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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：HDR转换时如何选择SR或DR？
答：选择映射方式不能只看转换结果，必须结合制作流程综合考虑。
如果只关注转换结果，DR是最简单的选择。因为DR上转、下转、往返转换后其观感都与原始信号相同，没有变化；而SR上转后饱和度下降，下转后饱和度上升，往返转换后饱和度不变。
考虑到HDR制作流程的实际应用，选择什么映射方式并不简单。
先看上转换。在HDR制作中混合使用HLG和SDR摄像机时，SDR摄像机应该用SR上转换才能与HLG摄像机完美匹配。这是因为SR上转换保留了HLG的OOTF，相当于用HLG摄像机拍摄SDR场景，转换图像的观感与HLG摄像机相同。
目前HDR制作流程中仍然使用了很多SDR图文或虚拟系统，这些系统制作的国旗、广告标识、俱乐部徽章等图形进入HDR制作系统时，应该用DR上转换才能使HLG图像中显示的这些图形与高清SDR图像一致，这是因为DR上转换保留了SDR OOTF，相当于用HLG摄像机拍摄SDR监视器，转换图像的观感与SDR监视器相同。
再看下转换。如果HDR制作系统中混合使用了HLG与SDR摄像机，而SDR摄像机采用SR上转换HLG，HDR与SDR同播时为了使高清SDR图像保持与SDR摄像机相同的观感，播出端应采用SR下转换，这是因为SDR摄像机信号用SR上转后再用SR下转才能保持SDR摄像机图像的观感不变。
即使HDR制作系统中只有HLG摄像机，如果采用SDR调光制作HDR，由于HDR摄像机内置的下转换器都是SR，为了使调光师看到的图像与播出信号一致，播出端也应采用SR下转换。
如果HDR制作系统中只有HLG摄像机并采用HDR调光制作HDR，播出端采用SR或DR下转换都没有问题，其区别是SR下转换保留了SDR图像的观感，DR下转换保留了HLG图像的观感。
如果HDR制作时使用了SDR图文或虚拟系统，这些系统的文字和图形是用DR上转换的，播出端应采用DR下转换才能保持SDR图文观感与原始文字、图形一致。
通过上述分析可以看到，不同的应用需要不同的映射方式，而在实际制作和播出流程中是不可能频繁改变映射方式的。近年来电视行业通过大量研究、测试和实践，对HDR转换形成了如下共识：
上转换
HDR制作系统中混合使用HLG和SDR摄像机时，SDR摄像机信号应采用SR上转换。
未调色SDR录像节目应采用SR上转换。
调色制作的SDR录像节目应采用DR上转换。
SDR图文、虚拟系统的文字和图形应采用DR上转换。
下转换
播出端应采用SR下转换。
问题对策
在HDR制作和播出系统中采用上述映射方式后，必须解决这些映射方式存在的彩色变化问题才能确保转换图像质量。具体来说，就是解决SR上转饱和度下降和SR下转饱和度上升的问题，特别是DR上+SR下往返转换的彩色饱和度上升、色调变化问题。
从转换器产品来看，以HDRC-4000为例，首先，下转换时该设备对超过100%幅度的R、G、B信号做了削波处理，解决了DR上+SR下往返转换后彩色饱和度超过100%的问题。其次，用AIR Matching消除了SR上、下转换的色调变化，减少了转换后饱和度的变化。
不过，AIR Matching只是减少但并未完全消除SR上、下转换饱和度的变化，还需要调整ADDITIONAL PAINT（附加绘画）菜单中的SATURATION（饱和度），SR上转换时SATURATION +5，增加饱和度以抵消SR上转换时饱和度的下降；下转换时SATURATION -5，降低饱和度以抵消SR下转换时饱和度的上升。
