影视制作专业问答3

王亚明

为什么HDR文献里SDR系统伽玛值是1.2而不是1.1？

在问答系列连载1“为什么显示与拍摄伽玛需要匹配？”中已经介绍过，BT.709定义的SDR拍摄伽玛（OETF）为1/2.2=0.45，BT.1886定义的SDR显示伽玛（EOTF）为2.4，因此SDR的系统伽玛（OOTF）为2.4/2.2=1.1。而在BT.2390和很多HDR文献中，SDR的系统伽玛值是1.2。那么，SDR的系统伽玛值是1.1还是1.2呢？

系统伽玛1.1的显示图像对比度比实际场景略大，景物亮度增加1倍时显示端亮度的增量与摄像机光圈开大1.1档时的增量相同，因此显示亮度越高与景物端的对比度差距越大。SDR电视监视器的峰值亮度是100尼特，一般把亮度100尼特、系统伽玛1.1称为“标准对比度”。由于高亮度端的对比度比低亮度端大，而且现代家庭高清电视机显示屏的尺寸比较大，亮度也比100尼特高，在这样的情况下系统伽玛1.2时，其对比度与系统伽玛1.1的高亮度端标准对比度相当，所以包括ITU文件在内，几乎所有HDR文献中SDR的系统伽玛值都是1.2，而不是1.1。

HLG-Live与HLG的区别是什么？

HLG-Live是索尼对HLG的改进版本，也可以认为是“索尼版”HLG，配置在索尼广播级4K演播室摄像机、4K ENG肩扛摄录一体机等设备上。在这些设备上既可以选择BT.2100定义的标准HLG伽玛，也可以选择索尼的HLG-Live。HLGLive与HLG完全兼容，其OETF曲线形状与HLG相同，因此用HLG-Live拍摄的节目在HLG监视器和电视机上显示的图像与HLG完全相同，无需任何特殊处理。

HLG-Live与HLG的区别是灵敏度与转换SDR时的增益差不同。例如，索尼HDC4300摄像机设置为HLG-Live时，其灵敏度比设置为HLG提升了5dB，接近1档光圈，对低照度拍摄非常有利。HLG-Live下变换SDR时的增益差也比HLG小5dB，使用索尼HDRC4000转换器做HDR至SDR下变换时，如果摄像机选择HLG-Live，HDRC4000必须设置为AIR MACHNING ON与之匹配，其下变换SDR的增益差与摄像机下变换SDR的增益差相同，都比HLG下变换SDR增益差小5dB。同样地，用HDRC4000转换器把SDR上变换为HLG-Live信号时，也必须把AIR MACHNING设置为ON，转换增益也比SDR转换为HLG时小5dB，才能与系统内其他HLG-Live信号混合切换操作。

ITU-R BT.2408文件中HDR参考白基准信号电平的作用是什么？

HDR参考白基准信号电平是HDR制作的重要依据，其作用与SDR的峰值白信号电平相似，是HDR制作的定光点。

标清和高清电视信号有模拟与数字两种形态，模拟电视信号的峰-峰值为1V，其中同步占0.3V，视频0.7V（700mV），因为同步并不包含图像信息，所以电视制作只关注峰-峰值为700mV的视频。模拟电视的视频信号电平用mV或百分比表示，700mV=100%，数字信号用编码值代表不同的电平，但习惯上仍然沿用了模拟时代mV或百分比的电平表示法。超高清电视只有数字信号一种形态，因此在ITU文件里用百分比表示HDR电平。

BT.2408-2文件的表1列出了HDR参考白基准信号电平与显示亮度的关系：在白色信号电平幅度为58%时PQ伽玛HDR监视器上显示的白色亮度为203尼特；白色信号电平幅度为75%时1000尼特HLG伽玛HDR监视器上显示的白色亮度也是203尼特。

