張建強 劉洪春

【摘要】目前，主流的家庭電視機還是在65寸以下，受到顯示屏幕的限制，觀眾不能很好地感受到4K節(jié)目所帶來的視覺震撼。廣電行業(yè)在4K超高清時代，使用多種方式，實現(xiàn)HDR向SDR的變換，是一個行之有效的辦法，本文探討了其中的一種解決方案。

【關(guān)鍵詞】上下交叉轉(zhuǎn)換;幀同步;HDR到SDR轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.17.001

4K HDR技術(shù)作為4k超高清的最重要技術(shù)優(yōu)勢，是對高清電視顯示系統(tǒng)的動態(tài)顯示范圍有大幅改善和提升，觀眾們就終于可以真正得到技術(shù)更新后的"驚艷"感受。

1. HDR到SDR轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計思路

1.1 設(shè)計目的

將HDR內(nèi)容轉(zhuǎn)換為SDR內(nèi)容，同時在SDR屏幕上保持盡可能好的影像質(zhì)量，這需要使用HDR到SDR的轉(zhuǎn)換，在整個轉(zhuǎn)換過程中保持亮度、對比度和顏色的參數(shù)貫徹始終地保持一致。

1.2 設(shè)計思路

HDR到SDR轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是一個功能強大的通用音頻和視頻處理設(shè)備，通過一種可用功能配置（功能組）來實現(xiàn)多種功能。每個功能組包括一個處理功能的組合，以執(zhí)行處理功能，包括幀同步，上下交叉變換和HDR等。

它是使用高級算法進行分格動態(tài)色調(diào)映射的系統(tǒng)，該算法可以自動分析HDR流中圖像的不同部分，并逐幀實時應用最佳校正。這種獨特的功能與當今的其他解決方案不同，它是體育賽事或任何需要高品質(zhì)實時HDR到SDR轉(zhuǎn)換的現(xiàn)場直播的完美實時制作工具。

HDR到SDR轉(zhuǎn)換系統(tǒng)適合單一原生HDR工作流程，從而降低了設(shè)備和手動操作的成本。系統(tǒng)提供1個4K/UHD處理通道，通過適當?shù)姆謪^(qū)動態(tài)色調(diào)映射支持從HDR傳輸特性到SDR的下轉(zhuǎn)換。它滿足廣色域（WCG）需求以及專業(yè)的AV直播活動要求。還包括用于靜態(tài)HDR與SDR相互轉(zhuǎn)換的HDR靜態(tài)配置，該配置執(zhí)行靜態(tài)色調(diào)映射以實現(xiàn)HDR和SDR之間的上/下/交叉轉(zhuǎn)換，適用于演播室或光線條件不會動態(tài)變化的環(huán)境。

2. 系統(tǒng)詳細設(shè)計

2.1 HDR>SDR轉(zhuǎn)換

HDR>SDR轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是實時逐幀的高動態(tài)范圍（HDR）到標準動態(tài)范圍（SDR）轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，具有幀同步功能，支持高達4KUHD（3840x2160）的格式。它可以提供單個12G 4K-UHD處理通道，也可以提供4個獨立的SDI信號處理通道，最高可達1080p 3Gbit/s。

HDR為廣播和AV制作提供了全新的可能性，為觀眾提供了更大的動態(tài)范圍，包括在黑暗區(qū)域圖像中的高亮度和更多細節(jié)，從而使圖像變得更明亮和逼真。在介紹HDR和其強大圖像增強功能時，我們必須要考慮的問題，是與現(xiàn)有的SDR顯示器和接收器保持良好的向下兼容性。

通常，整個制作中HDR到SDR的轉(zhuǎn)換是使用單一靜態(tài)校正來完成的，現(xiàn)在可以通過HDR>SDR靜態(tài)轉(zhuǎn)換解決方案來實現(xiàn)。對于類似體育演播室制作這種固定的、可預測的應用而言，是非常有效的。然而，對于類似現(xiàn)場體育或新聞廣播這種更多動態(tài)要求和非可測的內(nèi)容而言，分析和校正必須在逐幀基礎(chǔ)上調(diào)整，來應對具有挑戰(zhàn)性的照明條件，亮度水平和圖像組成。直到今日，“逐幀”校正只能通過手動，將校正元數(shù)據(jù)用于每一幀，然后在實時回放中使用;一個非實時的處理過程，既耗費時間又價格昂貴。

該系統(tǒng)還包括適用于4K UHD的上/下/交叉轉(zhuǎn)換，音頻處理和重組，色彩校正，時間調(diào)整，元數(shù)據(jù)處理，自定義控制還包括提供簡化的屏幕面板，可以直接訪問用戶選擇的參數(shù)。如圖1所示。

2.2 HDRSDR轉(zhuǎn)換

HDRSDR轉(zhuǎn)換是一個全功能的廣播級品質(zhì)HDR到SDR，SDR到HDR或跨標準HDR到HDR轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，帶一路幀同步和上/下/交叉轉(zhuǎn)換功能，支持格式高達4KUHD（3840x2169）。HDRSDR轉(zhuǎn)換在整個特定內(nèi)容中均等地應用顏色和對比度參數(shù)，即在整個程序中確定平均亮度和顏色范圍。

