4K HDR技術(shù)發(fā)展、制作和播出流程

王亞明 索尼中國(guó)專業(yè)系統(tǒng)集團(tuán) 創(chuàng)新業(yè)務(wù)開發(fā)本部

1.引言

廣播電視從標(biāo)清發(fā)展到高清，只改變了分辨率和寬高比，色域、亮度和伽馬都沒有變化。我們現(xiàn)在正面臨從高清向4K的發(fā)展，4K不能不提到HDR，如果僅僅是4K，只是把水平分辨率和垂直分辨率提高一倍，然而從高清發(fā)展到超高清4K HDR，不但改變了分辨率，還改變了色域、亮度和伽馬。圖1是與2維活動(dòng)圖像質(zhì)量相關(guān)的5個(gè)要素。

2. 高質(zhì)量HDR制作需要解決精確控制曝光的問題

攝像機(jī)前期拍攝時(shí)，正確曝光是一件非常困難的事。HDR需要顯示高亮度，攝像機(jī)的小尺寸取景器不可能做到那么高的亮度，無(wú)法正確再現(xiàn)HDR畫面，因此很難精確控制正確的曝光。見圖2，攝像機(jī)1/2檔光圈變化下亮度變化，在100尼特SDR高清監(jiān)視器上觀看的SDR圖像對(duì)光圈變化造成的亮度變化敏感，同樣，在高清攝像機(jī)的尋像器中亮度也有明顯的變化。但同樣攝像機(jī)1/2檔光圈變化下亮度變化，在1000尼特4K HDR監(jiān)視器上觀看的HDR圖像對(duì)光圈變化造成的亮度變化不敏感。

針對(duì)攝像機(jī)的小尺寸取景器上無(wú)法正確再現(xiàn)HDR畫面，很難精確控制曝光的問題，索尼建議：看高清SDR圖像，制作4K HDR節(jié)目。這樣做的好處，一是可減少HDR監(jiān)視器數(shù)量，降低成本；二是不改變現(xiàn)有工作習(xí)慣即可制作出高質(zhì)量HDR節(jié)目。

目前很多設(shè)備已經(jīng) 4K 化，同時(shí)很多節(jié)目要做4K HDR和高清的兩個(gè)版本。一個(gè)高質(zhì)量的4K HDR節(jié)目，如果不做任何處理下變換成高清的SDR，曝光會(huì)變得非常不準(zhǔn)。因?yàn)橄喈?dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)高清仍是主流，目前4K HDR畢竟還是少量的高端節(jié)目制作，所以首先要解決如何正確曝光的問題。

圖1 與2維活動(dòng)圖像質(zhì)量相關(guān)的5個(gè)要素

圖2 高質(zhì)量HDR制作需要解決的問題：精確控制曝光

2100 標(biāo)準(zhǔn)雖然已經(jīng)頒布，但各個(gè)廠家對(duì) 2100 標(biāo)準(zhǔn)的理解不一樣，這導(dǎo)致同樣亮度的畫面在不同廠家HDR監(jiān)視器上的顯示效果不一樣，這還不是主要問題，主要問題是目前HDR監(jiān)視器還很昂貴，考慮到經(jīng)濟(jì)成本，我們不可能給4K HDR制作流程配這么多HDR監(jiān)視器。

基于以上原因，索尼專門開發(fā)了適用于直播和錄播能夠?qū)崿F(xiàn)正確曝光的流程，我們把它稱為SRLive。開發(fā)SR-Live流程的目的，是在節(jié)目制作時(shí)只需監(jiān)看高清SDR監(jiān)視器，因?yàn)橥瑯拥墓饩€變化，亮度在高清SDR監(jiān)視器上的呈現(xiàn)是非常敏感的，最重要是目前所有視頻工程師、制作人員熟悉高清制作流程。所以SR-Live還是按照高清的流程，監(jiān)看高清SDR監(jiān)視器調(diào)光圈，此時(shí)4K HDR處理器會(huì)同步變化，也就是說(shuō)看高清SDR監(jiān)視器制作4K HDR畫面，并可以同步得到4K HDR的高質(zhì)量圖像，而且曝光非常準(zhǔn)確。這樣的好處一是節(jié)省經(jīng)費(fèi)投入，一個(gè)系統(tǒng)只配一臺(tái)4K HDR監(jiān)視器，其他全配高清SDR監(jiān)視器；二是還按照高清的工作流程制作節(jié)目，不用去熟悉和顧及4K HDR的曝光，結(jié)果可同步得到4K HDR和高清SDR兩個(gè)版本的節(jié)目。

