楊開紅

（重慶廣播電視集團，重慶 401147）

0 引 言

隨著4K、8K超高清高動態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）技術(shù)在賽事制作和轉(zhuǎn)播領(lǐng)域的全面應(yīng)用，超高清HDR視頻已經(jīng)進入快速發(fā)展階段。與傳統(tǒng)的高清標準動態(tài)范圍（Standard Dynamic Range，SDR）相比，4K HDR大幅度提高了電視系統(tǒng)的亮度、對比度以及彩色還原能力，提供了高清晰的畫質(zhì)、豐富的圖像層次以及自然逼真的色彩，使其接近了人眼的可視范圍。但是目前大多數(shù)觀眾在家觀看的仍然是高清SDR節(jié)目，因此需要將4K超高清HDR節(jié)目下轉(zhuǎn)換成SDR節(jié)目在高清頻道播出，同時以前大量的SDR節(jié)目也需要在4K HDR頻道播出。對此，本文探討了HDR和SDR的技術(shù)特點和它們之間的轉(zhuǎn)換。

1 SDR和HDR的區(qū)別

SDR（Standard Dynamic Range）為標準動態(tài)范圍，它能顯示的亮度范圍為1 000∶1；HDR（High Dynamic Range）為高動態(tài)范圍，它能顯示的亮度范圍為100 000∶1，能使電視畫面呈現(xiàn)更多、更豐富的圖像層次。

目前高動態(tài)范圍（HDR）電視采用感知量化（PQ）和混合對數(shù)（HLG）兩種伽瑪[1]。PQ的特性完全模擬了人眼靈敏度,采用絕對亮度體系，顯示亮度只與信號電平有關(guān)，與設(shè)備無關(guān),最高峰值亮度為10 000尼特，最大動態(tài)范圍10 000%；HLG的OETF曲線50%以下電平部分與現(xiàn)有SDR攝像機伽瑪幾乎一樣，50%以上為對數(shù)伽瑪，是兩種伽瑪?shù)幕旌?。HLG采用與傳統(tǒng)電視一樣的相對亮度體系，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,HLG的最大動態(tài)范圍1 200%[2]。SDR與HDR HLG、HDR PQ的比較如圖1所示。

從圖1的SDR、HLG、PQ伽瑪曲線可以看出，SDR的光動態(tài)范圍為0～100%，HDR HLG和HDR PQ光動態(tài)范圍遠遠高于100%，能呈現(xiàn)更大的光動態(tài)范圍。當光動態(tài)范圍為100%時，SDR的電平已達到98%，基本到達拐點，大概還剩11%左右的電平用于呈現(xiàn)光動態(tài)超過100%的HDR高光部分；而當光動態(tài)范圍為100%時，HDR HLG和HDR PQ的電平分別為75%、58%[3]，如果加上超白部分（電平可達110%），HLG和PQ還有大約30%～40%的電平資源用于超過光動態(tài)范圍為100%的HDR高光部分，它們所用于HDR高光的電平資源是SDR電視的3～4倍[4]。因此，HLG和PQ能呈現(xiàn)更多HDR高光部分，能使電視圖像有更多、更豐富的亮度層次。

由圖1可以看出，HLG伽瑪曲線和SDR伽瑪曲線在電平資源50%以下基本重合，光動態(tài)高于100%范圍的HDR高光部分可以看作是SDR電視拐點的提升和擴展，因此可以簡單理解，將SDR攝像機拐點以上處理的高亮度內(nèi)容認為是HDR高光部分。HLG比較好地兼容現(xiàn)有SDR電視，同時又很大提升了動態(tài)范圍，與傳統(tǒng)的SDR電視制作流程非常相似，在制作流程中也不需要元數(shù)據(jù)，因此HLG目前更適合在廣播電視行業(yè)應(yīng)用。SDR和HDR的差別如表1所示。

