淺析4K HDR技術的實現方法
——以廣東衛視2019春晚為例

( 廣東廣播電視臺，廣東 廣州 510000)

0 引言

廣東衛視2019年春節聯歡晚會是廣東電視臺春晚歷史上第一次采用4K HDR技術進行大型現場制作，并且需要同時完成HD SDR(衛視高清頻道播出)和4K HDR(廣東4K綜藝頻道)兩版節目的同場錄制?？紤]到春晚對于電視臺和廣大人民群眾的重要意義，從錄制到播出的時間非常有限，還要兼顧4K和高清兩版不同標準節目的制作。為了盡可能提升現場錄制的品質，降低后期的制作壓力，對于本次制作進行了非常充分的準備。本次廣東衛視春晚共搭建了2個舞臺，主舞臺位于廣東臺1 600 m2大型演播廳，是春晚主要文藝節目的錄制現場；副舞臺為演播廳外廣場搭建的外景區，穿插了民俗表演、展示等豐富的內容，與主舞臺節目交替進行。

1 機位設計(主舞臺)

2個舞臺分別搭建了一套4K HDR現場錄制系統，其中主舞臺采用了合作伙伴4K花園“五月花號”大型轉播車，共架設了14個訊道，其中包括搖臂、伸縮炮、天眼、斯坦尼康、電控軌道、飛貓等多個特種攝像機位，極大豐富了鏡頭視角和舞臺整體及內容的表現力。

所有14個訊道攝像機，除了斯坦尼康和天眼由于設備原因采用了高清信號傳輸通過轉播車上轉4K HDR的方式(天眼機身為4K攝像機PXW-FS5)之外，其余全部采用索尼HDC-4300 4K攝像機，鏡頭采用佳能4K廣播級鏡頭，焦段覆蓋了從90倍箱式鏡頭、45倍長焦鏡頭、20倍標頭和14倍廣角鏡頭各個焦段，如圖1所示。

2 4K HDR現場制作

12路4K攝像機信號和兩路高清信號到達“五月花號”轉播車號，4K攝像機直接通過攝像機基站HDCU-4300，同時輸出4K HDR和HD SDR標準信號，HD SDR信號根據后期高清的制作要求，所有機位都進行了單掛錄制；4K HDR信號進入IP交換機(“五月花號”為4K IP系統架構)，指派給IP 4K切換臺XVS-7000進行節目制作。兩路高清信號(微波斯坦尼康和飛貓)則通過轉播車上的HDRC-4000 HDR轉換器，上轉為HDR和寬色域4K信號，同樣送入切換臺，與其他4K信號進行混合切換。所有切換臺的信號源，全部按照HLG 2100的HDR曲線和BT2100寬色域標準進行制作。導播李霆老師可以通過導演監視墻上的4K HDR 55寸監視器PVM-X550直接監看到最終HDR現場效果，并且也可以兼顧到高清信號的制作。

圖1 天眼機位4K攝像機架設

這樣出色的燈光和舞美搭配，通過4K HDR技術進行展現，可以獲得非常驚艷的視覺感受。按照廣東4K頻道的播出規范，HDR采用HLG 2100曲線標準進行制作，HLG作為當前最容易兼顧4K HDR和4K SDR的HDR標準，既可以很好展現過去SDR標準動態范圍難以覆蓋的高亮度區域(如絢麗的燈光色彩)，同時也能夠延展暗部區域的細節層次，即使在普通4K SDR電視上觀看，也同樣能夠得到比較理想的效果，這個特性也極大幫助了4K頻道在廣東地區的廣泛普及；BT2020作為寬色域標準，特別是針對綜藝舞臺豐富絢麗的燈光色彩設計，能夠最真實還原過去窄色域無法重現的高飽和高亮度顏色(如藍色、紫色的LED燈)，使得舞美、燈光效果能夠獲得最好的呈現。

在轉播車上的視頻技術調整區，采用了SR LIVE的制作技術，SR(Scene Refered)基于場景效果準確還原的邏輯進行制作，同時需要兼顧HDR和SDR不同的亮度范圍屬性。并且，考慮到本次制作必須要兼顧好高清SDR的效果，以及由于后期高清制作需要將高清單掛攝像機信號和高清PGM信號進行混剪，而高清SDR PGM信號是由HDR 4K PGM信號進行下轉得到的，那么就必須保證轉換后的信號和攝像機高清單掛信號的一致性，如圖2所示。