3.索尼SR-Live

3.1 4KHDR與SDR直播 /同播制作系統(tǒng)

索尼 4K 攝像機(jī)的基帶處理器單元（BPU）支持多路數(shù)字信號(hào)處理引擎，可同時(shí)輸出4K和高清信號(hào)，可將不同的OETF曲線分配到獨(dú)立的輸出格式上。

使用一個(gè)攝像機(jī)系統(tǒng)同步制作的優(yōu)勢(shì)如下：

（1）圖像的色調(diào)和觀看效果能夠在各種輸出信號(hào)之間進(jìn)行同步控制；

（2）對(duì)HDR和SDR輸出信號(hào)的亮度電平進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

調(diào)整攝像機(jī)的光圈使 SDR 信號(hào)的白色基準(zhǔn)電平相當(dāng)于100%時(shí)HDR圖像看起來(lái)對(duì)比度不足，如果將HDR信號(hào)的白電平擴(kuò)展到200%左右SDR圖像會(huì)過(guò)曝光，為解決這個(gè)問題索尼為攝像機(jī)系統(tǒng)研發(fā)了“SDR增益”調(diào)整功能。

“SDR 增益”調(diào)整功能能夠?qū)?HDR 和 SDR 信號(hào)路徑之間的差異進(jìn)行設(shè)置，為每一路4K和高清信號(hào)完美地配置必須的亮度范圍。在一般條件下，高亮度的拍攝場(chǎng)景應(yīng)當(dāng)使用相對(duì)較大的增益差值，昏暗的拍攝條件則最好選擇較低的值。實(shí)際數(shù)值必須根據(jù)具體情況而確定，最常用的差值選擇范圍在-6dB 到-10dB之間；在多攝像機(jī)制作環(huán)境中設(shè)定SDR增益時(shí)，在所有的攝像機(jī)中應(yīng)設(shè)置統(tǒng)一的SDR增益值，在實(shí)際拍攝過(guò)程中請(qǐng)勿更改SDR增益值。

“SDR 增益”性能的優(yōu)勢(shì)如下：

（1）視頻工程師（VE）只要在拍攝前設(shè)定SDR和HDR信號(hào)路徑之間適當(dāng)?shù)脑鲆娌睿湍茉谄胀⊿DR信號(hào)基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像調(diào)光操作；

（2）視頻工程師可以根據(jù)自己之前進(jìn)行高清節(jié)目制作時(shí)取得的經(jīng)驗(yàn)和技巧使用高清波形監(jiān)視器、SDR顯示設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)，確定制作圖像的效果，節(jié)省設(shè)備投資。

圖3 SR-Live：4K HDR 與 SDR 直播 /同播制作系統(tǒng)

3.2 4KHDR與SDR同播/雙播制作系統(tǒng)

在 SR-Live 4K HDR 與 SDR 同播 /雙播制作系統(tǒng)中，監(jiān)看HD SDR，制作4K HDR，視頻工程師在SDR環(huán)境下能夠完成HDR調(diào)光。

