影视制作专业问答2——亚明专栏

问：什么是DCI放映机显示伽玛？

答：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的数字母版、发行拷贝和放映机都采用了RGB 12比特量化。与DCI显示伽玛配合使用的是DCI-P3色域，目前市场上发行的电影几乎都是用DCI显示伽玛和P3色域制作的。

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定义的，而是在后期调色和数字母版制作时基于DCI显示伽玛的特性，由调色师、导演、视觉总监控制显示画面效果实现的。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。

问：电视与电影对动态范围的表达方式有什么差别？

答：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，是相对概念，电影以18%反射率灰为基准，宽容度用光圈档数表示，是绝对概念，两者的详细比较和换算见下表。

电视与电影动态范围表达方式比较

问：SDR摄像机的伽玛特性与理论值有什么差别？

答：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%（700mVp-p），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倍亮度的灰度层次。

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，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1Vp-p，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。

SDR摄像机的实际伽玛特性

SDR摄像机伽玛对亮度动态范围的压缩和扩展

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接近20%，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的处理并不相同，广播级摄像机允许用户在一定范围内对拐点进行调整，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。

柯达底片与放映拷贝感光特性

上图是柯达底片和放映拷贝的感光特性，分别对应拍摄和显示。因为图中坐标轴是对数坐标，而且胶片密度越低放映亮度越高，所以曲线形状看起来与电视伽玛不太一样，但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的。

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%。

量化值与电平的关系

模拟电视信号的峰-峰值为1V，其中同步占0.3V，视频0.7V（700mV）。为了从全电视信号中正确分离出同步信号，必须把视频信号保持在黑电平（0mV，0%）以上；为防止电视发射机过载，视频信号电平必须被严格限制在峰值白（700mV，100%）以下，低于0电平的超黑和高于700mV（100%）的超白都是禁止使用的，视频信号对量化资源的利用率为86%。

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，随着模拟标清电视广播逐步关停，完全数字化的高清电视制作和播出不再禁止使用超黑与超白区域的电平资源。由于显示技术的发展，在监视器上高于100尼特的亮度资源也是可用的。因此，标清时代摄像机默认的拐点处理范围大约为90-100%，高清摄像机则提高到了98-109%。如果不考虑拐点部分，现代SDR摄像机的伽玛特性与理论值几乎是一样的。

问：ITU定义的两种HDR伽玛有什么差别？

答：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，制作和传输时8比特量化是不够的，需要10-12比特。

PQ是杜比（Dolby）推荐的HDR伽玛，其特性完全模拟了人眼灵敏度。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，在任何峰值亮度的显示屏上信号电平与显示亮度都是一一对应的关系：51%电平对应100尼特，58%对应203尼特，70%对应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。

PQ电视机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

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，也就是信号电平的亮度超过显示屏峰值亮度时一般处理方式是硬削波，也可以采用Roll off（滚降，类似于摄像机拐点）之类的软削波处理方式，保留部分高亮信息，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表达制作监视器硬件性能以及节目亮度等信息的元数据，构成完善的HDR方案才能充分发挥其优势。

PQ电视机亮度高于制作母版时只能显示与母版相同的最高亮度

HLG是BBC和NHK推荐的HDR伽玛，其OETF曲线50%以下电平部分与现有SDR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。

从HDR的角度看，可以认为SDR摄像机拐点处理的高亮度内容就是“HDR”，只不过SDR电视分配给拐点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，无需元数据，与现有的SDR电视制作流程相似，因此更适合广播电视行业应用。

SDR（BT.709）与HDR（PQ/HLG）的OETF比较

从不同伽玛的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；以58% PQ或75% HLG电平为分界点，低于58% PQ 或75% HLG电平的是SDR内容，高于58% PQ或75% HLG电平的是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%，是SDR电视的3-4倍。

从不同显示峰值亮度时PQ与HLG的EOTF特性可以看到，由于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曲线不是唯一的。

在不同峰值亮度的监视器上，58% PQ电平对应的HDR参考白亮度都是203尼特，而75% HLG电平对应的HDR参考白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HDR参考白亮度分别为203、172、138和101尼特，这就是绝对亮度与相对亮度体系的差别。

不同峰值亮度时PQ与HLG的EOTF特性

在亮度资源方面，SDR电视分配给HDR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；而无论显示峰值亮度高低，HLG用于HDR（75%电平以上）的亮度资源都是75-80%左右，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，所有类型的非线性对数和指数伽玛都可以用于HDR拍摄、制作和显示。

问：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峰值亮度不一样，显示的肤色亮度也不一样。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。

相对亮度体系：电视机亮度与制作监视器不同时

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：

γ = 1.2 + 0.42 Log10 (LW /1000)

式中，LW为显示屏最高亮度。

根据公式计算，显示屏亮度为333-2000尼特时对应的系统伽玛值为1.0-1.33，显示屏亮度1000尼特时伽玛值1.2，400尼特1.03， 2000尼特1.33。节目制作时系统伽玛值是由制作人员根据监视器峰值亮度手动设置的，电视机的系统伽玛值是生产厂商制造产品时根据显示面板亮度设置的，用户无需关注，大部分电视机的设置菜单里也没有让用户改变伽玛值的选项。

伽玛1.2与可变伽玛的HLG显示亮度对比

BT.2408建议使用1000尼特峰值亮度监视器制作HLG节目，监视器伽玛应设置为1.2。显示屏亮度低于1000尼特时显示伽玛小于1.2，图像对比度比伽玛1.2低，100尼特以下的平均亮度上升；显示屏亮度高于1000尼特时显示伽玛大于1.2，图像对比度比伽玛1.2高，100尼特以下的平均亮度下降。显示屏亮度不同时HLG的可变伽玛自动调整了电视机100尼特以下的亮度，使不同亮度电视机显示的肤色亮度差别不太大。

HLG无需元数据，用可变伽玛自动调整了平均亮度，虽然没有绝对亮度体系那么精确但简单有效。没有可变伽玛的HLG就像现有的SDR电视一样，显示屏亮度不同时肤色亮度差别比较大。

未完，待续