影视制作专业问答7——亚明专栏

王亚明先生 本刊特约撰稿人   王亚明先生在广播电视行业从业40年，具有深厚的专业技术背景，先后在业内多家公司从事技术工作。1998年加入索尼，2003年至2019年5月担任索尼中国专业系统集团技术总监，2019年6月担任宇田索诚科技股份有限公司技术总监，一直站在广电行业技术最前沿。

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问：HLG制作时如何处理超过100%电平的超白信号？

答：HLG与高清SDR一样，信号电平采用窄域（Narrow range）表示法，不禁止使用超黑与超白电平。ITU的BT.2390报告明确说明，建议HLG制作时使用100%电平以上的超白区域以提高HLG的动态范围。因此，在HLG拍摄、制作和播出流程中，摄像机、制作和播出设备应关闭HDR白削波（HDR WHITE CLIP），摄像机与转换器的SDR输出设置也应关闭白削波，以充分利用信号电平资源。

即使在之后的链路中某些设备因某种原因暂时未支持超黑与超白区域的信号传输或显示，摄像机使用超白电平资源也不会对图像质量或系统运行带来负面影响。如果链路中全部设备都支持超白电平的传输和处理，HLG的动态范围可以在不增加成本的情况下提高近1倍。

问：HDR摄像机还有拐点处理吗？

答：与标清和高清SDR摄像机一样，为了保留超过HDR的高亮度信息，HDR摄像机仍然有拐点处理。不过，由于PQ的动态范围远大于摄像机动态范围，实际上HDR摄像机的拐点只对HLG有意义，建议HLG拍摄时打开HDR拐点（HDR KNEE）。

问：为什么BT.2100里的PQ和HLG公式计算值与BT.2408、BT.2390的推荐值不同？

答：BT.2100-2的PQ参考OETF公式如下：

为便于和显示亮度、动态范围比较，假设OOTF是线性的1（实际上是非线性的1.2），那么PQ OETF就是EOTF-1。根据该公式可以计算出，100%动态范围（100尼特）时PQ的电平E’为51%，200%为58%，400%为65%，……1000%为75%，10000%为100%。

BT.2100-2的HLG参考OETF公式如下：

根据该公式可以计算出，100%动态范围（100尼特）时HLG的电平E’为50%，200%为66%，320%为75%，……700%为90%，1200%为100%。

根据上述公式，可以得到两者的OETF曲线。

PQ EOTF^-1与HLG的OETF特性比较

从PQ的EOTF^-1公式和曲线可以看到，100%动态范围对应的电平为51%，51%以下的电平资源用于SDR内容，51%以上的电平资源用于100-10000%高亮度的HDR内容。

从HLG的OETF公式和曲线可以看到，以100%动态范围对应的50%电平为分割点，HLG的OETF是由两部分组成的：50%以下的电平资源用于SDR内容，采用与SDR摄像机伽玛相似的平方根函数，伽玛值为0.5；50%以上的电平资源用于100-1200%高亮度的HDR内容，采用自然对数函数。

从BT.2100-2的公式和曲线可以看到，PQ与HLG都把电平资源的一半用于SDR内容，与100%动态范围对应的电平分别为51% PQ和50% HLG。在早期上市的HDR波形监视器上也可以看到，50%电平是HDR与SDR的分界线。

不过，在2017年10月发布的BT.2408、BT.2390-3报告中，推荐的PQ与HLG 参考白电平值与BT.2100公式的计算值是有差别的。在BT.2408的表1中，漫反射白（100%动态范围）对应的PQ与HLG电平不是BT.2100公式计算的51% PQ和50% HLG，而是58% PQ和75% HLG，因此漫反射白（100%动态范围）对应的显示亮度也不是BT.2100公式计算的100尼特，而是203尼特。

对比BT.2100公式的计算值，BT.2408的推荐值对PQ的EOTF^-1动态范围压缩了2倍，原来对应200%动态范围的58%电平在BT.2408的表1中代表100%动态范围；BT.2408的推荐值对HLG的OETF动态范围压缩了3.2倍，原来对应320%动态范围的75%电平在BT.2408的表1中代表100%动态范围。

BT.2408推荐的HDR参考白基准电平

由于PQ的100%动态范围对应电平从计算值的51%提高到了原200%动态范围对应的58%，PQ的EOTF^-1动态范围也从计算值10000%/100%=100倍降低到了10000%/200%=50倍（5000%），是原计算值的1/2；HLG 的100%动态范围对应电平从计算值的50%提高到了原320%动态范围对应的75%，HLG的OETF动态范围则从计算值1200%/100%=12倍降低到了1200%/320%=3.75倍（375%），是计算值的1/3.2，如果使用超白电平资源，HLG的动态范围可以扩展到620%。

由于HLG OOTF是非线性的，显示光与场景光之间并不是等比例的线性关系，因此从HLG EOTF也就是显示的角度看峰值亮度1000尼特时HLG的动态范围是1000尼特/203尼特=4.9倍（490%），比用OETF计算的拍摄动态范围3.75倍（375%）大一些。

