影视制作专业问答11——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。

问：HDR转换的场景参考映射（SR）与显示参考映射（DR）有什么差别？ 

先看看SDR的伽玛特性。目前使用的SDR系统伽玛OOTF并不是线性的，SDR电视的OETF与EOTF不是互逆的关系，拍摄与显示伽玛不互为反函数。BT.709拍摄伽玛（OETF）近似值为0.5，BT.1886显示伽玛（EOTF）为2.4，系统伽玛（OOTF）近似值为0.5×2.4 = 1.2：

SDR OOTF=SDR OETF×SDR EOTF=BT.709×BT.1886=0.5×2.4=1.2（近似值）

因为SDR电视的系统伽玛OOTF不是线性的1而是非线性的1.2，所以监视器显示图像的对比度、彩色饱和度比场景高，出现了灰度失真。实际上观众普遍接受并习惯了这种灰度和彩色略有失真、对比度和彩色饱和度比实际场景高的图像，因为观众喜欢比实际场景更漂亮而不是更真实的画面。

要得到系统伽玛OOTF=1，与真实场景对比度和彩色饱和度相同、没有灰度失真的线性特性，需要用BT.709 OETF的反函数BT.709 OETF逆（BT.709 OETF^-1）、伽玛=1/0.5=2.0的幂函数与BT.709匹配；或用BT.1886 EOTF的反函数BT.1886 EOTF逆（BT.1886 EOTF^-1）、伽玛值=1/2.4=0.42的幂函数与BT.1886 EOTF匹配。

再看看HLG的伽玛特性。HLG沿用了SDR的OOTF特性，其OETF与EOTF不是互逆的关系，拍摄与显示伽玛不互为反函数。因为HLG的系统伽玛OOTF不是线性的1而是非线性的1.2，所以监视器显示图像的对比度、彩色饱和度比场景高，出现了灰度失真，但观众接受、习惯并喜欢这种SDR时代延续至今、具有美化功能的OOTF特性：

HLG OOTF=HLG OETF×HLG EOTF= 1.2（指数为1.2的幂函数）

要得到系统伽玛OOTF=1，与真实场景对比度和彩色饱和度相同、没有灰度失真的线性特性，需要用HLG OETF的反函数HLG OETF逆（HLG OETF-¹）与HLG OETF匹配；或用HLG EOTF的反函数HLG EOTF逆（HLG EOTF^-1）与HLG EOTF匹配。

SDR的OOTF近似值1.2，HLG的OOTF=1.2，两者几乎是相同的，只是在暗部有些差异。HLG与SDR互转时，SDR上转换HLG或HLG下转换SDR后其OOTF仍然是1.2，因此只能在转换前或转换后信号的OOTF中选择保留一个。SR与DR的差别在于，SR保留转换后信号的OOTF，DR保留转换前信号的OOTF。

可以把SDR上转换HLG想象为用“HLG摄像机拍摄SDR画面”：拍摄实际场景就是SR，拍摄监视器就是DR。

SR上转换时SDR OOTF=BT.709 OETF×BT.709 OETF^-1=1，相当于用“HLG摄像机拍摄现场场景”，然后用HLG OETF把线性光信号转换成非线性HLG信号，HLG监视器或电视机中内置的HLG EOTF把非线性HLG信号转换成显示光，HLG OOTF=HLG OETF×HLG EOTF=1.2，显示的HLG图像对比度和彩色饱和度比实际场景高，总系统伽玛=SDR OOTF×HLG OOTF=1×1.2=1.2，保留了转换后HLG的OOTF。

DR上转换时SDR OOTF=BT.709 OETF×BT.1886 EOTF≈0.5×2.4=1.2，相当于用“HLG摄像机拍摄SDR监视器”，然后用HLG EOTF^-1把与SDR监视器对比度、饱和度相同的线性光信号转换成非线性的HLG信号，HLG监视器或电视机中内置的HLG EOTF把非线性的HLG信号转换成显示光，HLG OOTF=HLG EOTF^-1×HLG EOTF=1，总系统伽玛=SDR OOTF×HLG OOTF=1.2×1=1.2，保留了转换前SDR的OOTF。

