影视制作专业问答3——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：什么是HLG-Live？

HLG-Live是索尼对HLG的改进版本，也可以认为是“索尼版”HLG，配置在索尼4K演播室摄像机、4K ENG肩扛摄录一体机上。这些设备既可以选择BT.2100定义的标准HLG伽玛，也可以选择索尼的HLG-Live。HLG-Live与HLG完全兼容，用HLG-Live拍摄的节目在HLG监视器和电视机上显示的图像与HLG相同，无需任何特殊处理。

HLG-Live与HLG的主要差别是灵敏度不同。例如，索尼HDC4300摄像机设置为HLG-Live时，其灵敏度比设置为HLG提升了5dB，接近1档光圈，与HDC1580高清摄像机灵敏度相同，对低照度拍摄非常有利。实际测试结果，索尼HDC4300采用HLG-Live时其灵敏度与索尼高清摄像机HDC1580/2580相同，HDC5500/3500采用HLG-Live时其灵敏度比高清摄像机还高一些，这就意味着在大型活动现场、体育场馆、演播室等场景，索尼4K演播室摄像机用HLG-Live拍摄时，如果不考虑灯具的显色性，现有的高清SDR制作灯光照度就能满足4K HDR拍摄需求，无需增加照明灯具和功率。

问：ITU-R BT.2408文件中HDR参考白基准信号电平的作用是什么？

答：HDR参考白基准信号电平的主要作用是拍摄时的曝光基准，它还是HDR节目中白色字幕的推荐电平，以及SDR与HDR内容的分界线。

模拟电视的视频信号电平用mV或百分比（IRE）表示，700mV=100%，数字信号用编码值代表不同的电平，但习惯上仍然沿用了模拟时代mV或百分比的电平表示法。超高清电视只有数字信号，在ITU文件里用百分比表示HDR电平。

ITU-R BT.2408-2表1. PQ和HLG制作的基准信号电平

BT.2408-2文件的表1列出了HDR参考白基准信号电平与显示亮度的关系：在白色信号电平幅度为58%时PQ伽玛HDR监视器上显示的白色亮度为203尼特，白色信号电平幅度为75%时1000尼特HLG伽玛HDR监视器上显示的白色亮度也是203尼特。信号电平与监视器显示亮度的关系是PQ或HLG的EOTF公式确定的，只要EOTF公式不变这个关系就不会改变。

HDR参考白（漫反射白）电平对应的是100%动态范围，具体来说就是用PQ伽玛摄像机拍摄100%反射率白色测试卡时输出电平幅度应为58%，HLG伽玛摄像机输出电平幅度应为75%。与显示时EOTF公式的电平与亮度对应关系不同，拍摄时即使OETF公式不变，使用者也可以随意改变100%动态范围对应的输出电平。例如在HDR发展的初期，HDR参考白对应的输出电平分别为51%PQ或50%HLG。也就是说，50%或75%HLG都可以表示HDR参考白，这是如何使用OETF的问题，是考虑各种因素后人为定义的。

从动态范围的角度看，参考白基准电平是一个分界线，低于该电平的内容是SDR，与SDR摄像机再现的内容完全相同，下转换后可以完全呈现在SDR电视屏幕上；超过该电平的高亮度内容是HDR，可以在高峰值亮度的HDR电视机上完美呈现，下转换SDR后被压缩在占用很少电平和亮度资源的拐点范围内，因此参考白基准电平也是下转换时映射至100%SDR电平的基准。此外，根据BT.2408的建议和实际测试、制作实践，参考白基准电平也是HDR制作时白色字幕的推荐电平。

直播拍摄时HDR参考白基准信号电平的作用与SDR的峰值白信号电平相似，是HDR拍摄的定光点。SDR的峰值白电平是100%，对应SDR监视器100尼特亮度。对SDR制作来说，峰值白电平既有校准层面的意义，也有操作层面的意义。在波形监视器上，100%是最高电平，对应拍摄场景内最高亮度的景物，因此峰值白电平既可以用于系统校准，也可以为调光师的曝光控制提供参考。