参考白基准电平定义的是100%动态范围对应的电平，具体来说就是用PQ伽玛摄像机拍摄100%反射率白色测试卡时输出电平幅度应为58%，HLG伽玛摄像机输出电平幅度应为75%。如果测试卡的反射率为90%，则PQ与HLG的电平应分别为57%和73%，监视器显示的白色亮度179尼特。

从电平的角度看，58% PQ或75% HLG参考白基准信号电平是一个分界线，低于参考白基准电平的内容是SDR，超过参考白基准电平的内容是HDR。参考白基准电平的作用是确定PQ或HLG拍摄制作的曝光基准也就是定光点，这个电平也是HDR制作时白色字幕的推荐电平。

SDR的峰值白電平是100%，对应SDR监视器100尼特亮度。对SDR制作来说，峰值白电平既有校准层面的意义，也有操作层面的意义。在波形监视器上，100%是最高电平，是定光点，对应拍摄场景内最高亮度的景物，因此峰值白电平既可以用于系统校准，也可以为调光工程师的曝光控制提供参考。

PQ和HLG的参考白电平分别是58%和75%，对应1000尼特HDR监视器203尼特亮度。对HDR制作来说，参考白电平只有校准层面的意义，没有操作层面的意义。在波形监视器上， 58%或75%是定光点但不是最高电平，并不对应拍摄场景内最高亮度的景物，调光工程师无法判断58%或75%电平对应哪些景物，找不到定光点，因此无法像SDR的峰值白电平那样为调光工程师的曝光控制提供参考。

ITU推荐的两种HDR制作流程有什么区别？

ITU-R BT.2408-2推荐了两种用HDR系统制作节目的流程，一种是用HDR调光制作HDR，也就是HDR优先，另一种是用SDR调光制作HDR，即SDR优先。

在HDR优先的制作流程中，为了获得高质量的HDR图像，HDR摄像机使用HDR监视器调光。由于HDR图像的曝光宽容度远大于SDR，因此获得高质量的HDR信号后，下变换SDR转换器必须采用智能化的动态映射才能获得高质量SDR输出。动态转换器旨在优化任何场景的HDR到SDR映射曲线，从而适应比固定（或静态）增益差映射曲线更宽的曝光范围。遗憾的是，市场上还没有符合要求的动态转换器产品，因此目前HDR优先的制作流程无法保证高清SDR图像质量。实际操作时，以HDR为基准调光制作HDR，采用固定增益差下变换得到的SDR图像有很大概率会过曝光。

在SDR优先的制作流程中，为了获得高质量SDR图像，HDR摄像机使用SDR监视器调光。大多数演播室HDR摄像机可以同时输出HDR和SDR信号，因此可以用SDR输出对摄像机进行调光，HDR输出可以使用相对于SDR的固定增益差（相当于曝光偏置）进行下变换，从而获得高质量的SDR图像。

BT.2408-2推荐用SDR调光制作HDR节目的主要原因如下：

·节省成本：为每个调光师配置HDR监视器和波监的成本很高；

·减轻视觉疲劳：HDR监视器峰值亮度比SDR高得多，调光工程师长时间观看容易出现视觉疲劳，判断力下降；

·提高调光精度：调整光圈时同样的曝光量变化在HDR监视器上亮度变化很小，在SDR监视器上亮度变化很大，因此SDR调光更精准；

·精准控制肤色曝光：肤色电平都在SDR范围内，用SDR调光能够精确控制SDR和HDR的肤色电平；

·确保高清质量：用SDR调光可在确保高清SDR图像质量的情况下同时获得高质量4K HDR图像；

·保留传统经验和习惯：SDR时代调光工程师多年积累的宝贵经验和操作习惯得以保留，无需改变。

因此，采用SDR调光制作HDR能够确保同时获得高质量高清SDR和4K HDR图像，符合现阶段节目制作和播出的要求。具体来说，4K HDR制作系统包括摄像机、切换台等核心设备均支持4K HDR，输出4K HDR节目信号，摄像机内置下变换高清SDR用于调光，4K HDR下变换的高清SDR用于系统节目输出。

