超高清電視制作技術要點淺析

陳崢嶸 張文輝 王漢雄 龐曉蓉

[摘要]歸納了超高清（UHD）電視節目在生產過程中需要關注的關鍵因素，以及4KUHD電視制作系統需求，并針對當

前超高清/高清（UHD/HD）混播階段的下變換的技術特點。

[關鍵詞]超高清電視;BT.2020G域;高動態范圍;感知量化;HLG;超高清/高清混播;下變換

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.11.013

隨著UHD（Ultra-high definition，超高清）電視技術的不斷發展，在電視設備生產企業的大力推動下，ITU（國際電信聯盟）、SMPTE（電影和電視工程師協會）、ARIB（日本無線工業及商貿聯合會）等國際標準化組織都開展了超高清系統標準化工作。目前已經制定了4K UHD電視標準近70余項，涉及節目制作、基帶接口、信號傳輸、音視頻處理、終端設備和評價測試等超高清制作、傳輸、測試等多個關鍵環節。2012年下半年，國際電信聯盟無線電通信部門（ITU-R）頒布了面向新一代UHD視頻制作與顯示系統的BT.2020標準，定義了電視廣播與消費電子領域關于超高清視頻顯示的各項參數指標，促進4K超高清家用顯示設備進一步走向規范化。

自2017年，中國出臺了一些列相關政策引導超高清電視的發展，國家新聞出版廣電總局在2017年9月20日發布的《新聞出版廣播影視“十三五”發展規劃》提出：“適時開播4K超高清電視試驗頻道，推動構建高清（HD）、4K超高清電視混合播出系統”;當年11月9日下發《關于規范和促進4K超高清電視發展的通知》指出：“優先支持高清電視發展較好的省份和機構開展4K超高清電視試點”。與此同時，國家新聞出版廣電總局相繼批準發布了行業標準GY/T 307-2017《超高清晰度電視系統節目制作和交換參數》、GY/T 315-2018《高動態范圍電視節目制作和交換圖像參數值）》、GY/T 316-2018《用于節目制作的先進聲音系統》。2018年3月，中央廣播電視總臺發布實施了《4K超高清電視節目制播技術規范》和《4K超高清播出格式MXF文件規范》，同年5月發布實施了《基于“4K超高清圖像+環繞聲/三維聲”家庭影院配置規范》和《中央廣播電視總臺4KtlI高清演播室錄制聲道管理規范》。在諸多政策、標準的推動和指引下，廣東廣播電視4K，N道和中央廣播電視總臺4K頻道正式開播，國內省級臺紛紛展開在超高清領域的探索和實踐。

2018年9月，國家廣播電視總局印發《4K超高清電視技術應用實施指南（2018版）》，適用于3840X2160分辨率、50幀/秒幀率、10bit量化精度、BT.2020色域、高動態范圍（HDR）的4K超高清電視節目制作、播出、編碼、傳輸系統與終端的適配。BT.2020標準主要從以下五個要素對超高清電視系統進行規范：分辨率、幀率、量化值、色域、高動態范圍（見圖1）。這五個方面的變化，直接導致UHD節目的生產難度大大增加。以下對這些難點逐一分析。

1分辨率、幀率、量化值帶來的變化

UHD分辨率由HD（1920×1080）提高到4K（3840×2160）和8K（7680×4320）。刷新率方面，取消了原有的隔行掃描，UHD全部采用逐行掃描，幀率從50P起，最高可達到120P甚至更高。量化由原來的8bit提升為10bit（4K）和12bit（8K）或更高。

分辨率、幀率、量化值指標的提高，對于生產系統提出了更高要求。首先，存儲系統大幅增加，以HD為例，中國大部分電視臺的生產碼率采用100Mb/s（50I）和120Mb/s（50I）;4K生產碼率從500Mb/s（sony XAVC編碼）起，最高可達到1.8Gb/s（apple prores 422HQ）。如果生產系統采用raw格式，數據量將會更加驚人。其次，對于后期制作系統的運算能力也提出了更高要求，由于數據量大幅提升，相應的對CPU、內存、顯卡等設備的計算能力要求也大幅提升。

2色域

從HD電視到UHD電視明顯變化體現在兩個方面，色域由REC.709變為BT.2020，動態范圍由SDR（標準動態范圍）提升為HDR。因為這兩點變化，直接導致整個生產系統，從前期拍攝到后期制作需要全面升級，重新規劃。

