4K超高清節目制作中的問題與解決方法

梁愛華，黃凱樂

（廣東廣播電視臺，廣東 廣州 510088）

0 引 言

自2018年10月16日4K頻道正式開播以來，廣東廣播電視臺充分利用廣東4K電視的先發優勢，抓住廣東省政府積極籌辦4K頻道的戰略機遇，進行了大量4K超高清節目的制作實踐。筆者所在的電視制作事業部陸續參與了《通海夷道——絲路上的嶺南文化》《秘境神草》第二季及《老廣的味道》第四季等原創紀錄片的拍攝制作工作。在實際4K超高清節目制作過程中，遇到的問題較多。有些問題需要結合技術指標要求和節目制作流程進行充分思考，才能制作出高質量的圖像畫面。因此，本文將結合筆者的一線工作經歷，探討常見的問題及對應的解決方案。

1 前期拍攝技術要求探索

目前，廣東廣播電視臺的紀錄片和宣傳片大量采用4K技術拍攝。4K畫面圖像清晰度更高，亮度色彩表現更豐富，下變換為高清畫面比直接用高清技術拍攝的質量更高。拍攝前，要按照指標參數對攝像機的記錄格式和編碼等技術參數進行基本設置，以確保拍攝的畫面符合4K超高清技術指標要求。同時，要結合不同廠家攝像機的實際特性和具體拍攝環境要求，對伽馬曲線、壓縮方式及音頻處理方式等技術參數進行設置，以確保拍攝畫面的高質量要求。隨著4K超高清電視技術的不斷發展，目前攝像機生產廠家在高動態范圍格式等技術參數上依然保留有各自的特點，給后期制作設備的技術參數識別匹配帶來了一定的困難［1］。因此，前期拍攝人員有必要記錄技術參數，以確保節目后期制作的準確性。

1.1 選擇高動態范圍曲線的方法

高動態范圍曲線也叫伽馬曲線。4K超高清技術在亮度和對比度范圍方面的提升，使得技術人員有更好的手段保留畫面中的高光和陰影中的層次和細節。目前，不同廠商的攝像機都有自己定義的伽馬曲線，如何理解并正確選擇攝像機伽馬曲線，是外拍時需要認真對待的問題。

廣東廣播電視臺4K超高清電視播出采用HLG標準，因此在后期制作中輸出應選擇HLG曲線。但是，一些早期攝像機卻沒有配置HLG曲線。為了盡量減少后期曲線轉換對畫面效果的影響，攝像師必須了解不同型號攝像機內置多種廠家轉換曲線的特性，盡量選擇與HLG動態范圍接近的轉換曲線，如Panasonic攝像機的V-Log曲線、Arri攝像機的LogC曲線以及Sony攝像機的S-Log2曲線等。

在實際制作中，伽馬曲線的選擇不應被固化。攝像師應該結合場景和創作意圖合理選擇伽馬曲線，以創造更好的畫面效果。以Sony攝像機的Slog伽馬曲線為例，常用的有Slog2和Slog3曲線。Slog2比Slog3在暗部壓得更低，人眼看畫面覺得Slog2的暗部噪點更低，但是暗部的層次較少［2］。在18%灰度時，Slog2的亮度比Slog3低，從陰影到膚色的層次過渡更明快。高光部分寬容度方面，Slog3比Slog2要大1.5檔，更適合表現高光的細節。因此，在實際拍攝過程中，如果拍攝主體以中灰為主，在動態范圍不大的環境下，采用Slog2曲線拍攝可以有效降低噪點，也可呈現應有的層次；在高反差拍攝條件如海邊、沙漠及雪地等既有高亮又有陰影暗部環境下拍攝時，可采用高動態的Slog3曲線，因為畫面主體以高亮為主，在反映暗部層次的同時，可以更多呈現出亮部的層次細節。另外，超高清拍攝比高清拍攝對光亮度的要求更高，因此在主題環境為暗部的環境下拍攝時，兩種曲線都會產生噪點，只能通過補光手段降低畫面噪點。此時，用Slog2效果更好。

1.2 4K高幀率畫面的解決方法

高幀率拍攝已經成為電視制作的常用手法，但由于目前各廠商生產的4K攝像機幀率普遍較低，除了訊道攝像機已經有高于50幀幀率的機器外，新聞采訪外拍（Electronic News Gathering，ENG）攝像機的最大幀率只有60P，因此目前4K高幀率畫面的拍攝手段很少。經過實踐，可行的解決辦法是使用6K和8K攝像機進行4K超高清錄制。雖然攝像機在6K和8K狀態下最大幀率都只有60P，但設置為4K超高清錄制狀態后，可以大幅提高拍攝幀率，甚至可以達到240 f/s，可拍攝到接近5倍速的畫面。