圖2 4K轉播車技術區的畫面控制

3 HDR制作與SDR如何兼顧

如果說高清和4K是分辨率的變化是呈現屏幕大小的區別，那么，你可以簡單地認為HDR與SDR是質的區別。這是由于從拍攝記錄畫面信息的能力到最后顯示效果的能力，都表現出本質區別。

攝像機可以認為是承載光的容器，屏幕則是還原光的載體。在最早的時候，攝像機和屏幕都遠遠弱于人眼捕捉光線的能力，攝像機僅僅是略比屏幕稍好一點(都相當于SDR水平)，這就導致攝影師不得不控制好現場的光比(亮度反差)，避免出現高光呲掉(亮度溢出)的情況；后來，攝像機的能力接近了人眼所能捕捉到的范圍，但屏幕依舊沒有提高，這樣攝影師可以相對保留更多的明暗層次(特別是高光細節)，同時后期需要調色師精心控制，將前期捕捉到的信息進行精確處理和篩選，使得屏幕可以展現的效果比過去更好一點(攝像機HDR了，屏幕還是SDR水平)。直到今天，攝像機和屏幕都實現了HDR的能力，屏幕以100，000:1到1，000，000:1的高對比度顯示能力，能夠真實不妥協的展現極大對比度的環境下所有的明暗層次，這樣拍攝和制作就可以更少地妥協。可以說這是一次真正有益的視覺體驗革命。

由于二者無論在拍攝端還是呈現端，所使用的亮度伽馬曲線完全不同，而顯示端屏幕的峰值亮度、平均亮度、對比度指標也不一樣。在幾年前我們最初開始制作HDR節目時，就發現如果一臺攝像機輸出的4K HDR畫面直接轉換為SDR畫面(LUT轉換)，亮度會出現問題：如果HDR的畫面看起來舒適，SDR轉換出的畫面高光區域很容易曝光過度；而如果SDR的畫面正常，則HDR畫面看起來會偏暗淡。這個問題也是最初困擾HDR制作的一個關鍵點，假如我們以HDR作為標準，但是攝像師看到的取景器卻是HDR轉換為SDR的畫面，很容易出現主體曝光過度的情況，導致正常拍攝取景都非常困難。

SR LIVE的理念推出，就是希望從根本上解決這個問題。通過在攝像機端合理地設置HDR和SDR對照關系參數，使得在控制一端(如HDR)時；另一端(SDR)可以匹配出合適的效果，使得HDR與SDR畫面能夠兼顧調整。在這其中，主要需要定義的參數是HDR GAIN(HDR增益差)和HDR BLACK OFFSET(HDR黑偏移量)(菜單項位于攝像機控制面板RCP-1500的PAINT菜單HDR OPERATION相關設置頁面)，如圖3所示。

圖3 HDR GAIN的處理方式

首先，通過主觀對比HDR和SDR兩個同一臺4K攝像機輸出的畫面，設置HDR GAIN，控制范圍是0～15 dB，每6 dB代表一檔光圈亮度的變化。由于不同環境下的光比不同，可能主觀設置的參數會有差異，一般個人經驗是在-6～-9 dB，代表HDR畫面的亮度比SDR畫面高1擋光圈到1.5擋光圈亮度。在廣東衛視春晚，我們根據現場測試，決定使用-9 dB增益值。攝像機是按照HDR效果舒適的光圈值進行控制，而高清畫面由于是采用減增益的控制方式，高清畫面的有效進光量更多，噪點會更小(信噪比增加)。當然這個設計的副作用，是使得攝像機的光圈需要比過去高清拍攝開得更大，這就對于現場環境的照度提出更高要求，否則開大光圈也容易導致攝像師聚焦的難度增加(景深變淺)。HDR BLACK OFFSET(HDR黑偏移)是基于HDR的曝光增加，HDR暗部底電平(黑電平)可能比SDR的底電平抬高，為了保證HDR的畫面對比度，可以適當降低數值，使得HDR的底電平與SDR保持一致。這個參數并沒有建議數值，需要參考每一個畫面的不同情況。不過由于本次錄制需要考慮HDR PGM下變換和高清畫面的一致性問題，所以這個參數并沒有做額外設置(由于HDR BLACK OFFSET只是針對HDR畫面的對比度調整，不影響SDR輸出，擔心如果動了BLACK OFFSET的HDR轉換后得到的SDR畫面，和高清單掛畫面可能有區別)。

