影視制作專業(yè)問答7

王亞明

HLG制作時如何處理超過100%電平的超白信號？

電視從模擬過渡到數(shù)字后在很長時間內(nèi)兩種信號形態(tài)是并存的，在制作和傳輸、播出的鏈路中模擬信號很容易產(chǎn)生幅度變化和波形失真，而數(shù)字信號則不受影響。為了防止模擬與數(shù)字信號互轉(zhuǎn)時產(chǎn)生損失，電視行業(yè)采用了有限域（Limited range，或稱為窄域Narrow range），為用數(shù)字信息表達(dá)模擬電視信號電平保留了適當(dāng)?shù)挠嗔俊Ｓ邢抻驗(yàn)椤氨群谶€黑”的低電平亞黑預(yù)留了7%，為“比白還白”的高電平超白預(yù)留了9%，總的電平范圍是-7%至109%。

模擬電視信號的峰-峰值為1V，其中同步占0.3V，視頻0.7V（700mV）。為了從全電視信號中正確分離出同步信號，必須把視頻信號保持在黑電平（0mV，0%）以上；為防止電視發(fā)射機(jī)過載，視頻信號電平必須被嚴(yán)格限制在峰值白（700mV，100%）以下，低于0電平的亞黑和高于700mV（100%）的超白都是禁止使用的，視頻信號對量化資源的利用率為86%。

由于高清電視只用數(shù)字信號播出，隨著模擬標(biāo)清電視廣播逐步關(guān)停，完全數(shù)字化的高清電視制作和播出不再禁止使用亞黑與超白區(qū)域的電平資源。例如，標(biāo)清攝像機(jī)默認(rèn)的拐點(diǎn)處理范圍大約為90-100%，高清攝像機(jī)則提高到了98-109%。

HLG與高清SDR一樣，信號電平采用窄域（Narrow r a n g e）表示法，不禁止使用亞黑與超白電平。I T U的BT.2390報告明確說明，建議HLG制作時使用100%電平以上的超白區(qū)域，以提高HLG的動態(tài)范圍。因此，在HLG拍攝、制作和播出流程中，攝像機(jī)、制作和播出設(shè)備應(yīng)關(guān)閉HDR WHITE CLIP（HDR白削波），攝像機(jī)與轉(zhuǎn)換器的SDR輸出設(shè)置也應(yīng)關(guān)閉WHITE CLIP，以充分利用信號電平資源。

即使在之后的鏈路中某些設(shè)備因某種原因暫時未支持亞黑與超白區(qū)域的信號傳輸或顯示，攝像機(jī)使用超白電平資源也不會對圖像質(zhì)量或系統(tǒng)運(yùn)行帶來負(fù)面影響。如果鏈路中全部設(shè)備都支持亞黑與超白電平的傳輸和處理，HLG的動態(tài)范圍可以在不增加成本的情況下提高近1倍。

HDR攝像機(jī)還有拐點(diǎn)處理嗎？

與標(biāo)清和高清SDR攝像機(jī)一樣，為了保留超過HDR動態(tài)范圍的高亮度信息，HDR攝像機(jī)仍然有拐點(diǎn)處理。不過，由于PQ的動態(tài)范圍遠(yuǎn)大于攝像機(jī)動態(tài)范圍，實(shí)際上HDR攝像機(jī)的拐點(diǎn)只對HLG有意義，建議HLG拍攝時打開HDR拐點(diǎn)（HDR KNEE）。

為什么用BT.2100公式計算的PQ和HLG參考OETF與BT.2408和BT.2390的推薦值不同？

根據(jù)該公式以及HLG參考OETF公式的說明可以計算出，100%動態(tài)范圍（100尼特）時HLG的電平E為50%，200%為66%，320%為75%，……700%為90%，1200%為100%。

根據(jù)PQ和HLG的參考OETF公式，可以得出兩者的OETF曲線。

從PQ的參考OETF公式和曲線可以看到，100%動態(tài)范圍對應(yīng)的電平為51%，51%以下的電平資源用于SDR內(nèi)容，51%以上的電平資源用于100-10000%高動態(tài)范圍的HDR內(nèi)容。

從HLG的參考OETF公式和曲線可以看到，以100%動態(tài)范圍對應(yīng)的50%電平為分割點(diǎn)，HLG的OETF是由兩個部分組成的。用于SDR內(nèi)容的50%以下電平部分采用與傳統(tǒng)電視攝像機(jī)伽瑪相似的平方根函數(shù)，兩者的區(qū)別是BT.709伽瑪值為1/2.2≈0.45，HLG 50%以下電平的伽瑪值為1/2=0.5；100-1200%高動態(tài)范圍對應(yīng)的50%以上電平采用了自然對數(shù)函數(shù)。

從BT.2100-2的公式和OETF曲線可以看到，PQ與HLG都把電平資源的一半用于SDR內(nèi)容，與100%動態(tài)范圍對應(yīng)的電平分別為51% PQ和50% HLG。