HDRSDR轉(zhuǎn)換它可以提供單個12G 4K-UHD處理通道，或者四個獨立的SDI處理通道，信號高達1080p 3Gbit/s。

HDR為觀眾提供了更大的動態(tài)范圍，包括在高亮度和黑暗區(qū)域圖像中顯示更多細節(jié)，從而產(chǎn)生更鮮艷逼真的圖像。在介紹HDR和其強大圖像增強功能時，所面臨的主要挑戰(zhàn)之一是與現(xiàn)有的SDR顯示器和接收器保持良好的向下兼容性。

HDRSDR轉(zhuǎn)換是一個處理動態(tài)范圍和色彩色域的強大工具，即使沒有最新的HDR顯示器，也能為觀看者提供比以前更多的動態(tài)圖像。它提供轉(zhuǎn)換功能，同時結(jié)合靜態(tài)（實時）色調(diào)映射算法。該應用程序允許用戶在常用輸入和輸出曲線（包括Gamma，PQ，HLG和slog3）之間實現(xiàn)上、下和交叉轉(zhuǎn)換，并通過適當?shù)撵o態(tài)色調(diào)映射在全域和窄域之間進行轉(zhuǎn)換。色彩空間之間的轉(zhuǎn)換支持包括Rec.601，Rec.709和Rec.2020。

自定義LUT功能允許用戶上傳多達20個用戶LUT，以獲得所需的對比度，顏色，飽和度，黑白電平。

HDRSDR轉(zhuǎn)換還包括高達4K UHD的空間上、下和交叉轉(zhuǎn)換，音頻處理和重組，色彩校正，定時調(diào)整，元數(shù)據(jù)處理。

2.3 4KUHD上/下/交叉轉(zhuǎn)換

4KUHD上/下/交叉轉(zhuǎn)換是一個全功能廣播級品質(zhì)的上/下/交叉轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，支持格式高達4K UHD（3840x2169）。

該系統(tǒng)是專為需要可靠的廣播級品質(zhì)上/下/交叉轉(zhuǎn)換和具有全音頻處理能力的幀同步應用而設(shè)計。該系統(tǒng)包括強大的掃描功能，具備萬能的感興趣區(qū)域（ROI）選擇。包括3G Level A/B和3G去隔行掃描，使系統(tǒng)兼容高達3G的SDI標準（Level A或Level B）。

該系統(tǒng)也支持適用于4KUHD信號的4x3G SDI（2SI四鏈路）或12GSDI（單鏈路）輸入和輸出。2SI四鏈路<>單鏈路轉(zhuǎn)換信號能在單鏈路和2SI四鏈路之間互相轉(zhuǎn)換。

擴展的音頻處理功能解嵌入所有音頻，并提供支持一路MADI輸入和輸出，四路外部音頻輸入或輸出，能單獨配置到模擬（平衡）或數(shù)字（AES）接口。多樣的內(nèi)部矩陣可以實現(xiàn)擴展音頻重組，包括MADI流。它也提供兩路Dolby E?解碼器，Dolby E?同步，全音頻處理以及適用于音頻和視頻的多種用戶可調(diào)節(jié)延時。

該系統(tǒng)配備全功能本地控制界面，除了圖形用戶界面，液晶顯示屏可以顯示圖像預覽和處理視頻路徑的音頻電平表。

2.4 幀同步

4x3Gbit/s幀同步系統(tǒng)是一個全功能視頻格式高達3Gbit/s SDI的幀同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)是為了滿足廣播級品質(zhì)幀同步，具有全音頻處理功能。一個雙電平標清參考信號以及一個三電平高清參考信號能被用于同步視頻信號。也提供定時參考輸出（SD或HD）。輸入可以是BNC，光纖或HDMI。輸出也可以是BNC，光纖或HDMI（可選光纖SFP，單獨訂購）。多個額外的處理功能，可調(diào)節(jié)視頻內(nèi)容，例如：增益，色度等。每個通道提供一個基本測試圖型發(fā)生器，提供常用的線和全域圖型，如彩色條，病態(tài)測試圖形，全域色彩等。

擴展的音頻處理功能解嵌入所有音頻，并提供支持一路MADI輸入和輸出，四路外部音頻輸入或輸出，能單獨配置到模擬（平衡）或數(shù)字（AES）接口。多樣的內(nèi)部矩陣可以實現(xiàn)擴展音頻重組，包括MADI流。它也提供兩路Dolby E?解碼器，Dolby E?同步，全音頻處理和適用于音頻和視頻的多種用戶可調(diào)節(jié)延時。

4x 3Gbit/s幀同步系統(tǒng)配備了一個功能齊全帶有LCD的本地控制界面，除了圖形用戶界面外，LCD還顯示已處理視頻路徑的圖像預覽和音頻電平表。

3. 結(jié)束語

實時靜態(tài)HDR到SDR的轉(zhuǎn)換非常適合于演播室環(huán)境或可預測的閃電環(huán)境。然而，對于光照條件動態(tài)變化的戶外環(huán)境，靜態(tài)HDR到SDR的轉(zhuǎn)換可能會導致曝光不足或過度曝光，動態(tài)HDR到SDR的轉(zhuǎn)換實時動態(tài)地改變每一幀的亮度、對比度和顏色參數(shù)，為觀眾制造一個充滿活力和真實感的圖像。

參考文獻：

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