4K超高清HDR和高清SDR分析

杨开红

（重庆广播电视集团，重庆 401147）

0 引 言

随着4K、8K超高清高动态范围（High Dynamic Range，HDR）技术在赛事制作和转播领域的全面应用，超高清HDR视频已经进入快速发展阶段。与传统的高清标准动态范围（Standard Dynamic Range，SDR）相比，4K HDR大幅度提高了电视系统的亮度、对比度以及彩色还原能力，提供了高清晰的画质、丰富的图像层次以及自然逼真的色彩，使其接近了人眼的可视范围。但是目前大多数观众在家观看的仍然是高清SDR节目，因此需要将4K超高清HDR节目下转换成SDR节目在高清频道播出，同时以前大量的SDR节目也需要在4K HDR频道播出。对此，本文探讨了HDR和SDR的技术特点和它们之间的转换。

1 SDR和HDR的区别

SDR（Standard Dynamic Range）为标准动态范围，它能显示的亮度范围为1 000∶1；HDR（High Dynamic Range）为高动态范围，它能显示的亮度范围为100 000∶1，能使电视画面呈现更多、更丰富的图像层次。

目前高动态范围（HDR）电视采用感知量化（PQ）和混合对数（HLG）两种伽玛[1]。PQ的特性完全模拟了人眼灵敏度,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,最高峰值亮度为10 000尼特，最大动态范围10 000%；HLG的OETF曲线50%以下电平部分与现有SDR摄像机伽玛几乎一样，50%以上为对数伽玛，是两种伽玛的混合。HLG采用与传统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,HLG的最大动态范围1 200%[2]。SDR与HDR HLG、HDR PQ的比较如图1所示。

从图1的SDR、HLG、PQ伽玛曲线可以看出，SDR的光动态范围为0～100%，HDR HLG和HDR PQ光动态范围远远高于100%，能呈现更大的光动态范围。当光动态范围为100%时，SDR的电平已达到98%，基本到达拐点，大概还剩11%左右的电平用于呈现光动态超过100%的HDR高光部分；而当光动态范围为100%时，HDR HLG和HDR PQ的电平分别为75%、58%[3]，如果加上超白部分（电平可达110%），HLG和PQ还有大约30%～40%的电平资源用于超过光动态范围为100%的HDR高光部分，它们所用于HDR高光的电平资源是SDR电视的3～4倍[4]。因此，HLG和PQ能呈现更多HDR高光部分，能使电视图像有更多、更丰富的亮度层次。

由图1可以看出，HLG伽玛曲线和SDR伽玛曲线在电平资源50%以下基本重合，光动态高于100%范围的HDR高光部分可以看作是SDR电视拐点的提升和扩展，因此可以简单理解，将SDR摄像机拐点以上处理的高亮度内容认为是HDR高光部分。HLG比较好地兼容现有SDR电视，同时又很大提升了动态范围，与传统的SDR电视制作流程非常相似，在制作流程中也不需要元数据，因此HLG目前更适合在广播电视行业应用。SDR和HDR的差别如表1所示。

图1 SDR与HLG、PQ的比较

表1 SDR和HDR的差别

2 HDR节目制作流程

现在，各大赛事、综艺节目已全面采用4K、8K超高清HDR制作，但目前大多数观众在家观看的仍然是高清SDR节目，因此4K、8K超高清系统制作的HDR节目需要下转换成高清SDR节目，才能在高清频道进行播出，或者需要同时制作一版4K、8K HDR节目和一版高清SDR节目。在实际制作中，用两套完全独立的4K HDR和高清SDR制作系统同时分别完成HDR节目和SDR节目直播是不太现实的，因为两个独立制作系统需要大量的设备和人员成本，最重要的是拍摄现场基本上没有足够的空间同时布置HDR和SDR摄像机机位。这就要求节目制作时采用一套4K HDR制作系统，系统能同时输出4K HDR节目和下变换高清SDR节目，而且调光时需要同时保证4K HDR和高清SDR正确曝光。

实际节目制作过程常采用两种HDR节目制作流程，一种是用HDR图像作基准调光制作HDR节目，也就是优先保证HDR图像质量，另一种是用SDR图像作为基准调光制作HDR，即优先保证SDR图像质量。

2.1 以HDR图像为基准调光制作HDR

以HDR图像作基准调光的制作流程，优先保证了高质量的HDR图像，需要采用HDR监视器观察HDR图像进行调光。由于HDR图像亮度动态范围远远大于SDR图像的亮度动态范围，因此HDR的曝光范围和宽容度要远大于SDR。在HDR图像曝光上一点小的变化，在监视器看起来获得了高质量的HDR信号，但经过静态下变换得到的SDR图像可能已经完全曝光过度。自适应动态转换器能够优化各种场景的HDR到SDR映射曲线，能适应更宽的曝光范围，比静态下变换能得到质量更好的SDR图像。因此实际操作中，以HDR图像作基准调光制作时，采用静态下转换得到的SDR图像容易出现画面曝光不准的现象，甚至经常曝光过度。一般采用自适应的动态映射SDR转换器来获得高质量SDR图像输出。目前市面动态转换器产品越来越丰富，各种场景的研发已取得了非常大的进步，但是还不能完全满足各种条件下HDR调光的精确要求。