不過，從2017年10月開始，BT.2408、BT.2390-3報告推薦的PQ與HLG OETF電平值與BT.2100公式的計算值是有差別的。在BT.2408的表1中，100%動態(tài)范圍對應(yīng)的PQ與HLG電平不是BT.2100公式計算的51% PQ和50% HLG，而是58% PQ和75% HLG。如果結(jié)合EOTF來看，100%動態(tài)范圍對應(yīng)的顯示亮度也不是BT.2100公式計算的100尼特，而是203尼特。

以BT.2408的表1為基準(zhǔn)，雖然BT.2100的公式?jīng)]變，但對PQ和HLG的OETF使用方法變了。

對比BT.2100的理論值，BT.2408的推薦值對PQ的OETF動態(tài)范圍壓縮了2倍，原來對應(yīng)200%動態(tài)范圍的58%電平在BT.2408的表1中代表100%動態(tài)范圍；BT.2408推薦值對HLG的OETF動態(tài)范圍壓縮了3.2倍，原來對應(yīng)320%動態(tài)范圍的75%電平在BT.2408的表1中代表100%動態(tài)范圍。

由于PQ的100%動態(tài)范圍對應(yīng)電平從理論值的51%提高到了原200%動態(tài)范圍對應(yīng)的58%，PQ的動態(tài)范圍也從理論值10000%/100%=100倍降低到了10000%/200%=50倍（5000%），是理論值的1/2；HLG的100%動態(tài)范圍對應(yīng)電平從理論值的50%提高到了原320%動態(tài)范圍對應(yīng)的75%，HLG的動態(tài)范圍則從理論值1200%/100%=12倍降低到了1200%/320%=3.75倍（375%），是理論值的1/3.2，這就是專業(yè)答疑系列連載5里曾經(jīng)介紹過的HLG50與HLG75的由來。如果使用超白電平資源，HLG的動態(tài)范圍可以擴(kuò)展到620%。

很明顯，BT.2408和BT.2390報告從實(shí)用的操作層面對PQ和HLG的OETF使用方法進(jìn)行了調(diào)整。個人認(rèn)為，調(diào)整的原因有三個。

首先，增加了SDR內(nèi)容的電平資源。在BT.2100的HDR OETF理論值中，SDR與HDR內(nèi)容平分了電平（量化）資源，只有一半電平用于100%動態(tài)范圍以下的SDR內(nèi)容。10比特量化時可用的灰階數(shù)量為1024個，采用窄域表示法的HLG只有876個灰階可用，HDR內(nèi)容占用一半后SDR可用的灰階數(shù)量只有438個。在HDR信號中，主要信息都集中在SDR內(nèi)容里， BT.2408的推薦值增加了SDR內(nèi)容的電平（量化）資源，特別是HLG調(diào)整后SDR內(nèi)容的量化資源比理論值增加了25%，雖然降低了動態(tài)范圍，但從整體看有助于改善HDR圖像的綜合質(zhì)量。

其次，提高了SDR上轉(zhuǎn)換內(nèi)容的亮度。制作HDR節(jié)目時可能會使用一些SDR素材，采用場景參考映射把SDR上轉(zhuǎn)換成HDR時，依據(jù)BT.2100的OETF理論值SDR峰值白映射到HDR信號的50%電平，在1000尼特HDR監(jiān)視器和電視機(jī)上SDR峰值白顯示100尼特亮度。實(shí)際上新型LCD高清電視機(jī)的顯示亮度比專業(yè)監(jiān)視器高得多，其峰值亮度大多在200尼特以上，而上轉(zhuǎn)換的SDR峰值白在HDR電視機(jī)上顯示亮度只有100尼特，比現(xiàn)有的高清電視機(jī)暗。采用BT.2408的OETF推薦值后上轉(zhuǎn)換的SDR峰值白達(dá)到了203尼特，與新型的高清電視機(jī)相當(dāng)。

第三，建立了1000尼特峰值亮度的PQ與HLG轉(zhuǎn)換橋接點(diǎn)。PQ采用絕對亮度體系，顯示亮度只與信號電平有關(guān)，與顯示設(shè)備峰值亮度無關(guān)，顯示設(shè)備峰值亮度不同時，峰值亮度以下的圖像內(nèi)容不受影響。HLG采用與高清一樣的相對亮度體系，顯示亮度不但與信號電平有關(guān)，還與顯示設(shè)備的峰值亮度有關(guān)，顯示設(shè)備峰值亮度不同時，顯示圖像的不同亮度層次都會受到影響。以BT.2408表1為例，監(jiān)視器峰值亮度不同時，PQ監(jiān)視器顯示的不同灰度卡亮度沒有變化，而HLG監(jiān)視器顯示的不同灰度卡亮度就會與表1不同。采用BT.2408的OETF推薦值后，在峰值亮度1000尼特HDR監(jiān)視器上PQ與HLG顯示的不同灰度卡亮度完全相同，為1000尼特PQ與HLG圖像的互轉(zhuǎn)建立了橋接點(diǎn)（Bridge point），有助于控制HDR轉(zhuǎn)換的圖像質(zhì)量。

綜上所述，與BT.2100參考OETF理論值相比，雖然BT.2408的OETF推薦值降低了HDR的動態(tài)范圍，但帶來的好處更多，它規(guī)范了HDR制作電平，提高了HDR圖像的綜合質(zhì)量，實(shí)用性更強(qiáng)。B&P

（未完待續(xù)）