在HDR发展的初期，有些厂商的HLG产品参考白电平是50%HLG，BT.2408发布后参考白基准电平统一为75%HLG。市场上把50%参考白电平的HLG称为HLG50，75%参考白电平的HLG称为 HLG75，虽然两者都是HLG，但参考白电平不同。随着行业对HDR的理论研究和制作实践不断深入，HLG50已经退出了HDR的舞台。

PQ OETF与PQ EOTF-1特性比较

上述分析和计算基于一个假设，即PQ OOTF是线性的1，计算使用的“PQ OETF”实际上是PQ EOTF^-1，而不是真正的PQ OETF，其目的是为了便于和显示亮度、动态范围比较。根据BT.2100标准，PQ EOTF应该包含PQ的OOTF，与PQ的OETF并不是互逆的关系，如上图所示。从图中可以看到，与PQ EOTF^-1相比，58%PQ OETF电平对应的动态范围从200%提高到了305%，相应地，根据BT.2408推荐值，需要对PQ的OETF动态范围压缩3倍，使58%PQ OETF电平对应的动态范围为100%，如下图所示。

符合BT.2408推荐的HDR参考白基准电平时PQ OETF与PQ EOTF^-1特性比较

由于PQ OOTF是非线性的，显示光与场景光之间并不是等比例的线性关系，因此从PQ EOTF^-1也就是显示的角度看BT.2408推荐值对PQ的动态范围压缩了2倍，从10000%降低到了5000%；而从PQ OETF也就是拍摄的角度看动态范围被压缩了3倍，降低到了3300%。

与HLG不同，除HDR转换外，在实际制作流程中PQ OOTF和OETF基本上是用不到的，这也是在本连载和其它HDR文献中用PQ EOTF^-1代替PQ OETF的原因。PQ与电影的DCI显示伽玛一样，本质上都属于非实时的“所见非所得”制作流程，几乎没有直播拍摄的应用，观众看到的画面是调色师后期调整的结果，而不是摄像机用PQ OETF直接拍摄的，因此定义显示设备的特性就够了。

BT.2408和BT.2390报告从实用的操作层面对PQ和HLG参考白基准电平进行了调整，个人认为原因如下。

首先，增加了SDR内容的电平资源。在BT.2100的HDR公式计算值中，SDR与HDR内容各占电平（量化）资源的一半，只有50%电平资源用于100%动态范围以下的SDR内容。10比特量化时可用的灰阶数量为1024个，采用窄域表示法时只有876个灰阶可用，HDR内容占用一半后SDR可用的灰阶数量只有438个。在HDR信号中，主要信息都集中在SDR内容里，BT.2408的推荐值增加了SDR内容的电平（量化）资源，特别是HLG调整后SDR内容的量化资源比计算值增加了25%，虽然降低了动态范围，但从整体看有助于改善HDR图像的综合质量。

峰值亮度1000尼特时PQ和HLG的EOTF比较

其次，提高了HDR图像中SDR内容以及SDR上转换内容的亮度。在HDR图像中，以参考白亮度为分界点，低于参考白亮度的内容与SDR图像完全一样，根据BT.2100的计算值在HDR监视器上参考白亮度为100尼特。此外，制作HDR节目时可能会使用一些SDR素材，把SDR上转换成HDR时，依据BT.2100的计算值SDR峰值白映射到HDR信号的50%电平，在1000尼特HDR监视器上SDR峰值白显示亮度也是100尼特。实际上新型LCD高清电视机的显示亮度比专业监视器高得多，其峰值亮度大多在200尼特以上，而依据BT.2100的计算值HDR图像中的SDR内容以及上转换的SDR内容在HDR监视器上最高显示亮度只有100尼特，比现有的高清电视机暗得多。采用BT.2408的参考白基准电平推荐值后，HDR图像中的SDR内容以及上转换的SDR内容最高亮度达到了203尼特，与新型的高清电视机相当。

第三，建立了PQ与HLG的1000尼特峰值亮度转换桥接点。PQ采用绝对亮度体系，显示亮度只与信号电平有关，与显示设备峰值亮度无关，显示设备峰值亮度不同时，峰值亮度以下的图像内容不受影响。HLG采用与高清一样的相对亮度体系，显示亮度不但与信号电平有关，还与显示设备的峰值亮度有关，显示设备峰值亮度不同时，显示图像的不同亮度层次都会受到影响。以BT.2408表1为例，监视器峰值亮度不同时，除了与峰值亮度相近的最亮灰阶外，PQ监视器显示的其它灰阶亮度没有变化，而HLG监视器显示的不同灰阶亮度就会与表1不同。采用BT.2408的参考白基准电平推荐值后，在峰值亮度1000尼特HDR监视器上，PQ与HLG显示不同反射率的灰阶时亮度完全相同，为PQ与HLG图像的互转建立了桥接点（Bridge point），有助于控制HDR转换的图像质量。

综上所述，与BT.2100计算值相比，虽然BT.2408和BT.2390-3的参考白基准电平推荐值降低了HDR的动态范围，但规范了HDR制作电平，提高了HDR图像的综合质量，使SDR内容的亮度与高清电视机更接近，并为1000尼特峰值亮度的PQ与HLG互转建立了桥接点，因此具有更强的实用性和可操作性。

未完，待续