在實踐中,有攝像師嘗試把攝像機設置為25P、幀率設為50P進行拍攝，希望達到2倍速的拍攝效果。但是，由于實際幀率沒變，實際效果與用50P正常拍攝、后期把播放速度減半的效果差別不大，但對前期拍攝存在一定的影響，如攝像機同步收錄聲音等，因此不建議使用這種方法。

2 4K后期制作性能提升探索

2.1 加強軟件及系統處理能力

4K素材基帶碼率較高，會影響后期制作環節的實時性能。廣東廣播電視臺通過與非編廠家共同試驗，提升了4K圖像處理效率，實現了4K源碼多軌實時剪輯，使4K HDR電視節目的快速制作成為可能。在節目生產過程中，主要針對3個問題進行技術優化和創新。

2.1.1 計算機資源優化

后期制作系統普遍采用CPU+GPU的高效渲染架構。其中，CPU主要負責邏輯運算，GPU主要負責圖像處理。后期制作系統用于4K節目后期制作，意味著要處理高清視頻幾十倍的數據量，且色彩上也涉及到更復雜的轉換和處理，因此需要調整系統內部處理邏輯，優化計算資源，以提升制作的實時性能［3］。

2.1.2 半幅編輯技術

經過測試，在存儲設備能夠提供足夠帶寬的情況下，影響4K編輯效率的主要瓶頸在于CPU與GPU的上下行帶寬，因此提出可通過減少CPU與GPU上下行的數據量來提高4K編輯效率。具體地，在CPU處理圖像后將畫面的垂直分辨率減半，即分辨率由原始的3 840×2 160變為3 840×1 080，減少圖像的數據量。之后將3 840×1 080的圖像傳輸給GPU，由GPU做垂直分辨率上的拷貝，還原成3 840×2 160的圖像。以XAVC-Intra class300為例，通過此方法編輯實時性能至少提高50%，可進一步縮小4K后期制作與高清后期制作效率上的差距。盡管這樣處理會在一定程度上降低輸出監看畫面的清晰程度，但是畫面質量仍然明顯優于4K的代理碼率。在監看方面能夠承受的范圍內，用少許畫質的降低可換取4K編輯效率的提升。

2.1.3 色彩空間自動管理

要使來源不同的4K超高清素材在制作系統內還原“本來面目”，需要系統能夠準確還原素材在拍攝時的顏色。早期最常用來進行統一色彩轉換的方式是顏色查找表（Look Up Table，LUT），一種通過修改色相、飽和度及亮度值，精確將源圖像的RGB值變為另一組新的RGB值的方法。LUT通過矩陣映射的方式控制素材的色域/伽馬，從矩陣A映射到矩陣B，完成從色彩信息A到色彩信息B的轉換［4］。

通過LUT表進行色彩空間和伽馬轉換需要一一對應，會引發兩個問題：一是當素材來源復雜時，需要套用多種包含專業參數的LUT，而后期編輯人員對這些信息了解不深入；二是每一種素材都需要套用一個對應的LUT，操作過程復雜煩瑣，容易出錯。因此，實現色彩空間的自動化識別和管理，成為實現4K HDR電視快速制作的重點環節。

4K素材的色彩管理主要包括對色域進行管理（源色彩空間轉換到目標色彩空間）和對伽馬進行管理（源伽馬曲線轉換到目標伽馬曲線）兩種處理過程?；谶@兩種處理過程，制作系統會通過以下3個步驟對素材A進行色彩管理。

（1）LogA→Linear。將素材A的伽馬去掉，使之變為線性素材。部分素材本身就是線性素材，Gamma信息為空，如RAW格式素材，在轉換時不需要去伽馬，可直接進行色彩空間轉換。

（2）Color space A→Color space B。將線性素材的源色域轉為目標色域。

（3）Linear→LogB。為線性素材添加目標伽馬，得到目標素材B。

只要將每一種轉換的處理過程編制在非編軟件內，即可完成色彩空間的自動轉換。后期編輯人員在進行制作時無需考慮素材的“源色域/伽馬”，也無需多次套用LUT文件，只需將素材拖拽至正在編輯的時間線上，相應的軟件就能自動完成轉換。這樣既降低了后期編輯人員的學習成本，又提高了制作的生產效率，解決了4K超高清規?；a的一大難題。

2.2 優化軟件上下變換

隨著4K電視頻道的開播，出現了4K超高清和高清兩版節目同步制作和播出的情況。色彩管理過程會涉及高清素材上變換到4K節目使用和4K節目下變換輸出高清視頻內容。上變換要求輸出的4K視頻效果與變換前的高清素材效果保持一致；下變換要求輸出的高清視頻盡量還原變換前的4K視頻效果。以此為目標，優化4K/高清上下變換工藝。