对HDR制作来说，HDR参考白基准信号电平只有校准层面的意义，没有操作层面的意义。在波形监视器上，58%或75%是定光点但不是最高电平，并不对应拍摄场景内最高亮度的景物，调光师无法判断58%或75%电平对应拍摄场景中的哪些景物，找不到定光点，因此无法像SDR的峰值白电平那样为调光师的曝光控制提供参考。

问：ITU推荐的两种HDR制作流程有什么区别？

ITU-R BT.2408-2推荐了两种用HDR系统制作节目的流程，一种是用HDR调光制作HDR，也就是HDR优先，另一种是用SDR调光制作HDR，即SDR优先。

在HDR优先的制作流程中，为了获得高质量的HDR图像，HDR摄像机使用HDR监视器调光。由于HDR图像的曝光宽容度远大于SDR，因此获得高质量的HDR信号后，下转换SDR转换器必须采用自适应的动态映射才能获得高质量SDR输出。动态转换器旨在优化任何场景的HDR到SDR映射曲线，从而适应比固定（静态）增益差映射曲线更宽的曝光范围。目前动态转换器产品研发已经取得了很大进展，但还无法完全满足HDR调光的苛刻要求。实际操作时，以HDR为基准调光制作HDR，采用固定增益差下转换得到的SDR图像容易出现曝光不准，特别是曝光过度的现象。

ITU-R BT.2408-2图4. HDR优先，用HDR调光制作HDR

在SDR优先的制作流程中，为了获得高质量SDR图像，HDR摄像机使用SDR监视器调光。大多数演播室HDR摄像机可以同时输出HDR和SDR信号，因此可以用SDR输出对摄像机进行调光，HDR输出可以使用相对于SDR的固定增益差（相当于曝光偏置）进行下转换，从而获得高质量的SDR图像。

ITU-R BT.2408-2图5. SDR优先，用SDR调光制作HDR

采用SDR调光制作HDR节目的主要原因如下：

提高调光精度：调整光圈时同样的曝光量变化在HDR监视器上亮度变化很小，在SDR监视器上亮度变化很大，因此SDR调光更精准；

减轻视觉疲劳：HDR监视器峰值亮度比SDR高得多，调光师长时间观看容易出现视觉疲劳，判断力下降；

精确控制肤色曝光：肤色电平都在SDR范围内，用SDR调光能够精确控制SDR和HDR的肤色电平；

确保高清质量：用SDR调光可在确保高清图像质量的情况下同时获得比较好的4K HDR图像；

节省成本：为每个调光师配置高质量HDR监视器和波监的成本很高；

保留传统经验和习惯：SDR时代调光师多年积累的宝贵经验和操作习惯得以保留，无需改变。

调整光圈时同样的曝光量变化，SDR图像亮度变化比HDR大得多

因此，采用SDR调光制作HDR能够确保获得高质量高清SDR和比较好的4K HDR图像，符合现阶段节目制作和播出的要求。具体来说，4K HDR制作系统包括摄像机、切换台等核心设备均支持4K HDR，输出4K HDR节目信号，摄像机内置下转换高清SDR用于调光，4K HDR下转换的高清SDR用于系统节目输出。

4K HDR制作系统示意图：用SDR调光制作HDR 

用SDR调光制作HDR的核心是设置HDR转换SDR的增益差。HLG转换成SDR需要做电平、伽玛和色域映射，电平从75%HLG映射到100%SDR，伽玛从HLG映射到SDR，色域从BT.2020映射到BT.709。在三个映射中，伽玛和色域映射是产品制造商设计决定的，用户只能进行相应的选择和微调，最重要的是电平映射，用户需要设置HDR转SDR的增益差，使HLG电平正确映射到SDR。