用SDR调光制作HDR的核心是设置HDR转换SDR的增益差。HLG转换成SDR需要做电平、伽玛和色域映射，电平从HLG映射到SDR（BT.709），伽玛从HLG映射到SDR（BT.709），色域从BT.2020映射到BT.709。在三个映射中，伽玛和色域映射是产品制造商设计决定的，用户只能进行相应的选择和微调，最重要的是电平映射，用户需要设置HDR转SDR的增益差，使HLG电平正确映射到SDR。

大多数4K HDR演播室摄像机CCU都内置了HDR与SDR两个独立的信号处理器，可以同时输出4K HDR与高清SDR信号。由于HDR的动态范围比SDR大得多，摄像机以SDR为基准调光时HDR就会曝光不足，如果扩大光圈以HDR为基准调光时SDR就会曝光过度，为了使HDR与SDR都能正确曝光，需要用光圈控制HDR曝光，并为HDR与SDR处理器设置适当的增益差控制SDR曝光。

采用SDR优先的制作流程时必须用测试信号和测试卡检查、驗证摄像机CCU内置下变换SDR输出与4K HDR节目输出转换器下变换SDR信号的电平、伽玛和色域相同，两者有差别时需要对摄像机或转换器进行调整使之尽可能一致，以实现电视直播制作要求的“所见即所得”。

根据摄像机厂商提供的数据和实际测试验证，H D R转换SDR的增益差为-10.2dB，由于HLG-Live比HLG下变换SDR的增益差小5dB，所以HLG-Live转换SDR的增益差为-5.2dB。当HDR转换SDR的增益差设置为-10.2dB时，75% HLG电平映射为100% SDR电平，如下图所示。

用SDR调光制作HDR，就是把75% HLG电平映射到SDR后成为100%峰值白电平，这样调光工程师就有了与SDR制作时相同的定光点可供参考，这个定光点对应的就是75% HLG，实现了用SDR调光精准控制HDR曝光的目的。

实际测试结果证明，虽然用SDR调光制作HDR时调光师看不到HDR内容，但只要系统设置了正确的HLG与SDR增益差（映射关系）就能确保HDR图像质量。以高清SDR图像为基准调光时高清好HLG一定好，虽然不一定是最好，以HDR图像为基准调光时HLG图像好高清SDR不一定好，大概率可能更差，出现过曝光。

根据测试研究和实践总结的经验，建议4K直播和录播采用SDR优先的制作流程，以高清SDR图像为基准调光，即ITU建议的用SDR调光制作HDR；如果确认制作的4K节目仅用于HDR播出、传输或发行，不下变换高清SDR播出，可采用HDR优先的制作流程，用HDR调光制作HDR。用SDR调光制作HDR时，技监和导演都能看到4K HDR图像，如果4K HDR与高清SDR图像质量无法兼顾时，目前的策略应该是“高清优先”。

测试研究证明，HLG与SDR的转换增益差是不同伽玛曲线特性的差别，转换增益差与设备无关，与场景无关，只与创作意图有关。无论采用哪个厂家的摄像机，拍摄什么场景，只要摄像机HLG曲线符合BT.2100标准，HLG转换SDR的增益差都是相同的，只不过不同厂家设备设置的转换参数名称和数值不一定相同，但实际的增益差是一样的。用SDR调光制作HDR时，以-10.2dB增益差为基准，在适当的范围内增减SDR增益差可以改变4K图像的HDR效果，体现制作者的创作意图。转换增益差越大HDR的曝光量就越大，HDR效果越明显。

常用的HDR播出、传输方案是哪几种？

在问答系列连载2“ITU定义的两种HDR伽玛有什么差别？”中已经介绍过，BT.2100定义了两种用于高动态范围（HDR）电视的伽玛，分别是绝对亮度体系的PQ和相对亮度体系的HLG。不过，PQ只是EOTF，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，用PQ制作的节目可以用HDR10、HDR10+、Dolby Vision-1/2、SL-HDR1/2方案播出、传输。HLG无需元数据，用HLG制作的节目在播出、传输码流里插入识别符就可以直接播出，也可以加入元数据形成HDR方案（如SL-HDR3）。

