超高清電視制作技術(shù)要點(diǎn)淺析

陳崢嶸 張文輝 王漢雄 龐曉蓉

[摘要]歸納了超高清（UHD）電視節(jié)目在生產(chǎn)過程中需要關(guān)注的關(guān)鍵因素，以及4KUHD電視制作系統(tǒng)需求，并針對當(dāng)

前超高清/高清（UHD/HD）混播階段的下變換的技術(shù)特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]超高清電視;BT.2020G域;高動態(tài)范圍;感知量化;HLG;超高清/高清混播;下變換

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.11.013

隨著UHD（Ultra-high definition，超高清）電視技術(shù)的不斷發(fā)展，在電視設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的大力推動下，ITU（國際電信聯(lián)盟）、SMPTE（電影和電視工程師協(xié)會）、ARIB（日本無線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會）等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織都開展了超高清系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作。目前已經(jīng)制定了4K UHD電視標(biāo)準(zhǔn)近70余項(xiàng)，涉及節(jié)目制作、基帶接口、信號傳輸、音視頻處理、終端設(shè)備和評價測試等超高清制作、傳輸、測試等多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2012年下半年，國際電信聯(lián)盟無線電通信部門（ITU-R）頒布了面向新一代UHD視頻制作與顯示系統(tǒng)的BT.2020標(biāo)準(zhǔn)，定義了電視廣播與消費(fèi)電子領(lǐng)域關(guān)于超高清視頻顯示的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，促進(jìn)4K超高清家用顯示設(shè)備進(jìn)一步走向規(guī)范化。

自2017年，中國出臺了一些列相關(guān)政策引導(dǎo)超高清電視的發(fā)展，國家新聞出版廣電總局在2017年9月20日發(fā)布的《新聞出版廣播影視“十三五”發(fā)展規(guī)劃》提出：“適時開播4K超高清電視試驗(yàn)頻道，推動構(gòu)建高清（HD）、4K超高清電視混合播出系統(tǒng)”;當(dāng)年11月9日下發(fā)《關(guān)于規(guī)范和促進(jìn)4K超高清電視發(fā)展的通知》指出：“優(yōu)先支持高清電視發(fā)展較好的省份和機(jī)構(gòu)開展4K超高清電視試點(diǎn)”。與此同時，國家新聞出版廣電總局相繼批準(zhǔn)發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY/T 307-2017《超高清晰度電視系統(tǒng)節(jié)目制作和交換參數(shù)》、GY/T 315-2018《高動態(tài)范圍電視節(jié)目制作和交換圖像參數(shù)值）》、GY/T 316-2018《用于節(jié)目制作的先進(jìn)聲音系統(tǒng)》。2018年3月，中央廣播電視總臺發(fā)布實(shí)施了《4K超高清電視節(jié)目制播技術(shù)規(guī)范》和《4K超高清播出格式MXF文件規(guī)范》，同年5月發(fā)布實(shí)施了《基于“4K超高清圖像+環(huán)繞聲/三維聲”家庭影院配置規(guī)范》和《中央廣播電視總臺4KtlI高清演播室錄制聲道管理規(guī)范》。在諸多政策、標(biāo)準(zhǔn)的推動和指引下，廣東廣播電視4K，N道和中央廣播電視總臺4K頻道正式開播，國內(nèi)省級臺紛紛展開在超高清領(lǐng)域的探索和實(shí)踐。

2018年9月，國家廣播電視總局印發(fā)《4K超高清電視技術(shù)應(yīng)用實(shí)施指南（2018版）》，適用于3840X2160分辨率、50幀/秒幀率、10bit量化精度、BT.2020色域、高動態(tài)范圍（HDR）的4K超高清電視節(jié)目制作、播出、編碼、傳輸系統(tǒng)與終端的適配。BT.2020標(biāo)準(zhǔn)主要從以下五個要素對超高清電視系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范：分辨率、幀率、量化值、色域、高動態(tài)范圍（見圖1）。這五個方面的變化，直接導(dǎo)致UHD節(jié)目的生產(chǎn)難度大大增加。以下對這些難點(diǎn)逐一分析。

