影视制作专业问答2

2019-09-24王亚明

传播与制作 2019年8期

王亚明

什么是DCI放映机显示伽玛？

DCI（数字影院倡导联盟）是好莱坞几大电影制作、发行公司为推动电影放映数字化成立的公司。为规范数字电影放映市场，DCI制定了数字母版（DCDM）、发行拷贝（DCP）和放映机的行业标准，沿用了胶片电影的48尼特放映亮度和发行放映拷贝的伽玛值2.6。影院的黑暗环境、大尺寸放映银幕和观众注意力的高度集中需要显示图像有更高的量化精度，因此DCI的发行拷贝和放映机采用了12比特量化。

不过，数字电影的制作流程与胶片电影、电视不同，与显示伽玛匹配的对数特性拍摄伽玛并不是在前期拍摄时处理的，而是在后期的调色和数字母版制作时完成的，因此DCI只定义了放映机的显示伽玛，不像电视那样还需要定义拍摄伽玛。

电影与电视对动态范围的表达方式有什么差别？

由于历史原因，电视与电影行业采用不同的方式表达动态范围。首先是用词不同，电视用动态范围（Dynamic Range），电影用宽容度（Latitude）。其次是基准不同，SDR电视时代，行业惯例是以90%反射率白为基准，动态范围用百分比表示，电影以18%反射率灰为基准，宽容度用光圈档数表示，两者的详细比较和换算见表1。

SDR摄像机的伽玛特性与理论值有什么差别？

理论上，用百分比计量视频信号电平时，100%电平代表100% SDR动态范围。SDR时代并未定义测试摄像机动态范围使用的测试卡类型，行业惯例是拍摄包括90%反射率白在内的灰阶卡，调整曝光量使90%反射率白的输出电平为100%（700mV），对应亮度信号的100%动态范围，在监视器上显示100尼特峰值白亮度。这就意味着如果完全按理论值处理，SDR摄像机的动态范围只有100%，没有电平和亮度资源表现超过100%动态范围的高光。

对传输来说电平是资源，100%电平是上限，对显示来说亮度是资源，100尼特是上限，100%电平对应100尼特亮度。电视只能再现100%动态范围当然是不够的，比照胶片电影，在有限的电平和亮度资源范围内，电视系统希望能够再现的动态范围是300-600%，即能够再现超过测试白卡3至6倍亮度的灰度層次。

受限于电视信号的幅度和显像管亮度，只能在这个有限的范围内再现大于100%的动态范围。SDR电视处理这个问题的方法是拐点和斜率，即用90%左右的大部分信号电平表现100%动态范围以内的灰度层次以正确再现人脸面部或拍摄对象主体，剩余10%左右的少量电平表现100-600%动态范围的高光层次，使其被拐点和斜率压缩在很小的电平和亮度范围内。

模拟电视发射机对信号电平有严格要求，电视信号电平不允许超过1V，否则发射机就会面临过载的风险。为了在输出电平不超限的情况下提高动态范围，摄像机都采用了这种伽玛+拐点的处理方式。因此，在模拟电视时代摄像机的伽玛特性与理论值略有不同。

从图8和图9可以看到，SDR摄像机分配给高亮度部分的电平资源只有10%左右，由于显示伽玛的非线性指数特性，位于高电平端的10%电平对应的亮度资源大于10%，但对于100-600%的亮度动态范围来说亮度资源仍然非常有限。在实际的产品上不同摄像机厂商对拐点和斜率的处理并不相同，很多型号的摄像机允许用户对拐点和斜率在一定范围内进行调整，所以10%电平只是个大致的范围。

综上所述，SDR电视必须用大部分电平和亮度资源再现人脸面部或拍摄对象主体，用拐点和斜率给高亮度区域分配较少的电平和亮度资源，实际上胶片电影对画面中高亮度部分的处理也是这样的。

图10是柯达底片和放映拷贝的感光特性，分别对应拍摄和显示。因为图中水平轴是对数坐标，而且胶片密度与显示亮度是倒数关系，所以曲线形状看起来与电视的伽玛不太一样。尽管如此从右图仍然可以看到，放映拷贝在高亮度区域对动态范围的压缩处理与摄像机的拐点和斜率几乎是一样的，只不过胶片电影是在放映拷贝上对高亮度区域进行了压缩，而电视是在拍摄时处理。

电视技术从模拟过渡到数字后在很长时间内两种信号形态是并存的，因此必须考虑模拟与数字信号互转时的误差问题。电视行业制定技术标准时量化电平采用了有限域（Limited range，或称为窄域Narrow range），为用数字信息表达模拟电视信号电平保留了适当的余量。有限域为“比黑还黑”的低电平预留了7%余量，为“比白还白”的高电平预留了9%余量，实际可用的电平范围是-7%至109%，如图11所示。

数字传输不存在信号电平超限引起的电视发射机过载问题，因此进入数字时代后超过100%的电平资源是可用的。由于显示技术的发展，高于100尼特的亮度资源也是可用的。在实际的摄像机产品上可用电平资源为109%，如果仍然把10%的电平资源用于拐点和斜率，用于100%动态范围的电平就是98%。目前，大部分摄像机都把拐点的起始点设置在98%左右，而不是模拟时代的90%。如果不考虑拐点和斜率部分，现代SDR摄像机的伽玛特性与理论值几乎是一样的。