这些措施解决了SR转换的彩色变化问题，设置后无论SR上、下单向转换，还是DR上+SR下往返转换，彩色饱和度和色调都不会出现明显可见的变化。其它几个厂商的同类转换器也采用了AIR Matching专利，可以按照上述设置做相同的处理。不过不同厂商、型号的设备设置参数不一定相同，需要用SDR、HDR彩条测试信号和摄像机拍摄的彩色测试卡图像进行测试和调整，使SR上、下转换的彩色饱和度、色调变化最小。
问：不同类型的HDR转换器有什么特点？适合什么需求？
答：如果用照相机做参照，“技术型”的静态固定参数转换器相当于专业单反相机的手动模式，所有参数均可由用户自行调整、设置，实现精准控制，使用者需要具备HDR专业知识和实践经验，了解各项技术参数对图像的影响。
由于SDR的动态范围比HDR小得多，依据正常曝光图像设置HDR与SDR的映射关系后，大部分规范制作的HDR节目用固定参数下转换后都能获得理想的图像质量，但超亮或超暗画面下转换后会出现过曝或欠曝现象。增大转换增益差可改善超亮画面质量但牺牲了超暗，减小增益差则改善超暗牺牲了高亮，这是静态固定参数转换器的固有局限。
因为下转换是把HDR大动态范围用一套固定参数转换为小动态范围，相当于把大锅换成小锅，原本放在HDR这口大锅里的大苹果不可能完整无损地放进SDR小锅里，必须去掉一部分。所谓静态固定参数，就是确定去掉大苹果的某些固定部分，以便把大苹果放进小锅。
同属“技术型”的动态自适应可变参数转器换相当于傻瓜相机，无需复杂设置即可满足HDR节目的下转换需求。理想的智能处理引擎能够实时分析每帧画面亮度，用不同参数处理不同动态范围的图像，获得最佳转换结果。所谓动态可变参数，就是在不同场景去掉大苹果的不同部分以便把大苹果放进小锅，只保留有价值的部分。
不过，目前智能处理引擎的性能还不完善，市场上几乎所有同类产品都存在相同的问题：HDR画面中没有超亮景物时SDR输出电平始终低于70-80%，只有出现超亮景物时才用70-80%以上的电平资源处理超亮信号，其结果是HDR超亮或超暗画面下转换质量好，正常曝光的图像电平比固定参数转换器低20%左右，导致下转换后规范制作的画面偏暗、沉闷。从主观评价结果看，只要HDR图像基本正常，用动态转换器下转换都能够获得无错但并非优质的SDR图像。
通过上述分析可以看到，静态与动态转换器的优缺点几乎正好相反：静态转换器适合现场设备可控、制作规范的电视直播、录播节目下转换，而这正是目前动态转换器的短板；动态转器适合现场设备不可控、来源复杂、经过后期调色的录播节目下转换，这正是静态转换器的不足，两者的优势正好是对方的劣势。从信息处理的策略上看，正确设置的静态转换器是保中间主体牺牲超亮和超暗，而动态转换器则是保超亮和超暗，牺牲中间主体。
“艺术型”转换器性能基于调色师的主观感受，从使用者的角度看也相当于傻瓜相机，无需复杂设置即可满足大部分HDR转换需求。实际主观评价的结果，其下转换性能与动态转换器相似，但更具个性化。
LUT转换相当于专业单反相机的各种场景模式，无需复杂设置，只要根据说明选择对应场景的LUT就能获得相对优质的转换结果。实际客观测试和主观评价结果证明，目前BBC提供的十几种LUT性能都不错，可以完成HDR上、下转换，往返转换，也可以与静态、动态参数转换器混合使用，既能满足制作和播出的HDR转换需求也简化了操作，适合没有HDR转换经验、需要规范HDR转换流程的电视台和制作公司使用。
综上所述，三种不同类型的转换器各有特点，适合不同需求。实际使用时，无论采用哪种类型的转换方式，使用者都需要具备一定程度的专业知识。静态固定参数转换需要的HDR专业知识最多，LUT和动态自适应可变参数转换需要的专业知识比较少。
问：绝对与相对亮度体系的差别是什么？