1分辨率、幀率、量化值帶來的變化

UHD分辨率由HD（1920×1080）提高到4K（3840×2160）和8K（7680×4320）。刷新率方面，取消了原有的隔行掃描，UHD全部采用逐行掃描，幀率從50P起，最高可達(dá)到120P甚至更高。量化由原來的8bit提升為10bit（4K）和12bit（8K）或更高。

分辨率、幀率、量化值指標(biāo)的提高，對于生產(chǎn)系統(tǒng)提出了更高要求。首先，存儲系統(tǒng)大幅增加，以HD為例，中國大部分電視臺的生產(chǎn)碼率采用100Mb/s（50I）和120Mb/s（50I）;4K生產(chǎn)碼率從500Mb/s（sony XAVC編碼）起，最高可達(dá)到1.8Gb/s（apple prores 422HQ）。如果生產(chǎn)系統(tǒng)采用raw格式，數(shù)據(jù)量將會更加驚人。其次，對于后期制作系統(tǒng)的運(yùn)算能力也提出了更高要求，由于數(shù)據(jù)量大幅提升，相應(yīng)的對CPU、內(nèi)存、顯卡等設(shè)備的計(jì)算能力要求也大幅提升。

2色域

從HD電視到UHD電視明顯變化體現(xiàn)在兩個方面，色域由REC.709變?yōu)锽T.2020，動態(tài)范圍由SDR（標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)范圍）提升為HDR。因?yàn)檫@兩點(diǎn)變化，直接導(dǎo)致整個生產(chǎn)系統(tǒng)，從前期拍攝到后期制作需要全面升級，重新規(guī)劃。

BT.2020色域相較于REC.709，見圖2，色彩范圍大幅提升，目前采用SDR的HD電視系統(tǒng)，不管是從攝像機(jī)，還是制作系統(tǒng)到監(jiān)視設(shè)備，都不支持BT.2020，無法按照BT.2020色域進(jìn)行生產(chǎn)。

人眼動態(tài)范圍特性：人眼具有很高的動態(tài)范圍，其絕對靈敏度能從30unt～20000nt。在瞳孔不變的情況下，在同一場景中能夠識別的最大對比度約為100000：1。相對的，顯示設(shè)備的“幀內(nèi)對比度”性能也要求HDR系統(tǒng)能夠再現(xiàn)100000：1對比度，這樣才能滿足人眼的可視要求。目前的SDR電視系統(tǒng)的適配顯示終端為100nt亮度，必須把拍攝場景的動態(tài)范圍控制在較小的1000：1，不能滿足人眼的可識別的100000：1對比度。

在目前的電視節(jié)目生產(chǎn)過程中，視頻信息經(jīng)歷了OETF（光電轉(zhuǎn)換特性）、EOTF（電光轉(zhuǎn)換特性）兩個過程，這兩個過程相乘就是整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換特性O(shè)OTF（光光轉(zhuǎn)換特性），如圖3所示。其中，攝像機(jī)伽瑪為OETF;監(jiān)視器伽瑪為EOTF;系統(tǒng)的伽瑪為OOTF，即攝像機(jī)伽瑪和監(jiān)視器伽瑪?shù)某朔e。對于SDR電視系統(tǒng)，系統(tǒng)伽瑪=1/2.2×2.4≈1.1。

在SDR內(nèi)，無法再現(xiàn)人眼所見的全部亮度動態(tài)范圍，電視再現(xiàn)的人物或者主體亮度大約控制在幾十尼特，超過100nt的高亮部分無法正常顯示，導(dǎo)致部分高亮區(qū)域的灰度層次丟失（過曝）。HDR則建立了比SDR更大的色彩/亮度體系，并改變系統(tǒng)的傳輸函數(shù)，從而再現(xiàn)更大的色域和更高的亮度動態(tài)范圍，達(dá)到人眼可識別的最大對比度100000：1。典型HDR電視系統(tǒng)制作流程見圖4。

目前HDR標(biāo)準(zhǔn)格式較多，在2016年7月，國際電聯(lián)發(fā)布了ITU-RBT，2100標(biāo)準(zhǔn)，建議采用PQ（Perceptual Quantization，感知量化）（ST2048）和HLG（Hybfid-L09Gamma）作為播出格式。

