影視制作專業問答7

王亞明

HLG制作時如何處理超過100%電平的超白信號？

電視從模擬過渡到數字后在很長時間內兩種信號形態是并存的，在制作和傳輸、播出的鏈路中模擬信號很容易產生幅度變化和波形失真，而數字信號則不受影響。為了防止模擬與數字信號互轉時產生損失，電視行業采用了有限域（Limited range，或稱為窄域Narrow range），為用數字信息表達模擬電視信號電平保留了適當的余量。有限域為“比黑還黑”的低電平亞黑預留了7%，為“比白還白”的高電平超白預留了9%，總的電平范圍是-7%至109%。

模擬電視信號的峰-峰值為1V，其中同步占0.3V，視頻0.7V（700mV）。為了從全電視信號中正確分離出同步信號，必須把視頻信號保持在黑電平（0mV，0%）以上；為防止電視發射機過載，視頻信號電平必須被嚴格限制在峰值白（700mV，100%）以下，低于0電平的亞黑和高于700mV（100%）的超白都是禁止使用的，視頻信號對量化資源的利用率為86%。

由于高清電視只用數字信號播出，隨著模擬標清電視廣播逐步關停，完全數字化的高清電視制作和播出不再禁止使用亞黑與超白區域的電平資源。例如，標清攝像機默認的拐點處理范圍大約為90-100%，高清攝像機則提高到了98-109%。

HLG與高清SDR一樣，信號電平采用窄域（Narrow r a n g e）表示法，不禁止使用亞黑與超白電平。I T U的BT.2390報告明確說明，建議HLG制作時使用100%電平以上的超白區域，以提高HLG的動態范圍。因此，在HLG拍攝、制作和播出流程中，攝像機、制作和播出設備應關閉HDR WHITE CLIP（HDR白削波），攝像機與轉換器的SDR輸出設置也應關閉WHITE CLIP，以充分利用信號電平資源。

即使在之后的鏈路中某些設備因某種原因暫時未支持亞黑與超白區域的信號傳輸或顯示，攝像機使用超白電平資源也不會對圖像質量或系統運行帶來負面影響。如果鏈路中全部設備都支持亞黑與超白電平的傳輸和處理，HLG的動態范圍可以在不增加成本的情況下提高近1倍。

HDR攝像機還有拐點處理嗎？

與標清和高清SDR攝像機一樣，為了保留超過HDR動態范圍的高亮度信息，HDR攝像機仍然有拐點處理。不過，由于PQ的動態范圍遠大于攝像機動態范圍，實際上HDR攝像機的拐點只對HLG有意義，建議HLG拍攝時打開HDR拐點（HDR KNEE）。

為什么用BT.2100公式計算的PQ和HLG參考OETF與BT.2408和BT.2390的推薦值不同？

根據該公式以及HLG參考OETF公式的說明可以計算出，100%動態范圍（100尼特）時HLG的電平E為50%，200%為66%，320%為75%，……700%為90%，1200%為100%。

根據PQ和HLG的參考OETF公式，可以得出兩者的OETF曲線。

從PQ的參考OETF公式和曲線可以看到，100%動態范圍對應的電平為51%，51%以下的電平資源用于SDR內容，51%以上的電平資源用于100-10000%高動態范圍的HDR內容。

從HLG的參考OETF公式和曲線可以看到，以100%動態范圍對應的50%電平為分割點，HLG的OETF是由兩個部分組成的。用于SDR內容的50%以下電平部分采用與傳統電視攝像機伽瑪相似的平方根函數，兩者的區別是BT.709伽瑪值為1/2.2≈0.45，HLG 50%以下電平的伽瑪值為1/2=0.5；100-1200%高動態范圍對應的50%以上電平采用了自然對數函數。

從BT.2100-2的公式和OETF曲線可以看到，PQ與HLG都把電平資源的一半用于SDR內容，與100%動態范圍對應的電平分別為51% PQ和50% HLG。

不過，從2017年10月開始，BT.2408、BT.2390-3報告推薦的PQ與HLG OETF電平值與BT.2100公式的計算值是有差別的。在BT.2408的表1中，100%動態范圍對應的PQ與HLG電平不是BT.2100公式計算的51% PQ和50% HLG，而是58% PQ和75% HLG。如果結合EOTF來看，100%動態范圍對應的顯示亮度也不是BT.2100公式計算的100尼特，而是203尼特。

