影視制作專業問答2

王亞明

什么是DCI放映機顯示伽瑪？

DCI（數字影院倡導聯盟）是好萊塢幾大電影制作、發行公司為推動電影放映數字化成立的公司。為規范數字電影放映市場，DCI制定了數字母版（DCDM）、發行拷貝（DCP）和放映機的行業標準，沿用了膠片電影的48尼特放映亮度和發行放映拷貝的伽瑪值2.6。影院的黑暗環境、大尺寸放映銀幕和觀眾注意力的高度集中需要顯示圖像有更高的量化精度，因此DCI的發行拷貝和放映機采用了12比特量化。

不過，數字電影的制作流程與膠片電影、電視不同，與顯示伽瑪匹配的對數特性拍攝伽瑪并不是在前期拍攝時處理的，而是在后期的調色和數字母版制作時完成的，因此DCI只定義了放映機的顯示伽瑪，不像電視那樣還需要定義拍攝伽瑪。

電影與電視對動態范圍的表達方式有什么差別？

由于歷史原因，電視與電影行業采用不同的方式表達動態范圍。首先是用詞不同，電視用動態范圍（Dynamic Range），電影用寬容度（Latitude）。其次是基準不同，SDR電視時代，行業慣例是以90%反射率白為基準，動態范圍用百分比表示，電影以18%反射率灰為基準，寬容度用光圈檔數表示，兩者的詳細比較和換算見表1。

SDR攝像機的伽瑪特性與理論值有什么差別？

理論上，用百分比計量視頻信號電平時，100%電平代表100% SDR動態范圍。SDR時代并未定義測試攝像機動態范圍使用的測試卡類型，行業慣例是拍攝包括90%反射率白在內的灰階卡，調整曝光量使90%反射率白的輸出電平為100%（700mV），對應亮度信號的100%動態范圍，在監視器上顯示100尼特峰值白亮度。這就意味著如果完全按理論值處理，SDR攝像機的動態范圍只有100%，沒有電平和亮度資源表現超過100%動態范圍的高光。

對傳輸來說電平是資源，100%電平是上限，對顯示來說亮度是資源，100尼特是上限，100%電平對應100尼特亮度。電視只能再現100%動態范圍當然是不夠的，比照膠片電影，在有限的電平和亮度資源范圍內，電視系統希望能夠再現的動態范圍是300-600%，即能夠再現超過測試白卡3至6倍亮度的灰度層次。

受限于電視信號的幅度和顯像管亮度，只能在這個有限的范圍內再現大于100%的動態范圍。SDR電視處理這個問題的方法是拐點和斜率，即用90%左右的大部分信號電平表現100%動態范圍以內的灰度層次以正確再現人臉面部或拍攝對象主體，剩余10%左右的少量電平表現100-600%動態范圍的高光層次，使其被拐點和斜率壓縮在很小的電平和亮度范圍內。

模擬電視發射機對信號電平有嚴格要求，電視信號電平不允許超過1V，否則發射機就會面臨過載的風險。為了在輸出電平不超限的情況下提高動態范圍，攝像機都采用了這種伽瑪+拐點的處理方式。因此，在模擬電視時代攝像機的伽瑪特性與理論值略有不同。

從圖8和圖9可以看到，SDR攝像機分配給高亮度部分的電平資源只有10%左右，由于顯示伽瑪的非線性指數特性，位于高電平端的10%電平對應的亮度資源大于10%，但對于100-600%的亮度動態范圍來說亮度資源仍然非常有限。在實際的產品上不同攝像機廠商對拐點和斜率的處理并不相同，很多型號的攝像機允許用戶對拐點和斜率在一定范圍內進行調整，所以10%電平只是個大致的范圍。

綜上所述，SDR電視必須用大部分電平和亮度資源再現人臉面部或拍攝對象主體，用拐點和斜率給高亮度區域分配較少的電平和亮度資源，實際上膠片電影對畫面中高亮度部分的處理也是這樣的。

圖10是柯達底片和放映拷貝的感光特性，分別對應拍攝和顯示。因為圖中水平軸是對數坐標，而且膠片密度與顯示亮度是倒數關系，所以曲線形狀看起來與電視的伽瑪不太一樣。盡管如此從右圖仍然可以看到，放映拷貝在高亮度區域對動態范圍的壓縮處理與攝像機的拐點和斜率幾乎是一樣的，只不過膠片電影是在放映拷貝上對高亮度區域進行了壓縮，而電視是在拍攝時處理。

電視技術從模擬過渡到數字后在很長時間內兩種信號形態是并存的，因此必須考慮模擬與數字信號互轉時的誤差問題。電視行業制定技術標準時量化電平采用了有限域（Limited range，或稱為窄域Narrow range），為用數字信息表達模擬電視信號電平保留了適當的余量。有限域為“比黑還黑”的低電平預留了7%余量，為“比白還白”的高電平預留了9%余量，實際可用的電平范圍是-7%至109%，如圖11所示。

數字傳輸不存在信號電平超限引起的電視發射機過載問題，因此進入數字時代后超過100%的電平資源是可用的。由于顯示技術的發展，高于100尼特的亮度資源也是可用的。在實際的攝像機產品上可用電平資源為109%，如果仍然把10%的電平資源用于拐點和斜率，用于100%動態范圍的電平就是98%。目前，大部分攝像機都把拐點的起始點設置在98%左右，而不是模擬時代的90%。如果不考慮拐點和斜率部分，現代SDR攝像機的伽瑪特性與理論值幾乎是一樣的。