PQ曲線（EOTF）按照人眼靈敏度設(shè)計(jì)，其體系的基本理念是再現(xiàn)被攝景物的絕對亮度。PQ制作流程中，攝像機(jī)拍攝信號的電平范圍為0～10000%，經(jīng)過Pq非線性處理后的信號電平被壓縮到0～100%，峰值白對應(yīng)的100%電平占輸出電平50%，100%～10000%的高亮度電平占輸出電平剩余的50%。系統(tǒng)能夠再現(xiàn)的動態(tài)范圍是正常曝光量的100倍。

HLG的EOTF非線性特性是兼容SDR設(shè)計(jì)，再現(xiàn)相對亮度，是對傳統(tǒng)電視體系的改進(jìn)，擴(kuò)展了高亮度景物的再現(xiàn)能力。HLG制作流程中，攝像機(jī)拍攝信號的電平范圍為O～1200%，經(jīng)過HLG非線性處理后的信號電平被壓縮到O～100%，峰值白對應(yīng)的100%電平占輸出電平50%，100%～1200%的高亮度電平占輸出電平剩余的50%。系統(tǒng)能夠再現(xiàn)的動態(tài)范圍是正常曝光量的12倍。

在兼容SDR方面，由于PQ和HLG采用了完全不同的亮度體系，在向下兼容方面也有所不同。PQ制作的HDR母版在傳輸時分為雙層數(shù)據(jù)（Dolby Vision）和單層數(shù)據(jù)（HDRl0）傳輸，雙層數(shù)據(jù)傳輸時分為用于普通電視的基本層和包含HDR信息的增強(qiáng)層，基本層在現(xiàn)有的SDR系統(tǒng)中直接解碼基本層信息，顯示對比度和彩色正常的圖像;增強(qiáng)層在支持HDR的顯示設(shè)備中解碼基本層和增強(qiáng)層的全部信息，顯示HDR圖像。這里需要注意的是，采用雙層數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜Q系統(tǒng)需要授權(quán)。單層數(shù)據(jù)傳輸時，用PQ制作的HDRl0母版插入靜態(tài)元數(shù)據(jù)后進(jìn)行傳輸，支持HDRlO的顯示設(shè)備在檢測到碼流中的元數(shù)據(jù)后自動轉(zhuǎn)入HDRl0模式顯示HDR圖像。現(xiàn)有的SDR顯示設(shè)備無法正常顯示單層數(shù)據(jù)傳輸?shù)腍DR圖像，只能顯示對比度和彩色不正常的灰暗圖像。

HLG模式由于采用了相對亮度體系，可以實(shí)現(xiàn)HDR與SDR的直接兼容。無需雙層數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)傳輸，只需要在數(shù)據(jù)中加入HLG標(biāo)識符，支持HLG的顯示設(shè)備檢測到HLG標(biāo)識符后自動轉(zhuǎn)入HLG HDR模式，顯示HDR圖像;而現(xiàn)有的SDR顯示設(shè)備則顯示對比度正常、彩色飽和度略為降低的SDR圖像。

34K UHD電視制作系統(tǒng)需求

通過討論UHD電視的五個主要技術(shù)指標(biāo)可以看到，UHD電視節(jié)目的技術(shù)提升很大，不管是前期拍攝，或者后期制作，對設(shè)備和技術(shù)要求都大大提升，以4K電視制作為例。

3.1前期拍攝要求

攝像機(jī)：必須采用4K或者更高分辨率的設(shè)備，其動態(tài)范圍必須大于13擋，伽瑪必須采用HDR伽瑪（PQ、HLG、slog3等），色域選用BT.2020或者更大色域。

記錄素材格式：必須選用4K或者更高的分辨率，采用16bit RAw格式，或者10bit～12bit log模式4：4：4或者

4：2：2格式，色域選用BT.2020或者更大色域。

監(jiān)視器：亮度需要選用600nt以上，最好1000nt或者更高，動態(tài)范圍至少10000：1，最好大于100000：1，伽瑪必須采用HDR伽瑪（PQ、HLG、slog3等），色域選用BT.2020或者更大色域。

3.2后期制作系統(tǒng)