以BT.2408的表1為基準，雖然BT.2100的公式沒變，但對PQ和HLG的OETF使用方法變了。

對比BT.2100的理論值，BT.2408的推薦值對PQ的OETF動態范圍壓縮了2倍，原來對應200%動態范圍的58%電平在BT.2408的表1中代表100%動態范圍；BT.2408推薦值對HLG的OETF動態范圍壓縮了3.2倍，原來對應320%動態范圍的75%電平在BT.2408的表1中代表100%動態范圍。

由于PQ的100%動態范圍對應電平從理論值的51%提高到了原200%動態范圍對應的58%，PQ的動態范圍也從理論值10000%/100%=100倍降低到了10000%/200%=50倍（5000%），是理論值的1/2；HLG的100%動態范圍對應電平從理論值的50%提高到了原320%動態范圍對應的75%，HLG的動態范圍則從理論值1200%/100%=12倍降低到了1200%/320%=3.75倍（375%），是理論值的1/3.2，這就是專業答疑系列連載5里曾經介紹過的HLG50與HLG75的由來。如果使用超白電平資源，HLG的動態范圍可以擴展到620%。

很明顯，BT.2408和BT.2390報告從實用的操作層面對PQ和HLG的OETF使用方法進行了調整。個人認為，調整的原因有三個。

首先，增加了SDR內容的電平資源。在BT.2100的HDR OETF理論值中，SDR與HDR內容平分了電平（量化）資源，只有一半電平用于100%動態范圍以下的SDR內容。10比特量化時可用的灰階數量為1024個，采用窄域表示法的HLG只有876個灰階可用，HDR內容占用一半后SDR可用的灰階數量只有438個。在HDR信號中，主要信息都集中在SDR內容里， BT.2408的推薦值增加了SDR內容的電平（量化）資源，特別是HLG調整后SDR內容的量化資源比理論值增加了25%，雖然降低了動態范圍，但從整體看有助于改善HDR圖像的綜合質量。

其次，提高了SDR上轉換內容的亮度。制作HDR節目時可能會使用一些SDR素材，采用場景參考映射把SDR上轉換成HDR時，依據BT.2100的OETF理論值SDR峰值白映射到HDR信號的50%電平，在1000尼特HDR監視器和電視機上SDR峰值白顯示100尼特亮度。實際上新型LCD高清電視機的顯示亮度比專業監視器高得多，其峰值亮度大多在200尼特以上，而上轉換的SDR峰值白在HDR電視機上顯示亮度只有100尼特，比現有的高清電視機暗。采用BT.2408的OETF推薦值后上轉換的SDR峰值白達到了203尼特，與新型的高清電視機相當。

第三，建立了1000尼特峰值亮度的PQ與HLG轉換橋接點。PQ采用絕對亮度體系，顯示亮度只與信號電平有關，與顯示設備峰值亮度無關，顯示設備峰值亮度不同時，峰值亮度以下的圖像內容不受影響。HLG采用與高清一樣的相對亮度體系，顯示亮度不但與信號電平有關，還與顯示設備的峰值亮度有關，顯示設備峰值亮度不同時，顯示圖像的不同亮度層次都會受到影響。以BT.2408表1為例，監視器峰值亮度不同時，PQ監視器顯示的不同灰度卡亮度沒有變化，而HLG監視器顯示的不同灰度卡亮度就會與表1不同。采用BT.2408的OETF推薦值后，在峰值亮度1000尼特HDR監視器上PQ與HLG顯示的不同灰度卡亮度完全相同，為1000尼特PQ與HLG圖像的互轉建立了橋接點（Bridge point），有助于控制HDR轉換的圖像質量。

綜上所述，與BT.2100參考OETF理論值相比，雖然BT.2408的OETF推薦值降低了HDR的動態范圍，但帶來的好處更多，它規范了HDR制作電平，提高了HDR圖像的綜合質量，實用性更強。B&P

（未完待續）