圖1 SDR與HLG、PQ的比較

表1 SDR和HDR的差別

2 HDR節(jié)目制作流程

現(xiàn)在，各大賽事、綜藝節(jié)目已全面采用4K、8K超高清HDR制作，但目前大多數(shù)觀眾在家觀看的仍然是高清SDR節(jié)目，因此4K、8K超高清系統(tǒng)制作的HDR節(jié)目需要下轉(zhuǎn)換成高清SDR節(jié)目，才能在高清頻道進行播出，或者需要同時制作一版4K、8K HDR節(jié)目和一版高清SDR節(jié)目。在實際制作中，用兩套完全獨立的4K HDR和高清SDR制作系統(tǒng)同時分別完成HDR節(jié)目和SDR節(jié)目直播是不太現(xiàn)實的，因為兩個獨立制作系統(tǒng)需要大量的設(shè)備和人員成本，最重要的是拍攝現(xiàn)場基本上沒有足夠的空間同時布置HDR和SDR攝像機機位。這就要求節(jié)目制作時采用一套4K HDR制作系統(tǒng)，系統(tǒng)能同時輸出4K HDR節(jié)目和下變換高清SDR節(jié)目，而且調(diào)光時需要同時保證4K HDR和高清SDR正確曝光。

實際節(jié)目制作過程常采用兩種HDR節(jié)目制作流程，一種是用HDR圖像作基準調(diào)光制作HDR節(jié)目，也就是優(yōu)先保證HDR圖像質(zhì)量，另一種是用SDR圖像作為基準調(diào)光制作HDR，即優(yōu)先保證SDR圖像質(zhì)量。

2.1 以HDR圖像為基準調(diào)光制作HDR

以HDR圖像作基準調(diào)光的制作流程，優(yōu)先保證了高質(zhì)量的HDR圖像，需要采用HDR監(jiān)視器觀察HDR圖像進行調(diào)光。由于HDR圖像亮度動態(tài)范圍遠遠大于SDR圖像的亮度動態(tài)范圍，因此HDR的曝光范圍和寬容度要遠大于SDR。在HDR圖像曝光上一點小的變化，在監(jiān)視器看起來獲得了高質(zhì)量的HDR信號，但經(jīng)過靜態(tài)下變換得到的SDR圖像可能已經(jīng)完全曝光過度。自適應(yīng)動態(tài)轉(zhuǎn)換器能夠優(yōu)化各種場景的HDR到SDR映射曲線，能適應(yīng)更寬的曝光范圍，比靜態(tài)下變換能得到質(zhì)量更好的SDR圖像。因此實際操作中，以HDR圖像作基準調(diào)光制作時，采用靜態(tài)下轉(zhuǎn)換得到的SDR圖像容易出現(xiàn)畫面曝光不準的現(xiàn)象，甚至經(jīng)常曝光過度。一般采用自適應(yīng)的動態(tài)映射SDR轉(zhuǎn)換器來獲得高質(zhì)量SDR圖像輸出。目前市面動態(tài)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品越來越豐富，各種場景的研發(fā)已取得了非常大的進步，但是還不能完全滿足各種條件下HDR調(diào)光的精確要求。

2.2 以SDR圖像作為基準調(diào)光制作HDR

以SDR圖像作為基準調(diào)光制作HDR的流程，優(yōu)先保證了高質(zhì)量的SDR圖像，調(diào)光師只需要使用SDR監(jiān)視器觀察SDR圖像進行調(diào)光。實際使用中，采用攝像機自身內(nèi)置的下轉(zhuǎn)換器輸出高清SDR信號用于調(diào)光，采用靜態(tài)轉(zhuǎn)換器（可設(shè)置與攝像機內(nèi)置下轉(zhuǎn)換器相同參數(shù)）下變換高清SDR信號用于系統(tǒng)最終節(jié)目輸出。用SDR圖像為基準調(diào)光制作HDR時，調(diào)光師能夠看到HDR畫面中的全部SDR內(nèi)容，既能完全保證SDR圖像質(zhì)量，采用與攝像機內(nèi)置下轉(zhuǎn)換器相同參數(shù)設(shè)置的SDR靜態(tài)轉(zhuǎn)換器，又能保證75% HLG電平以上的HDR高光內(nèi)容正確曝光。由于SDR圖像包含HDR圖像中大部分有效信息，因此以SDR圖像作為基準調(diào)光能夠同時獲得正確曝光的HDR圖像和SDR圖像。在實際工作中，調(diào)光師監(jiān)看SDR圖像進行調(diào)光，用以保證SDR圖像質(zhì)量；同時視頻工程師和導(dǎo)演在HDR技監(jiān)和節(jié)目監(jiān)視器上實時監(jiān)看HDR圖像，用以保證HDR圖像質(zhì)量。