監(jiān)視器：必須采用4K或者更高的分辨率，亮度需要選用600nt以上，最好1000nt或者更高，動態(tài)范圍至少10000：1，最好大于100000：1，伽瑪必須采用HDR伽瑪（PQ、HLG、slog3等），色域選用BT.2020或者更大色域。

波形監(jiān)視器：必須支持4K或者更高的分辨率，伽瑪必須采用HDR伽瑪（PQ、HLG、slog3等），色域選用BT.2020或者更大色域。

非線編制作系統(tǒng)：素材采集支持RAW、log格式文件，采用BT.2020或者更大色域;制作空間支持BT.2020或者更大色域;輸出空間支持4K、HDR伽瑪（PQ、HLG、slog3等）、BT.2020色域。

4UHD/HD混播階段的下變換

伴隨中央廣播電視總臺、廣東廣播電視臺4K頻道的正式開播，國內(nèi)省級臺也紛紛在4K UHD制播領(lǐng)域進(jìn)行嘗試和探索，由于資金、人才、節(jié)目源的制約，初步從4K/HD混播的方式進(jìn)行建設(shè)。但4K節(jié)目如果需要在其他高清頻道播出，上下變換就是不可避免的技術(shù)環(huán)節(jié)，一般通過媒資系統(tǒng)依據(jù)播出編排單給轉(zhuǎn)碼平臺添加轉(zhuǎn)碼任務(wù)，轉(zhuǎn)碼為目標(biāo)頻道所需文件播出格式備播。這就需要轉(zhuǎn)碼平臺必須支持4K超高清節(jié)目制作格式碼率文件轉(zhuǎn)為HD播出格式碼率文件的功能，同時支持HDR轉(zhuǎn)為SDR，BT.2020轉(zhuǎn)為BT.709，三維聲轉(zhuǎn)為立體聲的功能。通過對制播流程的梳理，4K-HDR下變換為HD—SDR節(jié)目播出，轉(zhuǎn)碼平臺下變換系統(tǒng)性能是保證節(jié)目技術(shù)質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)。

HD采用Rec.709色域，而4K UHD采用4K素材使用Rec.2020，有SDR和HDR兩種方式。面向HD成片優(yōu)先的生產(chǎn)階段，演播室素材優(yōu)先下變換1080/50P格式，批量進(jìn)行畫幅、色彩空間的轉(zhuǎn)換，并且碼率可以得到有效控制，適配HD制作需求。下變換的1080/50P素材與原有的4K素材保持相同的時間碼與幀速率，用于HD成品的復(fù)雜編輯。

就目前情況，在技審、文件化、備播流程中，主流非編軟件都可以很好地支持，通過對4K HDR原素材的制作，下變換后的高清素材也具備更高動態(tài)范圍及亮度，對HD和4K進(jìn)行兩個版本的處理。隨著非編性能的進(jìn)一步提升和4K節(jié)目量的提升，使用4K素材進(jìn)行后期處理，依靠軟件自身的算法自行產(chǎn)生優(yōu)化碼率，提高編輯的實(shí)時性。工作過程中，隨時進(jìn)行原始碼率和優(yōu)化碼率的切換，完成4K SDR/HDR版本的制作。下變換HD素材，軟件自動從4K素材原始分辨率下變換HD，節(jié)省了前端素材轉(zhuǎn)換高清版本的時間開銷和高清版本套4K的工作，節(jié)省了各自版本的調(diào)色、包裝合成工作，同時確保了高清版本、4K版本的一致性。

5總結(jié)

筆者歸納了UHD電視節(jié)目在生產(chǎn)過程中需要關(guān)注的關(guān)鍵因素，以及4K UHD電視制作系統(tǒng)需求，并針對當(dāng)前UHD/HD混播階段的下變換的技術(shù)特點(diǎn)。

UHD電視目前正處于蓬勃發(fā)展期，新的標(biāo)準(zhǔn)、新的技術(shù)、新的設(shè)備正如雨后春筍一樣層出不窮，可以預(yù)見的是，UHD電視的發(fā)展會帶動電視生產(chǎn)行業(yè)的技術(shù)更新和產(chǎn)業(yè)升級。