行业标准组织和厂商提出了多种HDR播出方案，目前已经被影视行业和电视机厂商接受的HDR方案有BDA（蓝光盘）/ HDR10、HDR10+、Dolby Vision和HLG。广电总局已经确定中国用HLG加识别符的方案播出4K HDR节目，采用PQ伽玛的播出方案待定。

在采用PQ的HDR方案中，从兼容性来看Dolby Vision和P h i l i p s/T e c h n i c o l o r可以下兼容S D R，H D R10和HDR10+不兼容SDR；从静态元数据来看各方案相同，都是ST2086+MaxFALL/MaxCLL。SMPTE的ST2086定义了制作HDR节目时使用的监视器硬件性能，包括RGB基色坐标（色域），白色坐标，最高显示亮度，最低显示亮度；MaxFALL（maximum frame-average light level，最高帧平均亮度电平，简称FALL或平均亮度）和MaxCLL（maximum content light level，最高内容亮度电平，简称CLL或最高亮度）定义了节目的平均和最高亮度。

在不同的方案中动态元数据的作用也不一样，有些是针对不同场景优化显示图像质量的，如Dolby Vision和HDR10+；有些是为实现HDR与SDR兼容的，如Philips/Technicolor。具体来说，Dolby Vision的动态元数据标准是ST 2094-10，Philips是ST 2094-20，Technicolor是ST 2094-30，因此Philips/Technicolor方案的动态元数据是ST 2094-20与ST 2094-30的集合，HDR10+的动态元数据标准是ST 2094-40。

播出、传输用PQ制作的HDR10或Dolby Vision节目时必须同时传输元数据，支持HDR10或Dolby Vision的HDR电视机/显示设备在自动模式时接收到元数据后会自动进入PQ的“绝对亮度”模式，并根据静态元数据控制/选择显示设备參数使之适合信号源的要求；播出、传输用HLG制作的HDR节目时必须同时传输HLG识别符，支持HLG的HDR电视机在自动模式时接收到HLG识别符后自动进入HLG HDR模式。

在整个播出、传输和接收流程中，HDR播出码流需要同时传输元数据或识别符，HDMI接口必须支持元数据或识别符传输。机顶盒连接电视机或显示设备后，机顶盒通过HDMI发送Inforframe（信息帧）通知电视机正在传输的图像信号参数，包括分辨率、色域、色温、伽玛、是否HDR，如果是HDR属于哪种类型，如PQ或HLG，以及制作监视器的最高亮度、最低亮度等信息，电视机的HDMI接收到Infoframe后，会把电视机自身的硬件性能通过EDID（扩展显示识别数据）回复机顶盒，电视机的分辨率、色域、色温、伽玛、是否支持HDR的PQ或HLG、最高和最低亮度等电视机参数。

通过HDMI的Infoframe和EDID通讯后，双方判断，如果电视机的性能可以支持传输信号的所有需求，那么机顶盒对传输信号不做任何处理，透传数据，所有信号处理都由电视机完成，如果电视机性能不支持传输信号的要求，信号处理将由机顶盒完成，机顶盒应该根据电视机性能将传输信号转换成电视机能够显示的图像格式。

以上是理想状况，实际情况会复杂的多。例如，机顶盒与电视机的HDMI版本必须高于2.0b才能支持HLG识别符传输，机顶盒、电视机也必须传输并识别元数据或识别符，如果机顶盒向电视机发送了infoframe，电视机也必须通过EDID回复真实的性能。这是个通讯握手的过程，节目制作、播出、传输、机顶盒、电视机厂商等有关各方必须遵守相同的协议才能实现即插即用，互通互联，自动识别，确保用户端再现高质量4K HDR图像。B&P

（未完待续）