4.4K HDR非實(shí)時(shí)錄播制作流程

4KHDR 非實(shí)時(shí)錄播制作有三個(gè)空間，一個(gè)是拍攝空間，一個(gè)是制作空間，一個(gè)是輸出或者叫顯示空間。HDR的錄播流程和直播流程一樣，攝像機(jī)有HDR和SDR兩個(gè)獨(dú)立的處理器，攝像機(jī)存儲(chǔ)卡可以同時(shí)記錄高清SDR和4K HDR兩個(gè)碼流。首先，設(shè)置攝像機(jī)SDR與HDR增益差-6dB（相當(dāng)于1檔光圈），然后攝像師仍然按照原來(lái)高清的拍攝習(xí)慣，在攝像機(jī)尋像器上觀看高清畫面的曝光量是否合適，只要高清畫面的曝光量合適，同時(shí)記錄的4K HDR畫面的曝光量也同樣是合適的。

不管是 HDR 的直播流程還是 HDR 的錄播流程，通過(guò)攝像機(jī)HDR和SDR兩個(gè)獨(dú)立的處理器，可同步得到4K HDR和高清SDR兩個(gè)版本的節(jié)目素材。更重要的是在攝像機(jī)的小尋像器上或者在低成本的高清監(jiān)視器上，實(shí)現(xiàn)了拍攝4K HDR的質(zhì)量控制，既省錢也省事。

4KHDR 非實(shí)時(shí)錄播制作流程見圖 5。

5. ENG非實(shí)時(shí)錄播時(shí)的曝光控制

PXW-Z580：設(shè)置 SDR 與 HDR 增益差，使 SDR與HDR均獲得正確曝光。

圖4 SR-Live：4KHDR與SDR同播 /雙播制作系統(tǒng)

圖5 4KHDR 非實(shí)時(shí)錄播制作流程

（1）建議增益差：-6dB（1檔光圈）

（2）以HD SDR為基準(zhǔn)，不改變攝像師工作習(xí)慣。

HDR攝像機(jī)：建議比SDR正常曝光大1檔光圈

圖6 不同工作流下ENGGamma/彩色空間格式格式

操作：監(jiān)看 HDSDR，制作 4KHDR。

6. 制作與播出格式

傳統(tǒng)的電視制作采用“所見即所得”流程，拍攝、制作和顯示都使用相同的亮度、伽馬、色域空間。HDR和傳統(tǒng)的電視制作有非常大的區(qū)別，HDR制作更接近電影的制作流程，拍攝、制作、播出/傳輸、顯示可以使用不同的空間。

圖7 ENG非實(shí)時(shí)錄播曝光控制

國(guó)際電聯(lián) ITU-R BT.2100/GY/T 315-2018 建議，采用PQ（ST2084）和HLG作為HDR播出/傳輸格式。PQ和HLG是為HDR播出而不是為HDR制作設(shè)計(jì)的，所以在制作的時(shí)候有多種選擇，可以用PQ或HLG拍攝/制作HDR，但有些攝像機(jī)，特別是很多攝錄一體機(jī)不支持PQ/HLG，因此，也可以借鑒電影行業(yè)，在拍攝/制作時(shí)采用不同的格式，例如，高質(zhì)量拍攝采用16比特線性伽馬，制作采用更大的ACES色域，在直播前轉(zhuǎn)換為PQ/HLG，或錄播時(shí)輸出PQ/HLG。

7. 制作系統(tǒng)的空間

所謂空間即是指色域、亮度和伽馬。如果把拍攝素材看成米，可以把制作空間看成鍋，輸出空間就是大小不同的碗。調(diào)色制作時(shí)，制作空間這口鍋必須足夠大，即分辨率、量化比特和色域都要比米多、比碗大，才能確保不損失有效信息?？梢杂眯⊥耄ǜ咔錝DR/709色域）、中碗（4K SDR/709或P3色域）或大碗（4K HDR/2020色域）從制作空間這口大鍋里取得不同信息量的節(jié)目滿足不同需求。實(shí)際上, 輸入空間、輸出空間和很多攝像機(jī)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，攝像機(jī)會(huì)自動(dòng)記錄拍攝素材的色域、伽馬，在輸入空間和制作空間會(huì)自動(dòng)把不同伽馬、不同色域、不同量比特的素材進(jìn)行32比特線性、ACES/BT.2020、8∶8∶8/4∶4∶4 的轉(zhuǎn)換處理。