答：绝对亮度体系的显示亮度只与信号电平有关，与显示设备无关，用一条EOTF曲线就可以表达显示设备的特性。当信号电平在显示设备的发光能力范围之内时，电平与显示亮度呈现由EOTF定义的对应关系，当信号电平超过显示设备的发光能力时，绝对亮度体系的表现是“宁折勿弯”，呈现硬削波的特性。对绝对亮度体系来说，显示屏峰值亮度越高再现的动态范围越大。
相对亮度体系的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，因此无法用一条EOTF曲线表达显示设备的特性，因为峰值亮度不同时EOTF曲线也不一样，不同的峰值亮度对应不同的曲线。无论显示设备的峰值亮度高低，相对亮度体系都能再现信号电平的全部信息。因此，显示屏峰值亮度的高低与再现的动态范围无关。对相对亮度体系来说，需要更高显示亮度的原因通常是因为环境亮度比较高。
绝对亮度体系需要两个重要条件，首先是显示设备可控，其次是观看环境可控。在显示设备和观看环境严格可控的条件下，绝对亮度体系能够获得最高质量的HDR图像，观众与导演、调色师看到的图像差别不大。实际上具备这两个条件的场所只有调色工作室和影院（包括放映室）。因此，可以说绝对亮度体系是为电影而生的。
绝对亮度体系的劣势主要是资源利用率低。例如，1000尼特的PQ1000信号电平最高为75%，这就意味着对PQ1000来说信号电平（量化）资源利用率只有75%；如果显示设备的峰值亮度高于信号电平亮度，例如，2000尼特监视器显示PQ1000信号时显示峰值亮度只有1000尼特，这时显示屏的亮度资源利用率为50%，只有信号电平高于PQ2000（83%）时屏幕亮度资源的利用率才能达到100%。
BT.2100推荐的绝对亮度体系采用完全模拟人眼灵敏度特性的PQ伽玛，与HLG相比PQ对动态范围的压缩、扩展比率更大，在暗部PQ电平的微小改变会使显示亮度发生很大变化，这也是绝对亮度体系对显示设备和观看环境要求苛刻的主要原因之一。PQ对制作的要求也比HLG更高，几乎所有采用PQ制作的节目都是调色师反复精心调整的结果，而不是电视的直播形态。
归一化的PQ特性
归一化的HLG特性
采用绝对亮度体系的HDR方案必须在播出码流中同时传输元数据，其中的静态元数据标识了制作监视器硬件性能和节目的平均、最高亮度，其目的是通知显示设备与其适配；Dolby Vision则更进一步，用动态元数据控制显示设备的方法优化显示图像质量。
虽然元数据能部分接管显示设备的控制权，但用户的观看环境是不可控的，无法满足绝对亮度体系需要的两个重要条件，因此在显示设备部分失控、观看环境不可控的家庭电视机、手机或平板电脑上，绝对亮度体系的优势无法完全发挥。
电视自诞生以来一直采用相对亮度体系，可以说相对亮度体系就是为电视而生的，大部分图像显示设备也都是相对亮度体系的。BT.2100推荐的相对亮度体系采用HLG伽玛，与传统电视的差别是引入了可变伽玛。可变伽玛对不同亮度显示面板设置不同的伽玛值，屏幕峰值亮度不同时可变伽玛自动调整100尼特以下的平均亮度，减小了不同亮度屏幕显示肤色时的亮度差别。
相对亮度体系的优势是电平和亮度资源利用率高，对显示设备和观看环境的要求不像绝对亮度体系那么严格，劣势是节目制作方对用户端显示设备是完全失控的，只能在标准监视器上判断图像质量，观众与导演、制作者看到的图像可能有较大差别。
综上所述，在诸如调色工作室、影院（放映室）等显示设备和观看环境严格可控的环境中，绝对亮度体系是最佳选择，而在显示设备和观看环境不可控的环境中，引入了可变伽玛的相对亮度体系更具优势。对电视和移动终端等观看环境复杂的显示设备来说，合理的方案是对相对亮度体系进行优化，可以选择让显示屏亮度像手机屏幕一样随环境光亮度自动变化以保持观看舒适性，显示屏亮度改变时系统自动适配不同的伽玛值，以减小肤色亮度的变化范围。
（未完待续）