4K超高清时代HDR到SDR的转换

张建强 刘洪春

【摘要】目前，主流的家庭电视机还是在65寸以下，受到显示屏幕的限制，观众不能很好地感受到4K节目所带来的视觉震撼。广电行业在4K超高清时代，使用多种方式，实现HDR向SDR的变换，是一个行之有效的办法，本文探讨了其中的一种解决方案。

【关键词】上下交叉转换;帧同步;HDR到SDR转换

中图分类号：TN929                                 文献标识码：A                          DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.17.001

4K HDR技术作为4k超高清的最重要技术优势，是对高清电视显示系统的动态显示范围有大幅改善和提升，观众们就终于可以真正得到技术更新后的"惊艳"感受。

1. HDR到SDR转换系统的设计思路

1.1 设计目的

将HDR内容转换为SDR内容，同时在SDR屏幕上保持尽可能好的影像质量，这需要使用HDR到SDR的转换，在整个转换过程中保持亮度、对比度和颜色的参数贯彻始终地保持一致。

1.2 设计思路

HDR到SDR转换系统是一个功能强大的通用音频和视频处理设备，通过一种可用功能配置（功能组）来实现多种功能。每个功能组包括一个处理功能的组合，以执行处理功能，包括帧同步，上下交叉变换和HDR等。

它是使用高级算法进行分格动态色调映射的系统，该算法可以自动分析HDR流中图像的不同部分，并逐帧实时应用最佳校正。这种独特的功能与当今的其他解决方案不同，它是体育赛事或任何需要高品质实时HDR到SDR转换的现场直播的完美实时制作工具。

HDR到SDR转换系统适合单一原生HDR工作流程，从而降低了设备和手动操作的成本。系统提供1个4K/UHD处理通道，通过适当的分区动态色调映射支持从HDR传输特性到SDR的下转换。它满足广色域（WCG）需求以及专业的AV直播活动要求。还包括用于静态HDR与SDR相互转换的HDR静态配置，该配置执行静态色调映射以实现HDR和SDR之间的上/下/交叉转换，适用于演播室或光线条件不会动态变化的环境。

2. 系统详细设计

2.1 HDR>SDR转换

HDR>SDR转换系统是实时逐帧的高动态范围（HDR）到标准动态范围（SDR）转换系统，具有帧同步功能，支持高达4KUHD（3840x2160）的格式。它可以提供单个12G 4K-UHD处理通道，也可以提供4个独立的SDI信号处理通道，最高可达1080p 3Gbit/s。

HDR为广播和AV制作提供了全新的可能性，为观众提供了更大的动态范围，包括在黑暗区域图像中的高亮度和更多细节，从而使图像变得更明亮和逼真。在介绍HDR和其强大图像增强功能时，我们必须要考虑的问题，是与现有的SDR显示器和接收器保持良好的向下兼容性。

通常，整個制作中HDR到SDR的转换是使用单一静态校正来完成的，现在可以通过HDR>SDR静态转换解决方案来实现。对于类似体育演播室制作这种固定的、可预测的应用而言，是非常有效的。然而，对于类似现场体育或新闻广播这种更多动态要求和非可测的内容而言，分析和校正必须在逐帧基础上调整，来应对具有挑战性的照明条件，亮度水平和图像组成。直到今日，“逐帧”校正只能通过手动，将校正元数据用于每一帧，然后在实时回放中使用;一个非实时的处理过程，既耗费时间又价格昂贵。

该系统还包括适用于4K UHD的上/下/交叉转换，音频处理和重组，色彩校正，时间调整，元数据处理，自定义控制还包括提供简化的屏幕面板，可以直接访问用户选择的参数。如图1所示。

2.2 HDRSDR转换

HDRSDR转换是一个全功能的广播级品质HDR到SDR，SDR到HDR或跨标准HDR到HDR转换系统，带一路帧同步和上/下/交叉转换功能，支持格式高达4KUHD（3840x2169）。HDRSDR转换在整个特定内容中均等地应用颜色和对比度参数，即在整个程序中确定平均亮度和颜色范围。

