 |
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。
|
问：除ITU-R BT.2390、2408介绍的转换方法外，还有哪些类型的HDR转换器产品？
第一类是以ITU相关技术文献为基础研发的产品，这类设备的转换方法基于BT. 2087、2390、2407、2408、2446等文件推荐的OETF、EOTF、动态范围、色域转换法，以技术逻辑为主，艺术逻辑为辅。所有转换都是计算的结果，所有计算都有理论依据，根据场景参考、显示参考、色调映射、色域矩阵转换的计算得到输出，使用时需要根据需求设置正确的参数，是典型的工程师思维，可称之为“技术型”。
在“技术型”的基础上还可以增强或简化。有些“技术型”转换器增加了动态自适应能力，下转换时可根据输入的HDR图像亮度自动调整电平映射关系，能够适应比固定参数映射下转换更宽的动态范围，无需复杂的参数设置。有些转换器则利用HLG与SDR的兼容性做了简化，在HLG下转换时OETF保持不变，只是把BT.2020色域转换为BT.709色域，即只转色域不转伽玛，就像用BT.2020色域的SDR监视器观看HLG图像一样。在市场上，传统广电设备厂商提供的转换器产品几乎都是“技术型”的。
第二类是以人眼视觉感受为基础研发的，转换结果基于艺术家的体验，从调色师的视角处理动态范围、伽玛和色域转换，以艺术逻辑为主，技术逻辑为辅。具体方法是由调色专家对特定的伽玛、动态范围和色域的图像进行调色，使其在目标监视器上呈现符合艺术要求的画面，用艺术而不是技术逻辑实现转换。这种转换无需复杂设置，是典型的艺术家思维，可称之为“艺术型”。
上述分类并不是绝对的，工程师与艺术家也并非完全对立，现实世界中既有懂技术的艺术家也有懂艺术的工程师，所以“技术型”的产品也会带有艺术色彩，“艺术型”的产品也需要雄厚的技术基础支撑。以典型的“技术型”产品代表HDRC-4000为例， AIR-MATCHING（Artistic Intent Render Matching，艺术意图渲染匹配）关闭时其转换完全按ITU相关文件推荐的标准计算，技术正确。打开AIR-MATCHING后除转换增益差与标准HLG相差5dB外，还加入了设计者对画面的艺术理解，使转换后的图像看起来更舒服、漂亮，但与理论计算的结果有差别，不是完全的技术正确。
无论“技术型”还是“艺术型”转换，本质上都是依据技术或艺术规则对图像信息进行的运算、处理，把运算、处理前后的数据用输入与输出关系查表的格式记录下来就得到了LUT（Look-Up Table）文件。因此，LUT实际上是一个包含了多组参数和处理方法的转换方案模型，融合了经验丰富的工程师和艺术家对动态范围、色域转换的理解，是HDR转换的第三类产品。支持LUT上载的转换器可加载适合不同应用场景的LUT实现用户需要的转换，此时转换器硬件只承担了信号接口功能，转换特性完全取决于加载的LUT。
一些知名的广播电视运营商、调色设备供应商、调色工作室或调色师个人把适用于不同场景转换需求的LUT作为商品出售，用户购买后加载到自己的转换器中就可以使用。从LUT提供方来看，广播电视行业以BBC为代表，其研发部门经过大量测试和实践后制作了多种LUT，适合不同的HDR转换应用，目前的版本是V1.3.1。调色行业也制作了很多HDR转换LUT，主要目的是培训与经验交流。从类别上看，BBC的LUT偏重于技术，调色师的LUT偏重于艺术。LUT的使用方主要是需要规范HDR转换流程的电视台、制作公司，以及缺少HDR转换经验的调色工作室、调色师。
问：HDR转换，上转换还是下转换难度大？
答：首先需要说明中国与其它国家和地区对超高清、宽色域、HDR处理方式的差别。在中国的广播电视标准与实践中，色域和动态范围是与分辨率绑定的，具体来说高清就是BT.709窄色域SDR，4K超高清就是BT.2020宽色域HDR。欧美日韩等地的广播行业则不把分辨率、色域和动态范围做组合绑定，高清不但有传统的窄色域SDR，也可以用宽色域SDR和宽色域HDR；4K超高清有宽色域HDR，也有窄色域SDR。
为讨论方便，本文忽略分辨率并把动态范围和色域绑定，当讨论SDR时默认窄色域，HDR默认宽色域，这样，4K HDR与高清SDR互转就简化为HDR宽色域与SDR窄色域的互转问题。与分辨率、帧率和图像的数据量相关不同，动态范围、色域与数据量无关，HDR宽色域与SDR窄色域使用的电平（量化）资源相同，不同动态范围、不同色域的差别体现在两者不同的电平与色域坐标系上，数据量完全相同。
广播电视的主流制作信号与文件格式均为10比特4:2:2，可以把10比特4:2:2看作一个容器，传统的SDR与新的HDR使用的都是这个容器。虽然容器相同，但相同电平（码值）映射的亮度和彩色是不一样的，如果把映射的色域和亮度结合成空间，那么坐标系不同时同一个容器映射的空间也不一样，而相同的亮度和彩色在不同坐标系中其坐标值肯定不同。
SDR与HDR空间比较
上转换就是把用SDR坐标系标定的视频信号改为用HDR坐标系标定。由于SDR的空间小于HDR， SDR的所有亮度和彩色都在HDR空间内，所以上转换是可逆的无损处理，不会损失亮度和彩色信息，但转换后的坐标值会变小。例如，SDR转换成HLG时，100%SDR电平应映射为75%HLG电平，这就像把小锅里完整的小苹果放进大锅，苹果不会受到损伤，如果把大锅和苹果等比例缩小，使大锅的尺寸与小锅相同，那么苹果的尺寸就“变小”了。
与上转换相反，下转换是把用HDR坐标系标定的视频信号改为用SDR坐标系标定。由于HDR的空间大于SDR，经过转换后只有SDR空间内的亮度和彩色信息能够保留，SDR空间之外的亮度和彩色信息会丢失，所以从信息量的角度来看下转换是不可逆的有损处理。下转换相当于把大锅里完整的大苹果放进小锅，而苹果比小锅还大，所以不把大苹果去掉一部分是不能放进小锅的。不过，HDR下转换至SDR时损失的都是SDR无法再现的亮度和彩色信息，从SDR显示设备的角度来看并没有损失什么。
下转换是亮度和彩色信息减少的过程，因此必须谨慎处理超过SDR空间的亮度和彩色信息。以HLG下转换SDR为例，75%HLG电平应映射为100%SDR电平，对超过75%HLG电平的信号有硬削波或软削波两种处理方法。硬削波损失了所有超过75%HLG的高光信息，软削波在下转换时也被称为色调映射，用比较少的电平资源保留了部分高光信息，与摄像机的拐点处理相似。同样地，BT.2020宽色域转换为BT.709窄色域时也存在类似的问题，对超过BT.709色域的彩色信息也有硬削波或软削波两种处理方法，硬削波损失了宽色域的信息，软削波用较少资源保留了部分宽色域信息。
综上所述，从技术角度分析，HDR下转换SDR的难度比SDR上转换HDR的难度更大。
未完，待续