當前，電視臺HDR節(jié)目制作過程要同時考慮與SDR節(jié)目兼容，采用以SDR圖像作為基準調(diào)光制作HDR的流程，能保證獲得高質(zhì)量的高清SDR圖像，同時也能獲得較高質(zhì)量的4K HDR圖像，能滿足當前HDR節(jié)目和SDR節(jié)目制作和播出相互兼容的要求。具有如下優(yōu)點。

（1）調(diào)光精度更高。調(diào)光時，對于相同的光圈曝光量變化，在SDR監(jiān)視器上能明顯看到亮度的變化，在HDR監(jiān)視器上基本上看不出亮度的變化，因此以SDR圖像作為基準調(diào)光精準度更高。

（2）保護調(diào)光師視力。HDR監(jiān)視器峰值亮度很高，調(diào)光師觀看高亮度HDR圖像時間過長，容易出現(xiàn)眼花、視覺疲勞，甚至視力下降。

（3）能準確呈現(xiàn)人體膚色。人體膚色電平都處在SDR電平范圍內(nèi)，用SDR圖像作為基準調(diào)光，能夠同時準確呈現(xiàn)SDR圖像和HDR圖像中的人體膚色曝光。

（4）保證高清SDR圖像質(zhì)量。用SDR圖像作為基準調(diào)光，可以優(yōu)先保證高質(zhì)量的高清SDR圖像，同時也能獲得較高質(zhì)量的4K HDR圖像。

（5）降低成本。只需為每個調(diào)光師配置普通SDR監(jiān)視器和波形監(jiān)視器即可。

（6）符合現(xiàn)有電視節(jié)目制作流程。以SDR圖像作為基準調(diào)光，調(diào)光師的工作與原來SDR節(jié)目制作流程相似，調(diào)光師多年積累的寶貴經(jīng)驗依舊可用，操作習慣不變。

3 SDR和HDR轉(zhuǎn)換

目前4K HDR節(jié)目和高清SDR節(jié)目在很長一段時間里長期共存，這要求節(jié)目播出時不但要確保4K HDR的圖像質(zhì)量，還必須保證下轉(zhuǎn)換的高清SDR圖像質(zhì)量。因此，制作4K HDR節(jié)目后下轉(zhuǎn)換高清SDR是不可避免的。同樣地，目前制作4K HDR時使用一些高清SDR信號源也是不可避免的，制作時不但要確保這些SDR信號上轉(zhuǎn)換后能與原生4K HDR信號完美匹配，還要確保下轉(zhuǎn)換后的高清SDR與上轉(zhuǎn)換前的高清SDR相同。

3.1 上轉(zhuǎn)換

SDR轉(zhuǎn)換為HDR的信號處理操作統(tǒng)稱為上轉(zhuǎn)換（Up-Convert）。上轉(zhuǎn)換時，以100%動態(tài)范圍為分界線，100%動態(tài)范圍以下的SDR內(nèi)容用場景參考映射或顯示參考映射上轉(zhuǎn)換；高于100%動態(tài)范圍的拐點部分用直接映射或上映射（反色調(diào)映射）上轉(zhuǎn)換。

3.1.1 直接映射

直接映射（Direct Mapping）上轉(zhuǎn)換時，不對SDR信號中高于100%動態(tài)范圍的拐點部分進行擴展處理，以保持原始SDR的觀感。因此，在HDR監(jiān)視器上顯示的直接映射SDR圖像與SDR監(jiān)視器上顯示的原始SDR圖像在SDR的拐點部分具有相同的觀感。

3.1.2 上映射和反色調(diào)映射

上映射（Up-Mapping）也被稱為反色調(diào)映射（Inverse Tone Mapping，ITM）。反色調(diào)映射上轉(zhuǎn)換將SDR信號中高于100%動態(tài)范圍的拐點部分擴展到了HDR范圍，以模擬HDR內(nèi)容的觀感。因此，在HDR監(jiān)視器上顯示的上映射SDR圖像與原始HDR圖像具有類似的觀感。