2.2 以SDR图像作为基准调光制作HDR

以SDR图像作为基准调光制作HDR的流程，优先保证了高质量的SDR图像，调光师只需要使用SDR监视器观察SDR图像进行调光。实际使用中，采用摄像机自身内置的下转换器输出高清SDR信号用于调光，采用静态转换器（可设置与摄像机内置下转换器相同参数）下变换高清SDR信号用于系统最终节目输出。用SDR图像为基准调光制作HDR时，调光师能够看到HDR画面中的全部SDR内容，既能完全保证SDR图像质量，采用与摄像机内置下转换器相同参数设置的SDR静态转换器，又能保证75% HLG电平以上的HDR高光内容正确曝光。由于SDR图像包含HDR图像中大部分有效信息，因此以SDR图像作为基准调光能够同时获得正确曝光的HDR图像和SDR图像。在实际工作中，调光师监看SDR图像进行调光，用以保证SDR图像质量；同时视频工程师和导演在HDR技监和节目监视器上实时监看HDR图像，用以保证HDR图像质量。

当前，电视台HDR节目制作过程要同时考虑与SDR节目兼容，采用以SDR图像作为基准调光制作HDR的流程，能保证获得高质量的高清SDR图像，同时也能获得较高质量的4K HDR图像，能满足当前HDR节目和SDR节目制作和播出相互兼容的要求。具有如下优点。

（1）调光精度更高。调光时，对于相同的光圈曝光量变化，在SDR监视器上能明显看到亮度的变化，在HDR监视器上基本上看不出亮度的变化，因此以SDR图像作为基准调光精准度更高。

（2）保护调光师视力。HDR监视器峰值亮度很高，调光师观看高亮度HDR图像时间过长，容易出现眼花、视觉疲劳，甚至视力下降。

（3）能准确呈现人体肤色。人体肤色电平都处在SDR电平范围内，用SDR图像作为基准调光，能够同时准确呈现SDR图像和HDR图像中的人体肤色曝光。

（4）保证高清SDR图像质量。用SDR图像作为基准调光，可以优先保证高质量的高清SDR图像，同时也能获得较高质量的4K HDR图像。

（5）降低成本。只需为每个调光师配置普通SDR监视器和波形监视器即可。

（6）符合现有电视节目制作流程。以SDR图像作为基准调光，调光师的工作与原来SDR节目制作流程相似，调光师多年积累的宝贵经验依旧可用，操作习惯不变。

3 SDR和HDR转换

目前4K HDR节目和高清SDR节目在很长一段时间里长期共存，这要求节目播出时不但要确保4K HDR的图像质量，还必须保证下转换的高清SDR图像质量。因此，制作4K HDR节目后下转换高清SDR是不可避免的。同样地，目前制作4K HDR时使用一些高清SDR信号源也是不可避免的，制作时不但要确保这些SDR信号上转换后能与原生4K HDR信号完美匹配，还要确保下转换后的高清SDR与上转换前的高清SDR相同。

3.1 上转换

SDR转换为HDR的信号处理操作统称为上转换（Up-Convert）。上转换时，以100%动态范围为分界线，100%动态范围以下的SDR内容用场景参考映射或显示参考映射上转换；高于100%动态范围的拐点部分用直接映射或上映射（反色调映射）上转换。

3.1.1 直接映射

直接映射（Direct Mapping）上转换时，不对SDR信号中高于100%动态范围的拐点部分进行扩展处理，以保持原始SDR的观感。因此，在HDR监视器上显示的直接映射SDR图像与SDR监视器上显示的原始SDR图像在SDR的拐点部分具有相同的观感。

3.1.2 上映射和反色调映射

上映射（Up-Mapping）也被称为反色调映射（Inverse Tone Mapping，ITM）。反色调映射上转换将SDR信号中高于100%动态范围的拐点部分扩展到了HDR范围，以模拟HDR内容的观感。因此，在HDR监视器上显示的上映射SDR图像与原始HDR图像具有类似的观感。

3.1.3 SDR上转换到HLG时直接映射与上映射（反色调映射）的差别

SDR上转换到HDR HLG时，直接映射与上映射的差别如图2所示。

从图2可以看出，由于SDR中代表HDR内容的拐点部分被压缩到了10%左右的电平资源内，只保留了有限的亮度和彩色信息，采用反色调映射上转换时，拐点部分的电平幅度被扩展了3至4倍，但灰阶数量无法增加，损失的亮度和彩色信息无法恢复，扩展后很可能出现亮度和彩色的失真以及量化比特不足的条带现象，8比特SDR素材尤甚。因此，除特殊要求外，上转换应尽可能不采用反色调映射。

图2 SDR上转换到HDR HLG时直接映射与上映射的差别

3.2 下转换

HDR转换为SDR的信号处理操作统称为下转换（Down-Convert）。下转换时，以100%动态范围为分界线，100%动态范围以下的SDR内容用场景参考映射或显示参考映射下转换，高于100%动态范围的HDR内容用下映射（色调映射）或硬削波下转换。