大多数4K HDR演播室摄像机CCU都内置了HDR与SDR两个独立的信号处理器，可以同时输出4K HDR与高清SDR信号。由于HDR的动态范围比SDR大得多，摄像机以SDR为基准调光时HDR就会曝光不足，如果扩大光圈以HDR为基准调光时SDR就会曝光过度，为了使HDR与SDR都能正确曝光，需要用光圈控制HDR曝光，并为HDR与SDR处理器设置适当的增益差控制SDR曝光。

设置SDR增益差，使HDR与SDR都能正确曝光

采用SDR优先的制作流程时必须用测试信号和测试卡检查、验证摄像机CCU内置下转换SDR输出与4K HDR节目输出转换器下转换SDR信号的电平、伽玛和彩色相同，两者有差别时需要对摄像机或转换器进行调整使之一致，以实现电视直播制作要求的“所见即所得”。

实际操作时调整摄像机下转换输出的高清SDR增益，使75% HLG电平对应的SDR电平为100%。根据索尼提供的数据和实际测试验证，HDC4300摄像机和HDRC-4000转换器满足这个映射要求的SDR增益为-10.2dB。由于HLG-Live比HLG下转换SDR的增益差小5dB，所以HLG-Live转换SDR的增益为-5.2dB。其它厂商摄像机的调整项目各有不同，但映射关系都应调整为75%HLG映射100%SDR电平。

HLG与SDR电平映射关系：75% HLG映射100% SDR（BT.2111 HLG彩条测试信号）

用SDR调光制作HDR，就是把75% HLG电平映射到SDR后成为100%峰值白电平，这样调光师就有了与SDR制作时相同的定光点可供参考，这个定光点对应的就是75% HLG，实现了用SDR调光精准控制HDR曝光的目的。

实际测试结果证明，虽然用SDR调光制作HDR时调光师看不到HDR内容，但只要系统设置了正确的HLG与SDR映射关系就能确保HDR图像质量。以高清SDR图像为基准调光时高清好HLG一定好，虽然不一定是最好。

用一个系统同时制作HDR与SDR时，建议4K直播和类似于直播的录播采用SDR优先的制作流程，以高清SDR图像为基准调光，即ITU建议的用SDR调光制作HDR；如果确认制作的4K节目仅用于HDR播出、传输或发行，不下转换高清SDR播出，可采用HDR优先的制作流程，用HDR调光制作HDR。用SDR调光制作HDR时，技监和导演都能看到4K HDR图像，如果4K HDR与高清SDR图像质量无法兼顾时，目前的策略应该是高清优先。

测试研究证明，HDR与SDR转换时的电平映射关系反映了不同动态范围曝光基准的差别，因此用SDR调光制作HDR时电平映射关系与设备无关，与拍摄场景无关，只与创作意图有关。无论采用哪个厂家的摄像机，拍摄什么场景，只要摄像机HLG曲线符合BT.2100标准，HLG下转换SDR的电平映射关系都是相同的，只不过不同厂家设备设置的项目和数值不一样。以75%HLG映射100%SDR为基准，在75%HLG映射90-100%SDR电平的范围内增减SDR电平可以改变4K图像的HDR效果，体现制作者的创作意图，HLG映射的SDR电平越低HDR曝光量就越大，HDR效果越明显。

问：常用的HDR播出、传输方案是哪几种？

在问答系列连载2“ITU定义的两种HDR伽玛有什么差别？”中已经介绍过，BT.2100定义了两种用于高动态范围（HDR）电视的伽玛，分别是绝对亮度体系的PQ和相对亮度体系的HLG。不过，PQ只是EOTF，由于PQ对显示设备精度要求很高，必须在播出码流中加入代表制作监视器性能和节目亮度的元数据形成完善的HDR方案才能充分发挥其优势。用PQ制作的节目可以用HDR10、HDR10+、Dolby Vision-1/2、SL-HDR1/2方案播出。HLG无需元数据，用HLG制作的节目在播出、传输码流里插入识别符就可以直接播出，也可以加入元数据形成HDR方案（如SL-HDR3）。