3.1.3 SDR上轉(zhuǎn)換到HLG時直接映射與上映射（反色調(diào)映射）的差別

SDR上轉(zhuǎn)換到HDR HLG時，直接映射與上映射的差別如圖2所示。

從圖2可以看出，由于SDR中代表HDR內(nèi)容的拐點部分被壓縮到了10%左右的電平資源內(nèi)，只保留了有限的亮度和彩色信息，采用反色調(diào)映射上轉(zhuǎn)換時，拐點部分的電平幅度被擴展了3至4倍，但灰階數(shù)量無法增加，損失的亮度和彩色信息無法恢復(fù)，擴展后很可能出現(xiàn)亮度和彩色的失真以及量化比特不足的條帶現(xiàn)象，8比特SDR素材尤甚。因此，除特殊要求外，上轉(zhuǎn)換應(yīng)盡可能不采用反色調(diào)映射。

圖2 SDR上轉(zhuǎn)換到HDR HLG時直接映射與上映射的差別

3.2 下轉(zhuǎn)換

HDR轉(zhuǎn)換為SDR的信號處理操作統(tǒng)稱為下轉(zhuǎn)換（Down-Convert）。下轉(zhuǎn)換時，以100%動態(tài)范圍為分界線，100%動態(tài)范圍以下的SDR內(nèi)容用場景參考映射或顯示參考映射下轉(zhuǎn)換，高于100%動態(tài)范圍的HDR內(nèi)容用下映射（色調(diào)映射）或硬削波下轉(zhuǎn)換。

3.2.1 下映射和色調(diào)映射

下映射（Down-Mapping）也被稱為色調(diào)映射（Tone Mapping，TM）[5]。色調(diào)映射下轉(zhuǎn)換時，將HDR信號中高于100%動態(tài)范圍的HDR內(nèi)容壓縮到了SDR信號的拐點處理范圍內(nèi)，與SDR攝像機處理HDR高光內(nèi)容的方法一樣。

3.2.2 硬削波

進行下轉(zhuǎn)換時，在某些情況下，硬削波（Hard Clipping）比色調(diào)映射（類似于軟削波）更合適。通過硬削波，可以將超過閾值的所有信號都削波到該閾值。當要求來自HDR攝像機的信號看起來類似于無“拐點”的SDR攝像機輸出的信號時，可以采用硬削波。例如，攝像機下轉(zhuǎn)換SDR輸出采用硬削波后去除了拐點對高光部分的壓縮，有利于調(diào)光師精確控制高光電平。

由于高清SDR攝像機采用了與色調(diào)映射一樣的拐點處理HDR高亮度部分，為了使HDR下轉(zhuǎn)換的高清SDR圖像與原生SDR攝像機圖像觀感一致，制作和播出的主信號流程不應(yīng)采用硬削波。

HDR HLG下轉(zhuǎn)換到SDR時硬削波與色調(diào)映射的差別如圖3所示。從圖3可以看出，場景或顯示參考映射下轉(zhuǎn)換將75%HLG電平映射為100%SDR電平，色調(diào)映射下轉(zhuǎn)換將高于75%HLG的HDR內(nèi)容壓縮到了SDR信號的拐點范圍內(nèi)，硬削波則把高于75%HLG的HDR內(nèi)容削波到100%SDR電平。在實際的轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中，色調(diào)映射的拐點起始點和斜率是可以調(diào)整的，硬削波電平也是可以調(diào)整的，通常硬削波電平的默認值是100%。

圖3 HDR HLG下轉(zhuǎn)換到SDR時硬削波與色調(diào)映射的差別

3.3 場景參考映射與顯示參考映射

HDR與SDR互轉(zhuǎn)時，先將非線性電信號轉(zhuǎn)換成代表線性光的電信號，再轉(zhuǎn)換為非線性電信號?？梢詫⒎蔷€性電信號轉(zhuǎn)換為線性光信號的過程想象為用攝像機拍攝畫面，場景參考映射（Scene Referred mapping，SR）相當于直接拍攝現(xiàn)場場景，將電信號轉(zhuǎn)換為與場景光相同的線性光；顯示參考映射（Display Referred mapping，DR）相當于拍攝監(jiān)視器顯示的場景[6]，將電信號轉(zhuǎn)換為與監(jiān)視器顯示光相同的線性光。由于電視的系統(tǒng)伽瑪OOTF是非線性的，因此場景光與顯示光的對比度、彩色飽和度并不完全相同，SR與DR的轉(zhuǎn)換結(jié)果存在差別。