DR上转换时SDR OOTF=1.2，如果仍然用HLG OETF把线性光信号转换成非线性HLG信号，则HLG OETF×HLG EOTF=1.2，这样总系统伽玛=SDR OOTF×HLG OOTF=1.2×1.2=1.44，相当于HDR转换时“显示”了两次而不是“显示一次拍摄一次”，不符合总系统伽玛=1.2的基本规则，因此必须用HLG EOTF^-1抵消HLG监视器或电视机中内置的HLG EOTF，保留转换前的SDR OOTF。

HDR下转换SDR时SR与DR的信号处理流程

HDR下转换SDR时，首先把非线性的HDR信号转换成线性光信号，由于HLG的OOTF是非线性的1.2，场景光与显示光的对比度、彩色饱和度存在差异。用HLG拍摄伽玛的反函数HLG OETF^-1把非线性HLG信号转换为线性光信号就是SR，其对比度、彩色饱和度与拍摄场景相同，用HLG显示伽玛把非线性HLG信号转换为线性光信号就是DR，其对比度、彩色饱和度与HLG监视器显示图像相同，比拍摄场景高。

同样地，可以把HLG下转换SDR想象为用“SDR摄像机拍摄HLG画面”：拍摄实际场景就是SR，拍摄监视器就是DR。

SR下转换时HLG OOTF=HLG OETF×HLG OETF^-1=1，相当于用“SDR摄像机拍摄现场场景”，然后用SDR OETF把线性光信号转换成非线性SDR信号，SDR监视器或电视机中内置的SDR EOTF把非线性SDR信号转换成显示光，SDR OOTF=SDR OETF×SDR EOTF=1.2，显示的SDR图像对比度和彩色饱和度比实际场景高，总系统伽玛=HLG OOTF×SDR OOTF=1×1.2=1.2，保留了转换后SDR的OOTF。

DR下转换时HLG OOTF = HLG OETF×HLG EOTF=1.2，相当于用“SDR摄像机拍摄HLG监视器”，然后用SDR的 BT.1886 EOTF^-1把与HLG监视器对比度、饱和度相同的线性光信号转换成非线性的SDR信号，SDR监视器或电视机中内置的SDR BT.1886 EOTF把非线性的SDR信号转换成显示光，SDR OOTF=SDR EOTF^-1×SDR EOTF=BT.1886 EOTF^-1×BT.1886 EOTF=1，总系统伽玛=SDR OOTF×HLG OOTF=1.2×1=1.2，保留了转换前HLG的OOTF。

DR下转换时HLG OOTF =1.2，因此不能用SDR OETF把线性光信号转换成非线性SDR信号，因为SDR OETF×SDR EOTF=1.2，这样总系统伽玛=SDR OOTF×HLG OOTF=1.2×1.2=1.44，不符合总系统伽玛=1.2的基本规则，必须用SDR EOTF^-1抵消SDR监视器或电视机中内置的SDR EOTF，保留转换前的HLG OOTF。

HDR转换时DR与SR的差别

虽然SDR与HLG的OOTF都是1.2，但SDR监视器的峰值亮度是100尼特，HLG监视器的峰值亮度1000尼特，是SDR的10倍，因此同样的非线性特性在低亮度SDR监视器上对对比度和饱和度的影响比高亮度HLG监视器更大。换言之，HDR转换后保留SDR OOTF时图像的对比度和饱和度会比保留HLG OOTF时高。由于彩色图像的对比度和饱和度同时改变时人眼对彩色的变化更敏感，直观感觉就是HDR转换后保留SDR OOTF时彩色饱和度更高，这可以从理论计算和客观测试、主观评价得到验证。

根据ITU的BT.2390和2408建议，HLG与SDR互转时以75%HLG映射100%SDR电平为基准，不做任何黑电平、白电平、饱和度调整时：

　上转换

DR上转换的HLG图像与原SDR图像观感相同，SR上转换的HLG图像与原SDR图像观感有差别，上转换后SR比DR彩色饱和度低一些。这是因为SR上转换时保留了HLG OOTF饱和度下降，DR上转换时保留了SDR OOTF饱和度不变，所以上转换后SR的饱和度比DR低。

未完，待续