2.2.1 高清上變換4K

測試發現，如果高清素材不進行上變換而直接在4K設備上播放使用，會出現整體畫面過暗的問題。對此，ITU組織頒發的BT.2390標準定義了上變換的轉換算法，如圖 1所示［5］。

圖1 BT.2390標準定義的上變換算法

將高清素材的BT.709色域統一轉換為BT.2020色域后再進行亮度映射。由于SDR向HDR轉換時要以SDR畫面的白色為基準，因此若要保持轉換前后基準白的顏色相同，要求映射后的HDR畫面最高亮度不應超過203 nits。具體來說，應提升圖像高亮部分，加載與之相對應的LUT進行上變換，使其觀感更好。電平映射關系如表1所示。這個工藝流程解決了規?；a中高清素材快速上變換的問題。

表1 SDR非圖文信號上變換電平映射關系

2.2.2 4K下變換高清

針對4K節目下變換至高清，ITU BT.2390標準也給出了相關的思路。在進行下變換時，色域根據對應的標準一對一進行映射，但需要更多考慮動態曲線的轉換，即伽馬的轉換。對不同的下變換方式進行測試發現：整體壓縮的方法會導致圖像整體過暗；裁切高亮部分的方法會導致圖像過曝；設立亮度拐點，適當壓縮亮度超過拐點的部分，完好保留亮度低于拐點的部分，能夠最大程度保留HDR的畫面，如圖2所示。

因此，目前廣東廣播電視臺4K下變換都采用設置亮度拐點的方式進行處理，而拐點的設置也從設置一個拐點不斷完善為設置多個拐點，同時給編導開放了根據不同場景進行自主調整的權限。隨著技術的持續優化，廣東廣播電視臺已經可以通過圖像自動識別來調整亮度拐點，從而進一步提高4K下變換的質量。

圖2 原4K畫面與下變換畫面對比

靜態下變換可通過設置增益差或加載LUT實現。使用索尼攝像機和下變換器時，當75%HLG電平映射到100%HD SDR電平（拐點打開）時，下變換設備的增益設置如表2所示。適當加大增益差，將75%HLG電平映射到90%HD SDR電平，可以使HD SDR圖像保留更多的高動態信息。

表2 SONY HDRC-4000靜態下變換增益設置

使用GV攝像機和下變換器時，為使GV攝像機的SDR輸出信號和經過下變換的HD PGM輸出信號盡量接近，GV攝像機可參考表3的參數進行設置調整，下變換設備可參照表4的典型電平映射關系進行設置，或進行一定的調整以獲得更好的觀感，也可加載相應的LUT進行下變換。

3 云化節目生產探索

4K節目的云化制作是技術發展的目標。在4K頻道建設初期，4K非編系統軟件的功能和硬件處理能力都達不到4K后期制作的要求，只能采用純單機模式。這種模式制作起步快，配置相對靈活，但工作協同性弱，資源調配不夠靈活。廣東廣播電視臺從2018年開始搭建基于云桌面的4K制作系統，能配合頻道的流水線協同制作。4K網絡化節目生產的基礎是高帶寬和低延時。廣東廣播電視臺經過近兩年的技術發展與反復測試，確定IP化分布式存儲設備能夠支撐穩定的高帶寬，最終在成本可控的前提下，實現了4K超高清節目的源碼流在線實時制作。在傳統的高清元數據上增加有關于色域、HDR及音頻等各個方面的信息，構成了一個完整的4K HDR網絡化制作系統。就目前業內領先的非編系統來看，該系統在實時性能方面基本能夠達到5層以上的4K 50P XAVC-Intra Class 300素材的實時編輯。在此性能基礎上配合自動化色彩管理和寬色域高動態技術監測工具，在保證4K HDR色彩正確轉換的同時，能保證4K超高清節目的生產效率，順利應對目前包括專題片、綜藝片、體育及新聞等各類節目的制作。

表3 GV攝像機主要參數設置

表4 推薦的靜態下變換電平映射關系

4 結 語

經過3年多的快速推進，廣東廣播電視臺已經構建起4K電視節目制作播出的基本鏈條，實現了4K電視節目的“采編播發管存”工藝生產全流程，具備支撐一個直播頻道在IPTV和有線電視網絡同步播出的技術能力。目前，4K產業鏈還處于起步階段，其發展環境、產業支撐條件、節目業態以及相關技術標準等都還有待完善。高質高效地生產4K節目、實現4K/高清協同制作，將是4K技術發展的方向。