ITU定义的两种HDR伽玛有什么差别？

ITU-R BT.2100定义了两种用于高动态范围（HDR）电视的伽玛，感知量化（PQ）定义了EOTF，混合对数伽玛（HLG）定义了OETF，ITU建议目前制作这两种伽玛的HDR节目时使用峰值亮度1000尼特的监视器。由于HDR的亮度范围比SDR大得多，因此需要表达更多灰阶的量化资源，传输时8比特量化是不够的，需要10-12比特。

PQ是杜比推荐的HDR伽玛，其OETF曲线完全模拟人眼灵敏度。PQ采用绝对亮度体系，显示亮度只与信号电平有关，与设备无关，信号电平与显示亮度有一一对应的关系：51%电平对应100尼特，58%对应203尼特，70%對应600尼特，75%对应1000尼特，83%对应2000尼特，89%对应4000尼特，100%对应10000尼特。

用1000尼特监视器制作的PQ HDR母版称为PQ1000，2000尼特监视器制作的称为PQ2000，其余以此类推。与此对应，PQ1000的最高电平为75%，PQ2000的最高电平为83%，其余以此类推。电视机的峰值亮度低于制作母版时不能显示母版中高于电视机亮度的灰度层次和彩色，而高于制作母版峰值亮度的电视机只能显示与母版相同的最高亮度。

因此，采用PQ制作HDR节目时，监视器的亮度越高制作出的HDR母版亮度越高，如果节目母版是用高亮度监视器制作的，电视机的亮度越高，能够显示HDR节目中高亮度层次和彩色的内容就越多。由于PQ对显示设备精度要求很高，必须在播出码流中加入控制显示设备性能的元数据形成完善的HDR方案才能充分发挥其优势。

HLG是BBC和NHK推荐的HDR伽玛，其OETF曲线50%以下电平的部分与现有摄像机伽玛几乎是一样的，50%以上为对数伽玛，是两种伽玛的混合，这也是HLG混合对数伽玛名称的由来。HLG采用与现有电视一样的相对亮度体系，显示亮度不但与信号电平有关，还与显示设备有关，信号的最高电平对应显示设备的最高亮度。

从HDR的角度看，可以认为SDR摄像机拐点和斜率处理的高亮度内容就是“HDR”，只不过SDR电视分配给拐点/斜率的电平和亮度资源比HDR电视少得多。换言之，可以把HLG伽玛曲线高于100%动态范围的HDR部分看作是SDR电视拐点/斜率的升级和扩展。HLG在兼容现有SDR电视的基础上提升了动态范围，因此更适合广播电视行业应用。

从图14不同伽玛的OETF曲线可以看到，在SDR和HDR电视体系中，以100%动态范围为分界点，低于100%动态范围的是SDR内容，高于100%动态范围的是HDR内容。SDR电视用于SDR内容拍摄的电平资源为98%，HDR为11%，只占可用电平资源的10%；PQ和HLG用于SDR的电平资源分别为58%和75%，只是SDR电视的60-70%左右，而用于HDR的电平则占可用资源的30-40%，比SDR电视的10%多了几倍。

图15是不同峰值显示亮度时PQ与HLG的EOTF特性。PQ采用绝对亮度体系，其EOTF曲线是唯一的，显示设备峰值亮度不同时在PQ曲线上只是改变了上截止点的位置，而采用相对亮度体系的HLG则分别表现为不同的EOTF曲线，因此HLG定义了OETF而不是EOTF，因为HLG的EOTF不是唯一的。

在不同峰值亮度的监视器上，58% PQ电平表现的SDR亮度都是203尼特，而75% HLG电平表现的SDR内容在不同峰值亮度监视器上是不一样的，1000、800、600和400尼特监视器显示的SDR亮度分别为203、172、138和101尼特，这就是绝对亮度与相对亮度体系的差别。

在亮度资源方面，S D R电视分配给H D R的资源不到20%，而HDR电视的大部分资源都用于HDR。绝对亮度体系的PQ用于SDR的亮度资源是固定不变的203尼特，显示峰值亮度越高HDR比例越大，相对亮度体系的HLG峰值亮度不同时，用于HDR的亮度资源大约是SDR的4至5倍，这也是绝对亮度与相对亮度体系的差别。

虽然ITU只定义了PQ和HLG两种HDR电视伽玛，但从技术角度来看，包括BT.1886在内，所有类型的对数伽玛都可以用于HDR拍摄、制作和显示。

HLG可变伽玛的作用是什么？

在传统电视的相对亮度体系中，母版亮度电平与显示亮度是全部映射关系，不同亮度显示设备的伽玛值相同，当显示设备亮度改变时暗部、中部和亮部同比变化，由于不同显示设备的最高亮度不同制作端无法控制显示端的亮度。HLG也是相对亮度体系，与现有电视系统的区别是引入了可变伽玛。

HLG的系统伽玛不是固定值，而是依据显示屏的亮度可变，其计算公式为：