一定需要注意的是在HDRC-4000的轉換菜單中，必須保證和每臺攝像機的HDR GAIN完全相同。也就是說，HDR PGM(相當于每臺攝像機的HDR畫面輸出)，通過HDRC-4000里設置的HDR GAIN，所得到的下變換HD SDR PGM，與同樣是攝像機單機自己的HD SDR畫面(同樣通過基于本機HDR GAIN設置的4K HDR畫面轉換得到)，用相同的HDR GAIN數值就能保證畫面的一致性(為了確保單掛高清畫面和通過4K HDR轉換得到的HD SDR PGM一致，所有4K攝像機的HDR GAIN也必須設置成同一個數值)。

另外，HDRC-4000中的AIR MATCHING功能，也可以輔助更好的將4K HDR的BT2020寬色域特性，更加逼真的映射到ITU-709 SDR色域標準中去。我們在轉播車上仔細對比了通過HDRC-4000轉換得到的SDR信號，和攝像機本機的HD SDR信號，通過精細控制基本上做到了相同。 還需要注意在HDRC-4000轉換器中，需要相應打開每個通道的輸出延時OUTPUT DELAY，才能保證轉換后的HD SDR PGM畫面，和單掛的單機畫面的相位相一致，避免后期出現錯幀的情況。

4 4K HDR版本后期制作特點

由于本次的錄制時間與播出時間銜接非常緊，后期基本不可能有時間進行精細化的如復雜調色等處理(渲染輸出的時間有限)，所以對于前期制作提出了很高的要求，首先導播需要盡可能保證切換的精確性(接近于直播的要求)，減少后期剪輯的壓力；技術團隊也需要控制好現場攝像機的光比、色彩、影調等，減少后期替換調整失誤鏡頭；后期則在精剪、上包裝唱詞的基礎上，盡可能避免復雜處理(大量畫面校正等)。由于目前4K節目現場錄制，基本還是采用10 bit 4:2:2的量化取樣方式，而現在的4K HDR播出已經從高清過去的8 bit 4:2:0升級為10 bit 4:2:0。這樣對于后期的素材調整空間來說，會有一定的影響，需要處理的更加精細和小心。特別是針對目前現場制作，無論是前期采用S-LOG3還是HLG的OETF曲線，都能夠覆蓋遠遠超越過去SDR的動態范圍，這對于白天的外景大光比環境是很大的優勢，但是對于晚會一類的現場布光包括觀眾審美習慣，確實帶來很大的變化。由于綜藝現場布光一直以來是要照顧電視錄制的需要，所以基本光比都控制在6～8檔光圈的動態范圍，也就是完美覆蓋SDR的范圍，如果轉換到HDR而提高了光比，在影調、反差等方面，會與過去有很大區別。比如，過去一直以來由于照相機動態范圍窄，我們習慣了拍攝日落日出，因為反差不會像中午頂光時候那么大，相機可以收納所有的亮部層次信息，同時我們也喜歡早晚時分的光影；而現在照相機性能提升了，拍中午高反差的光比也不會出現曝光過度，可是那樣強烈的光影感受，是否適合用來塑造很多情境呢？這又是藝術表現方面的問題，也不是一朝一夕說變就變的。

如果布光方式不會根本改變(加大反差)，就會出現一種情況，HDR相當于一個巨大的容器，本可以承載非常多的亮部信息(14檔光圈以上)，但實際現場卻只有很少的有效信息，這就導致在通過10bit進行量化的時候，有很多灰階并沒有發揮作用(因為量化曲線是不能根據現場光比變化而動態調整的)，也就是原先SDR情況下，可能信息量分配很充分的亮度層次，在HDR錄制時由于量化曲線灰階分布原因，相比SDR曲線，HDR曲線的中灰和暗部層次受到擠壓，記錄下的信息減少。而到了后期，在處理這樣的HDR信號時，如果希望將現有的信息充滿到所有有效的亮度空間范圍(將HDR容器填滿，提高整體反差)，就會放大一些亮度的增益值，這樣就容易產生新的噪點。所以針對像一些需要通過HDR曲線進行錄制、經過后期調色得到理想效果的HDR鏡頭，往往需要通過調色軟件進行降噪處理。

5 結語

本次廣東衛視春晚能夠高效完成4K HDR和高清SDR版的制作，得到各方團隊緊密配合。在錄制過程中，蔡伏青臺長和4K綜藝頻道總監周繁主任都上轉播車現場指導，確保了每個環節能夠順暢進行。合作伙伴4K花園在前期、后期均派出技術團隊和相關負責人現場支持了整個制作過程。通過本次制作，廣東電視臺在4K制作技術方面有了新的突破，也積累了更為豐富的經驗。相信在未來，廣東4K綜藝頻道將會有更多豐富精彩的大型現場節目通過高品質的4K HDR方式呈獻給大家。