BT.2020色域相較于REC.709，見圖2，色彩范圍大幅提升，目前采用SDR的HD電視系統，不管是從攝像機，還是制作系統到監視設備，都不支持BT.2020，無法按照BT.2020色域進行生產。

人眼動態范圍特性：人眼具有很高的動態范圍，其絕對靈敏度能從30unt～20000nt。在瞳孔不變的情況下，在同一場景中能夠識別的最大對比度約為100000：1。相對的，顯示設備的“幀內對比度”性能也要求HDR系統能夠再現100000：1對比度，這樣才能滿足人眼的可視要求。目前的SDR電視系統的適配顯示終端為100nt亮度，必須把拍攝場景的動態范圍控制在較小的1000：1，不能滿足人眼的可識別的100000：1對比度。

在目前的電視節目生產過程中，視頻信息經歷了OETF（光電轉換特性）、EOTF（電光轉換特性）兩個過程，這兩個過程相乘就是整個系統的轉換特性OOTF（光光轉換特性），如圖3所示。其中，攝像機伽瑪為OETF;監視器伽瑪為EOTF;系統的伽瑪為OOTF，即攝像機伽瑪和監視器伽瑪的乘積。對于SDR電視系統，系統伽瑪=1/2.2×2.4≈1.1。

在SDR內，無法再現人眼所見的全部亮度動態范圍，電視再現的人物或者主體亮度大約控制在幾十尼特，超過100nt的高亮部分無法正常顯示，導致部分高亮區域的灰度層次丟失（過曝）。HDR則建立了比SDR更大的色彩/亮度體系，并改變系統的傳輸函數，從而再現更大的色域和更高的亮度動態范圍，達到人眼可識別的最大對比度100000：1。典型HDR電視系統制作流程見圖4。

目前HDR標準格式較多，在2016年7月，國際電聯發布了ITU-RBT，2100標準，建議采用PQ（Perceptual Quantization，感知量化）（ST2048）和HLG（Hybfid-L09Gamma）作為播出格式。

PQ曲線（EOTF）按照人眼靈敏度設計，其體系的基本理念是再現被攝景物的絕對亮度。PQ制作流程中，攝像機拍攝信號的電平范圍為0～10000%，經過Pq非線性處理后的信號電平被壓縮到0～100%，峰值白對應的100%電平占輸出電平50%，100%～10000%的高亮度電平占輸出電平剩余的50%。系統能夠再現的動態范圍是正常曝光量的100倍。

HLG的EOTF非線性特性是兼容SDR設計，再現相對亮度，是對傳統電視體系的改進，擴展了高亮度景物的再現能力。HLG制作流程中，攝像機拍攝信號的電平范圍為O～1200%，經過HLG非線性處理后的信號電平被壓縮到O～100%，峰值白對應的100%電平占輸出電平50%，100%～1200%的高亮度電平占輸出電平剩余的50%。系統能夠再現的動態范圍是正常曝光量的12倍。

在兼容SDR方面，由于PQ和HLG采用了完全不同的亮度體系，在向下兼容方面也有所不同。PQ制作的HDR母版在傳輸時分為雙層數據（Dolby Vision）和單層數據（HDRl0）傳輸，雙層數據傳輸時分為用于普通電視的基本層和包含HDR信息的增強層，基本層在現有的SDR系統中直接解碼基本層信息，顯示對比度和彩色正常的圖像;增強層在支持HDR的顯示設備中解碼基本層和增強層的全部信息，顯示HDR圖像。這里需要注意的是，采用雙層數據傳輸的PQ系統需要授權。單層數據傳輸時，用PQ制作的HDRl0母版插入靜態元數據后進行傳輸，支持HDRlO的顯示設備在檢測到碼流中的元數據后自動轉入HDRl0模式顯示HDR圖像?，F有的SDR顯示設備無法正常顯示單層數據傳輸的HDR圖像，只能顯示對比度和彩色不正常的灰暗圖像。

HLG模式由于采用了相對亮度體系，可以實現HDR與SDR的直接兼容。無需雙層數據和元數據傳輸，只需要在數據中加入HLG標識符，支持HLG的顯示設備檢測到HLG標識符后自動轉入HLG HDR模式，顯示HDR圖像;而現有的SDR顯示設備則顯示對比度正常、彩色飽和度略為降低的SDR圖像。