行业标准组织和厂商提出了多种HDR播出方案，已经被影视行业和电视机厂商接受的HDR方案有BDA（蓝光盘）/HDR10、HDR10+、Dolby Vision和HLG。目前几乎所有网络平台上的HDR节目都是用HDR10或Dolby Vision播出的，广电总局已经确定中国用HLG加识别符的方案播出4K HDR节目，采用PQ伽玛的播出方案待定。

HDR播出方案

在采用PQ的HDR方案中，从兼容性来看Dolby Vision和Philips/Technicolor的SL-HDR2可以下兼容SDR，HDR10和HDR10+不兼容SDR；从静态元数据来看各方案相同，都是ST2086 + MaxFALL/MaxCLL。SMPTE的ST2086描述了制作HDR节目时使用的监视器硬件性能，包括RGB基色坐标（色域），白色坐标（色温），最高显示亮度，最低显示亮度；MaxFALL（maximum frame-average light level，最高帧平均亮度电平，简称FALL或平均亮度）和MaxCLL（maximum content light level，最高内容亮度电平，简称CLL或最高亮度）描述了节目的平均和最高亮度。

在不同的方案中动态元数据的作用也不一样，有些是针对不同场景优化显示图像质量的，如Dolby Vision和HDR10+；有些是为实现HDR与SDR兼容的，如Philips/Technicolor。具体来说，Dolby Vision的动态元数据标准是ST 2094-10，Philips是ST 2094-20，Technicolor是ST 2094-30，因此Philips/Technicolor方案的动态元数据是ST 2094-20与ST 2094-30的集合，HDR10+的动态元数据标准是ST 2094-40。

播出、传输用PQ制作的HDR10或Dolby Vision节目时必须同时传输元数据，支持HDR10或Dolby Vision的HDR电视机/显示设备在自动模式时接收到元数据后会自动进入PQ的“绝对亮度”模式，并根据静态元数据控制/选择显示设备参数使之适合信号源的要求；播出、传输用HLG制作的HDR节目时必须同时传输HLG识别符，支持HLG的HDR电视机在自动模式时接收到HLG识别符后自动进入HLG HDR模式。

4K HDR播出、传输流程

在整个播出、传输和接收流程中，HDR播出码流需要同时传输元数据或识别符，HDMI接口必须支持元数据或识别符传输。机顶盒连接电视机或显示设备后，机顶盒通过HDMI发送Inforframe（信息帧）通知电视机正在传输的图像信号参数，包括分辨率、色域、色温、伽玛、是否HDR，如果是HDR属于哪种类型，如PQ或HLG，以及制作监视器的最高亮度、最低亮度等信息，电视机的HDMI接收到Infoframe后，会把电视机自身的硬件性能通过EDID（扩展显示识别数据）回复机顶盒，电视机的分辨率、色域、色温、伽玛、是否支持HDR的PQ或HLG、最高和最低亮度等电视机参数。

通过HDMI的Infoframe和EDID通讯后，双方判断，如果电视机的性能可以支持传输信号的所有需求，那么机顶盒对传输信号不做任何处理，透传数据，所有信号处理都由电视机完成，如果电视机性能不支持传输信号的要求，信号处理将由机顶盒完成，机顶盒应该根据电视机性能将传输信号转换成电视机能够显示的图像格式。

以上是理想状况，实际情况会复杂的多。例如，机顶盒与电视机的HDMI版本必须高于2.0b才能支持HLG识别符传输，机顶盒、电视机也必须传输并识别元数据或识别符，如果机顶盒向电视机发送了infoframe，电视机也必须通过EDID回复真实的性能。这是个通讯握手的过程，节目制作、播出、传输、机顶盒、电视机厂商等有关各方必须遵守相同的协议才能实现即插即用，互通互联，自动识别，确保用户端再现高质量4K HDR图像。

（未完待续）