圖8 制作系統(tǒng)空間

綜上所述，制作空間應(yīng)取最大的色域 ACES，這樣可以保留最多的信息量， 以滿足不同的輸出空間的需求和未來(lái)技術(shù)的發(fā)展。

8. HDR中間母版格式S-Log3

以上提及，在制作的時(shí)候有多種選擇，可以用播出的PQ和HLG格式制作HDR節(jié)目，還可以用電影行業(yè)常用的對(duì)數(shù)伽馬作為中間母版格式制作HDR節(jié)目，例如索尼的S-Log3。采用索尼建議的HDR中間母版格式S-Log3具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）索尼攝影機(jī)使用的OETF，支持4000%動(dòng)態(tài)范圍；

圖9 不同空間色域比較

（2）可利用成像器件的全部動(dòng)態(tài)范圍；

（3）基于Cineon數(shù)字負(fù)片性能設(shè)計(jì)，與電影行業(yè)的Cineon對(duì)數(shù)伽馬幾乎完全相同（見圖10）；

（4）已經(jīng)獲得大多數(shù)后期制作設(shè)備支持，調(diào)色師也非常熟悉；

（5）既適合制作中間母版，也適合10比特接口傳輸；

（6）S-Log3是一個(gè)把HDR制作化繁為簡(jiǎn)的工具，制作者只需考慮圖像質(zhì)量，無(wú)需考慮播出格式。

通過(guò) HDR 中間母版格式 S-Log3，可以在制作空間用S-log3進(jìn)行HDR制作，然后再轉(zhuǎn)成PQ或者HLG去播出。2018年世界杯4K HDR節(jié)目制作和播出采用的就是這種方式。索尼公司的HDRC-4000 HDR轉(zhuǎn)換單元可以完成HDR制作和播出的各種格式轉(zhuǎn)換。

圖10 電影 Cineon與 sony S-Log3對(duì)數(shù)伽瑪曲線比較

使用 S-log3 HDR 制作可得到最佳的圖像質(zhì)量，收錄時(shí)或第二次使用時(shí)也可以保持圖像質(zhì)量。使用S-log3與 HDRC-4000的 SR Live HDR 制作流程見圖12。

圖12 使用 S-log3 與 HDRC-4000 的 SR Live HDR 制作流程

9. 使用HLG Live的HLG 端到端工作流程

目前很多演播室攝像機(jī)都已經(jīng)支持 LOG 伽馬，此外，節(jié)目制作、節(jié)目播出也可以采用HLG，因此沒有必要再進(jìn)行HDR中間母版格式的轉(zhuǎn)換，這樣的HLG 端到端工作流程，可保持S-Log3/BT2020同等的圖像質(zhì)量，工作流程簡(jiǎn)單，此外在SDR監(jiān)視器上就可以看HLG信號(hào)，索尼已設(shè)計(jì)了這種流程，起名為HLG-live。

圖13 HLG Live 的 HLG 端到端工作流程

10. 不同亮度體系的比較

HDR 制作監(jiān)視器的亮度。做一個(gè)高質(zhì)量的 4K HDR節(jié)目必須要一個(gè)高質(zhì)量的HDR監(jiān)視器。

PQ是絕對(duì)亮度體系。PQ亮度電平與顯示亮度為部分映射關(guān)系，確定的電平值對(duì)應(yīng)確定的亮度；不同亮度電視機(jī)顯示的平均亮度（100尼特以下）相同；需要傳輸元數(shù)據(jù)。

HLG 是相對(duì)亮度體系。HLG 亮度電平與顯示亮度為全部映射關(guān)系，最高亮度電平對(duì)應(yīng)不同亮度電視機(jī)的最高亮度；可變伽馬使不同亮度電視機(jī)顯示的平均亮度（100尼特以下）相近；無(wú)需元數(shù)據(jù)。