3.3.1 HDR轉(zhuǎn)換時DR與SR的差別

DR上轉(zhuǎn)換的HLG圖像與原SDR圖像觀感是一樣的，SR上轉(zhuǎn)換的HLG圖像與原SDR圖像觀感有不同，上轉(zhuǎn)換后SR比DR彩色飽和度要降低一些。這是因為SR上轉(zhuǎn)換時保留了HLG OOTF飽和度降低，DR上轉(zhuǎn)換時保留了SDR OOTF飽和度無變化，因此上轉(zhuǎn)換后SR的飽和度比DR要低一些。

DR下轉(zhuǎn)換的SDR圖像與原HLG圖像觀感是一樣的，SR下轉(zhuǎn)換的SDR圖像與原HLG圖像觀感有不同，下轉(zhuǎn)換后SR比DR的彩色飽和度要升高一些。這是因為SR下轉(zhuǎn)換時保留了SDR OOTF飽和度升高，DR下轉(zhuǎn)換時保留了HLG OOTF飽和度無變化，因此下轉(zhuǎn)換后SR的飽和度比DR要升高一些。

3.3.2 往返轉(zhuǎn)換

DR上轉(zhuǎn)換+DR下轉(zhuǎn)換：與原始SDR圖像相比不變。這是因為DR上轉(zhuǎn)換時保證了原SDR OOTF飽和度沒有發(fā)生變化，DR下轉(zhuǎn)換時又保證了HLG OOTF飽和度沒有發(fā)生變化，在上、下轉(zhuǎn)換時飽和度都沒有發(fā)生變化，所以DR往返轉(zhuǎn)換后飽和度沒有變化。

SR上轉(zhuǎn)換+SR下轉(zhuǎn)換：與原始SDR圖像相比不變。這是因為SR上轉(zhuǎn)換時保留了HLG OOTF飽和度降低，SR下轉(zhuǎn)換時保留了SDR OOTF飽和度升高，SR下轉(zhuǎn)換時升高的飽和度剛好補償了SR上轉(zhuǎn)換時下降的飽和度，所以SR往返轉(zhuǎn)換后飽和度無變化。

SR上轉(zhuǎn)換+DR下轉(zhuǎn)換：與原始SDR圖像相比飽和度有下降，色調(diào)也發(fā)生輕微改變。這是因為SR上轉(zhuǎn)換時保留了HLG OOTF飽和度降低，DR下轉(zhuǎn)換時保留了HLG OOTF飽和度不變，所以往返轉(zhuǎn)換后飽和度有所下降。

DR上轉(zhuǎn)換+SR下轉(zhuǎn)換：與原始SDR圖像相比飽和度升高，色調(diào)發(fā)生輕微改變[6]。這是因為DR上轉(zhuǎn)換時保留了SDR OOTF飽和度無變化，SR下轉(zhuǎn)換時保留了SDR OOTF飽和度升高，所以往返轉(zhuǎn)換后飽和度升高。

4 結(jié) 語

隨著4K、8K超高清HDR技術(shù)在賽事制作和轉(zhuǎn)播領(lǐng)域的全面應(yīng)用，電視技術(shù)經(jīng)歷了從高清SDR到4K超高清HDR的重大變革。與傳統(tǒng)的SDR相比，HDR大幅度提高了電視系統(tǒng)的亮度、對比度以及彩色還原能力，大大提高了圖像質(zhì)量。但是目前大多數(shù)觀眾在家觀看的仍然是高清SDR節(jié)目，因此須要考慮“向下兼容”的問題，不但要確保4K HDR的圖像質(zhì)量，還必須保證下轉(zhuǎn)換的高清SDR圖像質(zhì)量。這對節(jié)目制作實踐提出了更高的要求，電視從業(yè)人員需要適應(yīng)新技術(shù)帶來的各種變化。