3.2.1 下映射和色调映射

下映射（Down-Mapping）也被称为色调映射（Tone Mapping，TM）[5]。色调映射下转换时，将HDR信号中高于100%动态范围的HDR内容压缩到了SDR信号的拐点处理范围内，与SDR摄像机处理HDR高光内容的方法一样。

3.2.2 硬削波

进行下转换时，在某些情况下，硬削波（Hard Clipping）比色调映射（类似于软削波）更合适。通过硬削波，可以将超过阈值的所有信号都削波到该阈值。当要求来自HDR摄像机的信号看起来类似于无“拐点”的SDR摄像机输出的信号时，可以采用硬削波。例如，摄像机下转换SDR输出采用硬削波后去除了拐点对高光部分的压缩，有利于调光师精确控制高光电平。

由于高清SDR摄像机采用了与色调映射一样的拐点处理HDR高亮度部分，为了使HDR下转换的高清SDR图像与原生SDR摄像机图像观感一致，制作和播出的主信号流程不应采用硬削波。

HDR HLG下转换到SDR时硬削波与色调映射的差别如图3所示。从图3可以看出，场景或显示参考映射下转换将75%HLG电平映射为100%SDR电平，色调映射下转换将高于75%HLG的HDR内容压缩到了SDR信号的拐点范围内，硬削波则把高于75%HLG的HDR内容削波到100%SDR电平。在实际的转换器产品中，色调映射的拐点起始点和斜率是可以调整的，硬削波电平也是可以调整的，通常硬削波电平的默认值是100%。

图3 HDR HLG下转换到SDR时硬削波与色调映射的差别

3.3 场景参考映射与显示参考映射

HDR与SDR互转时，先将非线性电信号转换成代表线性光的电信号，再转换为非线性电信号。可以将非线性电信号转换为线性光信号的过程想象为用摄像机拍摄画面，场景参考映射（Scene Referred mapping，SR）相当于直接拍摄现场场景，将电信号转换为与场景光相同的线性光；显示参考映射（Display Referred mapping，DR）相当于拍摄监视器显示的场景[6]，将电信号转换为与监视器显示光相同的线性光。由于电视的系统伽玛OOTF是非线性的，因此场景光与显示光的对比度、彩色饱和度并不完全相同，SR与DR的转换结果存在差别。

3.3.1 HDR转换时DR与SR的差别

DR上转换的HLG图像与原SDR图像观感是一样的，SR上转换的HLG图像与原SDR图像观感有不同，上转换后SR比DR彩色饱和度要降低一些。这是因为SR上转换时保留了HLG OOTF饱和度降低，DR上转换时保留了SDR OOTF饱和度无变化，因此上转换后SR的饱和度比DR要低一些。

DR下转换的SDR图像与原HLG图像观感是一样的，SR下转换的SDR图像与原HLG图像观感有不同，下转换后SR比DR的彩色饱和度要升高一些。这是因为SR下转换时保留了SDR OOTF饱和度升高，DR下转换时保留了HLG OOTF饱和度无变化，因此下转换后SR的饱和度比DR要升高一些。

3.3.2 往返转换

DR上转换+DR下转换：与原始SDR图像相比不变。这是因为DR上转换时保证了原SDR OOTF饱和度没有发生变化，DR下转换时又保证了HLG OOTF饱和度没有发生变化，在上、下转换时饱和度都没有发生变化，所以DR往返转换后饱和度没有变化。

SR上转换+SR下转换：与原始SDR图像相比不变。这是因为SR上转换时保留了HLG OOTF饱和度降低，SR下转换时保留了SDR OOTF饱和度升高，SR下转换时升高的饱和度刚好补偿了SR上转换时下降的饱和度，所以SR往返转换后饱和度无变化。

SR上转换+DR下转换：与原始SDR图像相比饱和度有下降，色调也发生轻微改变。这是因为SR上转换时保留了HLG OOTF饱和度降低，DR下转换时保留了HLG OOTF饱和度不变，所以往返转换后饱和度有所下降。

DR上转换+SR下转换：与原始SDR图像相比饱和度升高，色调发生轻微改变[6]。这是因为DR上转换时保留了SDR OOTF饱和度无变化，SR下转换时保留了SDR OOTF饱和度升高，所以往返转换后饱和度升高。

4 结 语

随着4K、8K超高清HDR技术在赛事制作和转播领域的全面应用，电视技术经历了从高清SDR到4K超高清HDR的重大变革。与传统的SDR相比，HDR大幅度提高了电视系统的亮度、对比度以及彩色还原能力，大大提高了图像质量。但是目前大多数观众在家观看的仍然是高清SDR节目，因此须要考虑“向下兼容”的问题，不但要确保4K HDR的图像质量，还必须保证下转换的高清SDR图像质量。这对节目制作实践提出了更高的要求，电视从业人员需要适应新技术带来的各种变化。