HDRSDR转换它可以提供单个12G 4K-UHD处理通道，或者四个独立的SDI处理通道，信号高达1080p 3Gbit/s。

HDR为观众提供了更大的动态范围，包括在高亮度和黑暗区域图像中显示更多细节，从而产生更鲜艳逼真的图像。在介绍HDR和其强大图像增强功能时，所面临的主要挑战之一是与现有的SDR显示器和接收器保持良好的向下兼容性。

HDRSDR转换是一个处理动态范围和色彩色域的强大工具，即使没有最新的HDR显示器，也能为观看者提供比以前更多的动态图像。它提供转换功能，同时结合静态（实时）色调映射算法。该应用程序允许用户在常用输入和输出曲线（包括Gamma，PQ，HLG和slog3）之间实现上、下和交叉转换，并通过适当的静态色调映射在全域和窄域之间进行转换。色彩空间之间的转换支持包括Rec.601，Rec.709和Rec.2020。

自定义LUT功能允许用户上传多达20个用户LUT，以获得所需的对比度，颜色，饱和度，黑白电平。

HDRSDR转换还包括高达4K UHD的空间上、下和交叉转换，音频处理和重组，色彩校正，定时调整，元数据处理。

2.3 4KUHD上/下/交叉转换

4KUHD上/下/交叉转换是一个全功能广播级品质的上/下/交叉转换系统，支持格式高达4K UHD（3840x2169）。

該系统是专为需要可靠的广播级品质上/下/交叉转换和具有全音频处理能力的帧同步应用而设计。该系统包括强大的扫描功能，具备万能的感兴趣区域（ROI）选择。包括3G Level A/B和3G去隔行扫描，使系统兼容高达3G的SDI标准（Level A或Level B）。

该系统也支持适用于4KUHD信号的4x3G SDI（2SI四链路）或12GSDI（单链路）输入和输出。2SI四链路<>单链路转换信号能在单链路和2SI四链路之间互相转换。

扩展的音频处理功能解嵌入所有音频，并提供支持一路MADI输入和输出，四路外部音频输入或输出，能单独配置到模拟（平衡）或数字（AES）接口。多样的内部矩阵可以实现扩展音频重组，包括MADI流。它也提供两路Dolby E?解码器，Dolby E?同步，全音频处理以及适用于音频和视频的多种用户可调节延时。

该系统配备全功能本地控制界面，除了图形用户界面，液晶显示屏可以显示图像预览和处理视频路径的音频电平表。

2.4 帧同步

4x3Gbit/s帧同步系统是一个全功能视频格式高达3Gbit/s SDI的帧同步系统。该系统是为了满足广播级品质帧同步，具有全音频处理功能。一个双电平标清参考信号以及一个三电平高清参考信号能被用于同步视频信号。也提供定时参考输出（SD或HD）。输入可以是BNC，光纤或HDMI。输出也可以是BNC，光纤或HDMI（可选光纤SFP，单独订购）。多个额外的处理功能，可调节视频内容，例如：增益，色度等。每个通道提供一个基本测试图型发生器，提供常用的线和全域图型，如彩色条，病态测试图形，全域色彩等。

扩展的音频处理功能解嵌入所有音频，并提供支持一路MADI输入和输出，四路外部音频输入或输出，能单独配置到模拟（平衡）或数字（AES）接口。多样的内部矩阵可以实现扩展音频重组，包括MADI流。它也提供两路Dolby E?解码器，Dolby E?同步，全音频处理和适用于音频和视频的多种用户可调节延时。

4x 3Gbit/s帧同步系统配备了一个功能齐全带有LCD的本地控制界面，除了图形用户界面外，LCD还显示已处理视频路径的图像预览和音频电平表。

3. 结束语

实时静态HDR到SDR的转换非常适合于演播室环境或可预测的闪电环境。然而，对于光照条件动态变化的户外环境，静态HDR到SDR的转换可能会导致曝光不足或过度曝光，动态HDR到SDR的转换实时动态地改变每一帧的亮度、对比度和颜色参数，为观众制造一个充满活力和真实感的图像。

参考文献：

[1]韦姿.HDR与SDR现场协同制作技术探讨[J].现代电视技术，2019（08）：46-51.

[2]陈燕.4K技术在演播室的应用分析[J].西部广播电视，2020（03）：201-202.