浅析4K HDR技术的实现方法——以广东卫视2019春晚为例

( 广东广播电视台，广东 广州 510000)

0 引言

广东卫视2019年春节联欢晚会是广东电视台春晚历史上第一次采用4K HDR技术进行大型现场制作，并且需要同时完成HD SDR(卫视高清频道播出)和4K HDR(广东4K综艺频道)两版节目的同场录制。考虑到春晚对于电视台和广大人民群众的重要意义，从录制到播出的时间非常有限，还要兼顾4K和高清两版不同标准节目的制作。为了尽可能提升现场录制的品质，降低后期的制作压力，对于本次制作进行了非常充分的准备。本次广东卫视春晚共搭建了2个舞台，主舞台位于广东台1 600 m2大型演播厅，是春晚主要文艺节目的录制现场；副舞台为演播厅外广场搭建的外景区，穿插了民俗表演、展示等丰富的内容，与主舞台节目交替进行。

1 机位设计(主舞台)

2个舞台分别搭建了一套4K HDR现场录制系统，其中主舞台采用了合作伙伴4K花园“五月花号”大型转播车，共架设了14个讯道，其中包括摇臂、伸缩炮、天眼、斯坦尼康、电控轨道、飞猫等多个特种摄像机位，极大丰富了镜头视角和舞台整体及内容的表现力。

所有14个讯道摄像机，除了斯坦尼康和天眼由于设备原因采用了高清信号传输通过转播车上转4K HDR的方式(天眼机身为4K摄像机PXW-FS5)之外，其余全部采用索尼HDC-4300 4K摄像机，镜头采用佳能4K广播级镜头，焦段覆盖了从90倍箱式镜头、45倍长焦镜头、20倍标头和14倍广角镜头各个焦段，如图1所示。

2 4K HDR现场制作

12路4K摄像机信号和两路高清信号到达“五月花号”转播车号，4K摄像机直接通过摄像机基站HDCU-4300，同时输出4K HDR和HD SDR标准信号，HD SDR信号根据后期高清的制作要求，所有机位都进行了单挂录制；4K HDR信号进入IP交换机(“五月花号”为4K IP系统架构)，指派给IP 4K切换台XVS-7000进行节目制作。两路高清信号(微波斯坦尼康和飞猫)则通过转播车上的HDRC-4000 HDR转换器，上转为HDR和宽色域4K信号，同样送入切换台，与其他4K信号进行混合切换。所有切换台的信号源，全部按照HLG 2100的HDR曲线和BT2100宽色域标准进行制作。导播李霆老师可以通过导演监视墙上的4K HDR 55寸监视器PVM-X550直接监看到最终HDR现场效果，并且也可以兼顾到高清信号的制作。

图1 天眼机位4K摄像机架设

这样出色的灯光和舞美搭配，通过4K HDR技术进行展现，可以获得非常惊艳的视觉感受。按照广东4K频道的播出规范，HDR采用HLG 2100曲线标准进行制作，HLG作为当前最容易兼顾4K HDR和4K SDR的HDR标准，既可以很好展现过去SDR标准动态范围难以覆盖的高亮度区域(如绚丽的灯光色彩)，同时也能够延展暗部区域的细节层次，即使在普通4K SDR电视上观看，也同样能够得到比较理想的效果，这个特性也极大帮助了4K频道在广东地区的广泛普及；BT2020作为宽色域标准，特别是针对综艺舞台丰富绚丽的灯光色彩设计，能够最真实还原过去窄色域无法重现的高饱和高亮度颜色(如蓝色、紫色的LED灯)，使得舞美、灯光效果能够获得最好的呈现。

在转播车上的视频技术调整区，采用了SR LIVE的制作技术，SR(Scene Refered)基于场景效果准确还原的逻辑进行制作，同时需要兼顾HDR和SDR不同的亮度范围属性。并且，考虑到本次制作必须要兼顾好高清SDR的效果，以及由于后期高清制作需要将高清单挂摄像机信号和高清PGM信号进行混剪，而高清SDR PGM信号是由HDR 4K PGM信号进行下转得到的，那么就必须保证转换后的信号和摄像机高清单挂信号的一致性，如图2所示。

图2 4K转播车技术区的画面控制

3 HDR制作与SDR如何兼顾

如果说高清和4K是分辨率的变化是呈现屏幕大小的区别，那么，你可以简单地认为HDR与SDR是质的区别。这是由于从拍摄记录画面信息的能力到最后显示效果的能力，都表现出本质区别。