34K UHD電視制作系統需求

通過討論UHD電視的五個主要技術指標可以看到，UHD電視節目的技術提升很大，不管是前期拍攝，或者后期制作，對設備和技術要求都大大提升，以4K電視制作為例。

3.1前期拍攝要求

攝像機：必須采用4K或者更高分辨率的設備，其動態范圍必須大于13擋，伽瑪必須采用HDR伽瑪（PQ、HLG、slog3等），色域選用BT.2020或者更大色域。

記錄素材格式：必須選用4K或者更高的分辨率，采用16bit RAw格式，或者10bit～12bit log模式4：4：4或者

4：2：2格式，色域選用BT.2020或者更大色域。

監視器：亮度需要選用600nt以上，最好1000nt或者更高，動態范圍至少10000：1，最好大于100000：1，伽瑪必須采用HDR伽瑪（PQ、HLG、slog3等），色域選用BT.2020或者更大色域。

3.2后期制作系統

監視器：必須采用4K或者更高的分辨率，亮度需要選用600nt以上，最好1000nt或者更高，動態范圍至少10000：1，最好大于100000：1，伽瑪必須采用HDR伽瑪（PQ、HLG、slog3等），色域選用BT.2020或者更大色域。

波形監視器：必須支持4K或者更高的分辨率，伽瑪必須采用HDR伽瑪（PQ、HLG、slog3等），色域選用BT.2020或者更大色域。

非線編制作系統：素材采集支持RAW、log格式文件，采用BT.2020或者更大色域;制作空間支持BT.2020或者更大色域;輸出空間支持4K、HDR伽瑪（PQ、HLG、slog3等）、BT.2020色域。

4UHD/HD混播階段的下變換

伴隨中央廣播電視總臺、廣東廣播電視臺4K頻道的正式開播，國內省級臺也紛紛在4K UHD制播領域進行嘗試和探索，由于資金、人才、節目源的制約，初步從4K/HD混播的方式進行建設。但4K節目如果需要在其他高清頻道播出，上下變換就是不可避免的技術環節，一般通過媒資系統依據播出編排單給轉碼平臺添加轉碼任務，轉碼為目標頻道所需文件播出格式備播。這就需要轉碼平臺必須支持4K超高清節目制作格式碼率文件轉為HD播出格式碼率文件的功能，同時支持HDR轉為SDR，BT.2020轉為BT.709，三維聲轉為立體聲的功能。通過對制播流程的梳理，4K-HDR下變換為HD—SDR節目播出，轉碼平臺下變換系統性能是保證節目技術質量的關鍵點。

HD采用Rec.709色域，而4K UHD采用4K素材使用Rec.2020，有SDR和HDR兩種方式。面向HD成片優先的生產階段，演播室素材優先下變換1080/50P格式，批量進行畫幅、色彩空間的轉換，并且碼率可以得到有效控制，適配HD制作需求。下變換的1080/50P素材與原有的4K素材保持相同的時間碼與幀速率，用于HD成品的復雜編輯。

就目前情況，在技審、文件化、備播流程中，主流非編軟件都可以很好地支持，通過對4K HDR原素材的制作，下變換后的高清素材也具備更高動態范圍及亮度，對HD和4K進行兩個版本的處理。隨著非編性能的進一步提升和4K節目量的提升，使用4K素材進行后期處理，依靠軟件自身的算法自行產生優化碼率，提高編輯的實時性。工作過程中，隨時進行原始碼率和優化碼率的切換，完成4K SDR/HDR版本的制作。下變換HD素材，軟件自動從4K素材原始分辨率下變換HD，節省了前端素材轉換高清版本的時間開銷和高清版本套4K的工作，節省了各自版本的調色、包裝合成工作，同時確保了高清版本、4K版本的一致性。

5總結

筆者歸納了UHD電視節目在生產過程中需要關注的關鍵因素，以及4K UHD電視制作系統需求，并針對當前UHD/HD混播階段的下變換的技術特點。

UHD電視目前正處于蓬勃發展期，新的標準、新的技術、新的設備正如雨后春筍一樣層出不窮，可以預見的是，UHD電視的發展會帶動電視生產行業的技術更新和產業升級。