ITU定義的兩種HDR伽瑪有什么差別？

ITU-R BT.2100定義了兩種用于高動態范圍（HDR）電視的伽瑪，感知量化（PQ）定義了EOTF，混合對數伽瑪（HLG）定義了OETF，ITU建議目前制作這兩種伽瑪的HDR節目時使用峰值亮度1000尼特的監視器。由于HDR的亮度范圍比SDR大得多，因此需要表達更多灰階的量化資源，傳輸時8比特量化是不夠的，需要10-12比特。

PQ是杜比推薦的HDR伽瑪，其OETF曲線完全模擬人眼靈敏度。PQ采用絕對亮度體系，顯示亮度只與信號電平有關，與設備無關，信號電平與顯示亮度有一一對應的關系：51%電平對應100尼特，58%對應203尼特，70%對應600尼特，75%對應1000尼特，83%對應2000尼特，89%對應4000尼特，100%對應10000尼特。

用1000尼特監視器制作的PQ HDR母版稱為PQ1000，2000尼特監視器制作的稱為PQ2000，其余以此類推。與此對應，PQ1000的最高電平為75%，PQ2000的最高電平為83%，其余以此類推。電視機的峰值亮度低于制作母版時不能顯示母版中高于電視機亮度的灰度層次和彩色，而高于制作母版峰值亮度的電視機只能顯示與母版相同的最高亮度。

因此，采用PQ制作HDR節目時，監視器的亮度越高制作出的HDR母版亮度越高，如果節目母版是用高亮度監視器制作的，電視機的亮度越高，能夠顯示HDR節目中高亮度層次和彩色的內容就越多。由于PQ對顯示設備精度要求很高，必須在播出碼流中加入控制顯示設備性能的元數據形成完善的HDR方案才能充分發揮其優勢。

HLG是BBC和NHK推薦的HDR伽瑪，其OETF曲線50%以下電平的部分與現有攝像機伽瑪幾乎是一樣的，50%以上為對數伽瑪，是兩種伽瑪的混合，這也是HLG混合對數伽瑪名稱的由來。HLG采用與現有電視一樣的相對亮度體系，顯示亮度不但與信號電平有關，還與顯示設備有關，信號的最高電平對應顯示設備的最高亮度。

從HDR的角度看，可以認為SDR攝像機拐點和斜率處理的高亮度內容就是“HDR”，只不過SDR電視分配給拐點/斜率的電平和亮度資源比HDR電視少得多。換言之，可以把HLG伽瑪曲線高于100%動態范圍的HDR部分看作是SDR電視拐點/斜率的升級和擴展。HLG在兼容現有SDR電視的基礎上提升了動態范圍，因此更適合廣播電視行業應用。

從圖14不同伽瑪的OETF曲線可以看到，在SDR和HDR電視體系中，以100%動態范圍為分界點，低于100%動態范圍的是SDR內容，高于100%動態范圍的是HDR內容。SDR電視用于SDR內容拍攝的電平資源為98%，HDR為11%，只占可用電平資源的10%；PQ和HLG用于SDR的電平資源分別為58%和75%，只是SDR電視的60-70%左右，而用于HDR的電平則占可用資源的30-40%，比SDR電視的10%多了幾倍。

圖15是不同峰值顯示亮度時PQ與HLG的EOTF特性。PQ采用絕對亮度體系，其EOTF曲線是唯一的，顯示設備峰值亮度不同時在PQ曲線上只是改變了上截止點的位置，而采用相對亮度體系的HLG則分別表現為不同的EOTF曲線，因此HLG定義了OETF而不是EOTF，因為HLG的EOTF不是唯一的。

在不同峰值亮度的監視器上，58% PQ電平表現的SDR亮度都是203尼特，而75% HLG電平表現的SDR內容在不同峰值亮度監視器上是不一樣的，1000、800、600和400尼特監視器顯示的SDR亮度分別為203、172、138和101尼特，這就是絕對亮度與相對亮度體系的差別。

在亮度資源方面，S D R電視分配給H D R的資源不到20%，而HDR電視的大部分資源都用于HDR。絕對亮度體系的PQ用于SDR的亮度資源是固定不變的203尼特，顯示峰值亮度越高HDR比例越大，相對亮度體系的HLG峰值亮度不同時，用于HDR的亮度資源大約是SDR的4至5倍，這也是絕對亮度與相對亮度體系的差別。

雖然ITU只定義了PQ和HLG兩種HDR電視伽瑪，但從技術角度來看，包括BT.1886在內，所有類型的對數伽瑪都可以用于HDR拍攝、制作和顯示。

HLG可變伽瑪的作用是什么？

在傳統電視的相對亮度體系中，母版亮度電平與顯示亮度是全部映射關系，不同亮度顯示設備的伽瑪值相同，當顯示設備亮度改變時暗部、中部和亮部同比變化，由于不同顯示設備的最高亮度不同制作端無法控制顯示端的亮度。HLG也是相對亮度體系，與現有電視系統的區別是引入了可變伽瑪。

HLG的系統伽瑪不是固定值，而是依據顯示屏的亮度可變，其計算公式為：

γ = 1.2 + 0.42 Log10 （L /1000）

式中，L為顯示屏最高亮度。

根據公式計算，顯示屏亮度為333尼特-5200尼特時對應的系統伽瑪值為1.0-1.5，顯示屏亮度1000尼特時系統伽瑪值1.2，600尼特1.11，2000尼特1.33，4000尼特1.45。

HLG對不同亮度顯示屏設置不同的系統伽瑪值，電視機亮度與制作監視器不同時可變伽瑪自動調整電視機100尼特以下的亮度，使不同亮度電視機顯示的膚色亮度基本相同。

HLG的可變伽瑪無需元數據，自動適應，雖然沒有絕對亮度體系那么精確，但簡單有效。如果不用可變伽瑪，HLG就像現有的SDR電視一樣，電視機亮度不同時膚色亮度也不同。