摄像机可以认为是承载光的容器，屏幕则是还原光的载体。在最早的时候，摄像机和屏幕都远远弱于人眼捕捉光线的能力，摄像机仅仅是略比屏幕稍好一点(都相当于SDR水平)，这就导致摄影师不得不控制好现场的光比(亮度反差)，避免出现高光呲掉(亮度溢出)的情况；后来，摄像机的能力接近了人眼所能捕捉到的范围，但屏幕依旧没有提高，这样摄影师可以相对保留更多的明暗层次(特别是高光细节)，同时后期需要调色师精心控制，将前期捕捉到的信息进行精确处理和筛选，使得屏幕可以展现的效果比过去更好一点(摄像机HDR了，屏幕还是SDR水平)。直到今天，摄像机和屏幕都实现了HDR的能力，屏幕以100，000:1到1，000，000:1的高对比度显示能力，能够真实不妥协的展现极大对比度的环境下所有的明暗层次，这样拍摄和制作就可以更少地妥协。可以说这是一次真正有益的视觉体验革命。

由于二者无论在拍摄端还是呈现端，所使用的亮度伽马曲线完全不同，而显示端屏幕的峰值亮度、平均亮度、对比度指标也不一样。在几年前我们最初开始制作HDR节目时，就发现如果一台摄像机输出的4K HDR画面直接转换为SDR画面(LUT转换)，亮度会出现问题：如果HDR的画面看起来舒适，SDR转换出的画面高光区域很容易曝光过度；而如果SDR的画面正常，则HDR画面看起来会偏暗淡。这个问题也是最初困扰HDR制作的一个关键点，假如我们以HDR作为标准，但是摄像师看到的取景器却是HDR转换为SDR的画面，很容易出现主体曝光过度的情况，导致正常拍摄取景都非常困难。

SR LIVE的理念推出，就是希望从根本上解决这个问题。通过在摄像机端合理地设置HDR和SDR对照关系参数，使得在控制一端(如HDR)时；另一端(SDR)可以匹配出合适的效果，使得HDR与SDR画面能够兼顾调整。在这其中，主要需要定义的参数是HDR GAIN(HDR增益差)和HDR BLACK OFFSET(HDR黑偏移量)(菜单项位于摄像机控制面板RCP-1500的PAINT菜单HDR OPERATION相关设置页面)，如图3所示。

图3 HDR GAIN的处理方式

首先，通过主观对比HDR和SDR两个同一台4K摄像机输出的画面，设置HDR GAIN，控制范围是0～15 dB，每6 dB代表一档光圈亮度的变化。由于不同环境下的光比不同，可能主观设置的参数会有差异，一般个人经验是在-6～-9 dB，代表HDR画面的亮度比SDR画面高1挡光圈到1.5挡光圈亮度。在广东卫视春晚，我们根据现场测试，决定使用-9 dB增益值。摄像机是按照HDR效果舒适的光圈值进行控制，而高清画面由于是采用减增益的控制方式，高清画面的有效进光量更多，噪点会更小(信噪比增加)。当然这个设计的副作用，是使得摄像机的光圈需要比过去高清拍摄开得更大，这就对于现场环境的照度提出更高要求，否则开大光圈也容易导致摄像师聚焦的难度增加(景深变浅)。HDR BLACK OFFSET(HDR黑偏移)是基于HDR的曝光增加，HDR暗部底电平(黑电平)可能比SDR的底电平抬高，为了保证HDR的画面对比度，可以适当降低数值，使得HDR的底电平与SDR保持一致。这个参数并没有建议数值，需要参考每一个画面的不同情况。不过由于本次录制需要考虑HDR PGM下变换和高清画面的一致性问题，所以这个参数并没有做额外设置(由于HDR BLACK OFFSET只是针对HDR画面的对比度调整，不影响SDR输出，担心如果动了BLACK OFFSET的HDR转换后得到的SDR画面，和高清单挂画面可能有区别)。