PQ 把 100 尼特定義為 100% 動(dòng)態(tài)范圍。監(jiān)視器 /電視機(jī)亮度1000尼特時(shí)動(dòng)態(tài)范圍1000%，

……監(jiān)視器 /電視機(jī) 10000 尼特時(shí)動(dòng)態(tài)范圍10000%。

HLG 支持 1200% 動(dòng)態(tài)范圍。如果把 100 尼特定義為100%動(dòng)態(tài)范圍，1200%動(dòng)態(tài)范圍對(duì)應(yīng)1200尼特亮度。

HDR 節(jié)目的動(dòng)態(tài)范圍取決于制作監(jiān)視器亮度。監(jiān)視器亮度1000尼特時(shí)PQ與HLG的動(dòng)態(tài)范圍差不多，監(jiān)視器亮度超過(guò)1200尼特時(shí)PQ的動(dòng)態(tài)范圍大于HLG。

11. HDR制作、播出的幾個(gè)問題

11.1 節(jié)目亮度和曝光（調(diào)光/調(diào)色）控制

HDR 圖像應(yīng)該是什么樣的？ HDR 的目標(biāo)是在電視上再現(xiàn)人眼所見的全部動(dòng)態(tài)范圍（如北京奧運(yùn)會(huì)開幕式的焰火等高反差場(chǎng)景）。與SDR相比， HDR改變的是100尼特以上的峰值亮度，大部分高亮度區(qū)域的灰度層次和彩色都能再現(xiàn)；HDR再現(xiàn)的人物或主體亮度與SDR相同，仍然是幾十尼特，100尼特以下的圖像與現(xiàn)有的高清SDR相近；大幅度提高平均亮度、亮瞎眼的圖像是對(duì)HDR的誤解。

HDR 調(diào)光 /調(diào)色的目的是使監(jiān)視器畫面中需要表現(xiàn)的人物或主體灰度、彩色正確，符合制作者的創(chuàng)作意圖，觀看舒適，賞心悅目。HDR調(diào)光/調(diào)色的難度比SDR大得多，在高清SDR時(shí)代，制作出高質(zhì)量高清SDR節(jié)目后下變換就可以得到高質(zhì)量的標(biāo)清節(jié)目，然而在4K HDR時(shí)代，制作4K HDR節(jié)目后下變換得到的高清不一定是曝光準(zhǔn)確的高質(zhì)量節(jié)目。HDR的曝光容差比SDR大得多，只監(jiān)看HDR不能保證下變換的SDR曝光正確；在SR Live直播流程中正確設(shè)置HDR與SDR增益差并精確控制SDR曝光量，能同時(shí)得到高質(zhì)量的HDR與SDR。

不同亮度 SDR 與 HDR 電視機(jī)顯示圖像比較見圖14。由圖14可見：

（1）不同亮度HDR電視機(jī)顯示圖像的差別主要體現(xiàn)在100尼特以上的高亮度部分，100尼特以下的平均亮度差別不大；

圖14 不同亮度SDR與HDR電視機(jī)顯示圖像比較

（2）HDR電視機(jī)100尼特以下的圖像與現(xiàn)有的高清SDR電視機(jī)相近。

11.2 元數(shù)據(jù)管理

11.2.1 理想的HDR制作流程元數(shù)據(jù)管理

HDR 時(shí)代多種色域、伽馬共存，很容易出現(xiàn)因人工對(duì)設(shè)備設(shè)置的錯(cuò)誤而導(dǎo)致圖像質(zhì)量惡化的問題，因此需要用元數(shù)據(jù)對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)識(shí)。 HDR元數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)圖像的色域、色溫（白色坐標(biāo)）、伽馬（OETF/EOTF），以便下級(jí)設(shè)備自動(dòng)識(shí)別圖像格式。下級(jí)設(shè)備（如監(jiān)視器）依據(jù)元數(shù)據(jù)自動(dòng)設(shè)置色域、色溫、伽馬，避免設(shè)置錯(cuò)誤。實(shí)時(shí)的SDI/IP接口和非實(shí)時(shí)的圖像文件都需要處理元數(shù)據(jù)。理想的HDR制作流程元數(shù)據(jù)管理包括：

