

絕對與相對亮度體系的差別是什么？

絕對亮度體系的顯示亮度只與信號電平有關(guān)，與顯示設(shè)備無關(guān)，用一條EOTF曲線就可以表達顯示設(shè)備的特性。當(dāng)信號電平在顯示設(shè)備的發(fā)光能力范圍之內(nèi)時，電平與顯示亮度呈現(xiàn)由EOTF定義的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)信號電平超過顯示設(shè)備的發(fā)光能力時，絕對亮度體系的表現(xiàn)是“寧折勿彎”，呈現(xiàn)硬削波的特性。對絕對亮度體系來說，顯示亮度越高能夠再現(xiàn)的信息量越多，動態(tài)范圍越大。

相對亮度體系的顯示亮度不但與信號電平有關(guān)，還與顯示設(shè)備有關(guān)，信號的最高電平對應(yīng)顯示設(shè)備的最高亮度，因此無法用一條EOTF曲線表達顯示設(shè)備的特性，因為峰值亮度不同時EOTF曲線也不一樣，不同的峰值亮度對應(yīng)不同的曲線。無論顯示設(shè)備的峰值亮度高低，相對亮度體系都能再現(xiàn)信號電平的全部信息。因此，顯示屏峰值亮度與顯示的動態(tài)范圍無關(guān)。對相對亮度體系來說，需要更高顯示亮度的原因通常是因為環(huán)境亮度比較高。

絕對亮度體系需要兩個重要條件，首先是顯示設(shè)備可控，其次是觀看環(huán)境可控。在顯示設(shè)備和觀看環(huán)境嚴格可控的條件下，絕對亮度體系能夠獲得最高質(zhì)量的HDR圖像，觀眾與導(dǎo)演、調(diào)色師看到的圖像差別不大。實際上具備這兩個條件的場所只有調(diào)色工作室和影院（包括放映室）。因此，可以說絕對亮度體系是為電影而生的。

絕對亮度體系的劣勢主要是資源利用率低。例如，1000尼特的PQ1000信號電平最高為75%，這就意味著對PQ1000來說信號電平（量化）資源利用率只有75%；如果顯示設(shè)備的峰值亮度高于信號電平亮度，例如，2000尼特監(jiān)視器顯示PQ1000信號時顯示峰值亮度只有1000尼特，這時顯示屏的亮度資源利用率為50%，只有信號電平高于PQ2000（83%）時屏幕亮度資源的利用率才能達到100%。

BT.2100推薦的絕對亮度體系采用完全模擬人眼靈敏度特性的PQ伽瑪，與HLG相比PQ對動態(tài)范圍的壓縮、擴展比率更大，在暗部PQ電平的微小改變會使顯示亮度發(fā)生很大變化，這也是絕對亮度體系對顯示設(shè)備和觀看環(huán)境要求苛刻的主要原因之一。PQ對制作的要求也比HLG更高，幾乎所有采用PQ制作的節(jié)目都是調(diào)色師反復(fù)精心調(diào)整的結(jié)果，而不是電視的直播形態(tài)。

采用絕對亮度體系的HDR方案必須在播出碼流中同時傳輸元數(shù)據(jù)，其中的靜態(tài)元數(shù)據(jù)標識了制作監(jiān)視器硬件性能和節(jié)目的平均、最高亮度，其目的是通知顯示設(shè)備與其適配；Dolby Vision則更進一步，用動態(tài)元數(shù)據(jù)控制顯示設(shè)備的方法優(yōu)化顯示圖像質(zhì)量。

雖然元數(shù)據(jù)能部分接管顯示設(shè)備的控制權(quán)，但用戶的觀看環(huán)境是不可控的，無法滿足絕對亮度體系需要的兩個重要條件，因此在顯示設(shè)備部分失控、觀看環(huán)境不可控的家庭電視機、手機或平板電腦上，絕對亮度體系的優(yōu)勢無法完全發(fā)揮。

電視自誕生以來一直采用相對亮度體系，可以說相對亮度體系就是為電視而生的，大部分圖像顯示設(shè)備也都是相對亮度體系的。BT.2100推薦的相對亮度體系采用HLG伽瑪，與傳統(tǒng)電視的差別是引入了可變伽瑪?？勺冑が攲Σ煌炼蕊@示面板設(shè)置不同的伽瑪值，屏幕峰值亮度不同時可變伽瑪自動調(diào)整100尼特以下的平均亮度，減小了不同亮度屏幕顯示膚色時的亮度差別。

相對亮度體系的優(yōu)勢是電平和亮度資源利用率高，對顯示設(shè)備和觀看環(huán)境的要求不像絕對亮度體系那么嚴格，劣勢是節(jié)目制作方對用戶端顯示設(shè)備是完全失控的，只能在標準監(jiān)視器上判斷圖像質(zhì)量，觀眾與導(dǎo)演、制作者看到的圖像可能有較大差別。

綜上所述，在諸如調(diào)色工作室、影院（放映室）等顯示設(shè)備和觀看環(huán)境嚴格可控的環(huán)境中，絕對亮度體系是最佳選擇，而在顯示設(shè)備和觀看環(huán)境不可控的環(huán)境中，引入了可變伽瑪?shù)南鄬α炼润w系更具優(yōu)勢。對電視和移動終端等觀看環(huán)境復(fù)雜的顯示設(shè)備來說，合理的方案是對相對亮度體系進行優(yōu)化，可以選擇讓顯示屏亮度像手機屏幕一樣隨環(huán)境光亮度自動變化以保持觀看舒適性，顯示屏亮度改變時系統(tǒng)自動適配不同的伽瑪值，以減小膚色亮度的變化范圍。B&P

（未完待續(xù)）