一定需要注意的是在HDRC-4000的转换菜单中，必须保证和每台摄像机的HDR GAIN完全相同。也就是说，HDR PGM(相当于每台摄像机的HDR画面输出)，通过HDRC-4000里设置的HDR GAIN，所得到的下变换HD SDR PGM，与同样是摄像机单机自己的HD SDR画面(同样通过基于本机HDR GAIN设置的4K HDR画面转换得到)，用相同的HDR GAIN数值就能保证画面的一致性(为了确保单挂高清画面和通过4K HDR转换得到的HD SDR PGM一致，所有4K摄像机的HDR GAIN也必须设置成同一个数值)。

另外，HDRC-4000中的AIR MATCHING功能，也可以辅助更好的将4K HDR的BT2020宽色域特性，更加逼真的映射到ITU-709 SDR色域标准中去。我们在转播车上仔细对比了通过HDRC-4000转换得到的SDR信号，和摄像机本机的HD SDR信号，通过精细控制基本上做到了相同。 还需要注意在HDRC-4000转换器中，需要相应打开每个通道的输出延时OUTPUT DELAY，才能保证转换后的HD SDR PGM画面，和单挂的单机画面的相位相一致，避免后期出现错帧的情况。

4 4K HDR版本后期制作特点

由于本次的录制时间与播出时间衔接非常紧，后期基本不可能有时间进行精细化的如复杂调色等处理(渲染输出的时间有限)，所以对于前期制作提出了很高的要求，首先导播需要尽可能保证切换的精确性(接近于直播的要求)，减少后期剪辑的压力；技术团队也需要控制好现场摄像机的光比、色彩、影调等，减少后期替换调整失误镜头；后期则在精剪、上包装唱词的基础上，尽可能避免复杂处理(大量画面校正等)。由于目前4K节目现场录制，基本还是采用10 bit 4:2:2的量化取样方式，而现在的4K HDR播出已经从高清过去的8 bit 4:2:0升级为10 bit 4:2:0。这样对于后期的素材调整空间来说，会有一定的影响，需要处理的更加精细和小心。特别是针对目前现场制作，无论是前期采用S-LOG3还是HLG的OETF曲线，都能够覆盖远远超越过去SDR的动态范围，这对于白天的外景大光比环境是很大的优势，但是对于晚会一类的现场布光包括观众审美习惯，确实带来很大的变化。由于综艺现场布光一直以来是要照顾电视录制的需要，所以基本光比都控制在6～8档光圈的动态范围，也就是完美覆盖SDR的范围，如果转换到HDR而提高了光比，在影调、反差等方面，会与过去有很大区别。比如，过去一直以来由于照相机动态范围窄，我们习惯了拍摄日落日出，因为反差不会像中午顶光时候那么大，相机可以收纳所有的亮部层次信息，同时我们也喜欢早晚时分的光影；而现在照相机性能提升了，拍中午高反差的光比也不会出现曝光过度，可是那样强烈的光影感受，是否适合用来塑造很多情境呢？这又是艺术表现方面的问题，也不是一朝一夕说变就变的。

如果布光方式不会根本改变(加大反差)，就会出现一种情况，HDR相当于一个巨大的容器，本可以承载非常多的亮部信息(14档光圈以上)，但实际现场却只有很少的有效信息，这就导致在通过10bit进行量化的时候，有很多灰阶并没有发挥作用(因为量化曲线是不能根据现场光比变化而动态调整的)，也就是原先SDR情况下，可能信息量分配很充分的亮度层次，在HDR录制时由于量化曲线灰阶分布原因，相比SDR曲线，HDR曲线的中灰和暗部层次受到挤压，记录下的信息减少。而到了后期，在处理这样的HDR信号时，如果希望将现有的信息充满到所有有效的亮度空间范围(将HDR容器填满，提高整体反差)，就会放大一些亮度的增益值，这样就容易产生新的噪点。所以针对像一些需要通过HDR曲线进行录制、经过后期调色得到理想效果的HDR镜头，往往需要通过调色软件进行降噪处理。

5 结语

本次广东卫视春晚能够高效完成4K HDR和高清SDR版的制作，得到各方团队紧密配合。在录制过程中，蔡伏青台长和4K综艺频道总监周繁主任都上转播车现场指导，确保了每个环节能够顺畅进行。合作伙伴4K花园在前期、后期均派出技术团队和相关负责人现场支持了整个制作过程。通过本次制作，广东电视台在4K制作技术方面有了新的突破，也积累了更为丰富的经验。相信在未来，广东4K综艺频道将会有更多丰富精彩的大型现场节目通过高品质的4K HDR方式呈献给大家。