（1）元數(shù)據(jù)生成

攝像機(jī)元數(shù)據(jù)的生成，根據(jù)攝像機(jī)設(shè)置自動(dòng)生成色域、色溫、伽馬等元數(shù)據(jù)。節(jié)目制作時(shí)元數(shù)據(jù)的生成，根據(jù)需求人工設(shè)置輸出圖像的色域、色溫、伽馬、亮度等元數(shù)據(jù)。

（2）元數(shù)據(jù)傳輸

實(shí)時(shí)傳輸?shù)?SDI/IP 接口依據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)透?jìng)髟獢?shù)據(jù)，非實(shí)時(shí)文件依據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)嵌入/解嵌元數(shù)據(jù)。

11.2.2 元數(shù)據(jù)管理的現(xiàn)狀

元數(shù)據(jù)管理的現(xiàn)狀是，目前還不能在演播室攝像機(jī)SDI/IP信號(hào)接口中嵌入HDR元數(shù)據(jù)；部分?jǐn)z錄一體像機(jī)可在圖像文件或元數(shù)據(jù)文件中記錄色域、色溫、伽馬（OETF）；SMPTE正在修訂VPID（ Video Payload ID ）標(biāo)準(zhǔn)，在 SDI里加入伽馬、色域等元數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)元數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸； XAVC的MXF文件可設(shè)置伽馬、色域等元數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)文件元數(shù)據(jù)的傳輸；目前還未實(shí)現(xiàn)從拍攝、制作、播出到顯示的HDR元數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)/設(shè)置。

圖15 4KHDR 制作流程元數(shù)據(jù)管理

12. 總 結(jié)

（1）高質(zhì)量4K HDR制作的關(guān)鍵是選擇符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)視器

不同的監(jiān)視器峰值亮度和設(shè)置代表了與之對(duì)應(yīng)的顯示空間，正確設(shè)置的監(jiān)視器是高質(zhì)量4K HDR制作的基礎(chǔ)。

（2）HDR需要提高顯示亮度，但只提高顯示亮度并不是HDR。

電視機(jī)亮度是個(gè)容器，相當(dāng)于車廂，車廂越大能夠運(yùn)輸?shù)呢浳镌蕉啵涣炼然译A信息相當(dāng)于被運(yùn)送的貨物，車廂不夠大運(yùn)載不了足夠多的貨物；只提高顯示亮度不增加亮度信息量相當(dāng)于只增大車廂不增加貨物，降低了觀看舒適度，容易出現(xiàn)視覺疲勞。

（3）HDR監(jiān)視器的亮度

根據(jù)目前 HDR 監(jiān)視器、電視機(jī)的技術(shù)和產(chǎn)品水平以及ITU等國(guó)際組織的推薦，建議采用1000尼特HDR監(jiān)視器制作節(jié)目。

（4）記錄元數(shù)據(jù)

無(wú)論制作哪種 HDR 格式，必須記錄監(jiān)視器峰值亮度等性能數(shù)據(jù)。目前實(shí)時(shí)直播和非實(shí)時(shí)錄播節(jié)目制作過(guò)程中傳遞元數(shù)據(jù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未完成，需要制作者記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，用于HDR格式轉(zhuǎn)換或播出。

（5）相信自己的眼睛

在符合標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)視器上高質(zhì)量 4KHDR 節(jié)目看起來(lái)一定是舒適的，看著不舒服的圖像一定有問題。

（6）4K、HDR是基礎(chǔ)顯示技術(shù)，不僅用于電視行業(yè), 還應(yīng)用于所有顯示設(shè)備，小如手機(jī)、大如LED顯示屏等。