4K超高清HDR和高清SDR分析

楊開紅

（重慶廣播電視集團，重慶 401147）

0 引 言

隨著4K、8K超高清高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）技術在賽事制作和轉播領域的全面應用，超高清HDR視頻已經進入快速發展階段。與傳統的高清標準動態范圍（Standard Dynamic Range，SDR）相比，4K HDR大幅度提高了電視系統的亮度、對比度以及彩色還原能力，提供了高清晰的畫質、豐富的圖像層次以及自然逼真的色彩，使其接近了人眼的可視范圍。但是目前大多數觀眾在家觀看的仍然是高清SDR節目，因此需要將4K超高清HDR節目下轉換成SDR節目在高清頻道播出，同時以前大量的SDR節目也需要在4K HDR頻道播出。對此，本文探討了HDR和SDR的技術特點和它們之間的轉換。

1 SDR和HDR的區別

SDR（Standard Dynamic Range）為標準動態范圍，它能顯示的亮度范圍為1 000∶1；HDR（High Dynamic Range）為高動態范圍，它能顯示的亮度范圍為100 000∶1，能使電視畫面呈現更多、更豐富的圖像層次。

目前高動態范圍（HDR）電視采用感知量化（PQ）和混合對數（HLG）兩種伽瑪[1]。PQ的特性完全模擬了人眼靈敏度,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,最高峰值亮度為10 000尼特，最大動態范圍10 000%；HLG的OETF曲線50%以下電平部分與現有SDR攝像機伽瑪幾乎一樣，50%以上為對數伽瑪，是兩種伽瑪的混合。HLG采用與傳統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,HLG的最大動態范圍1 200%[2]。SDR與HDR HLG、HDR PQ的比較如圖1所示。

從圖1的SDR、HLG、PQ伽瑪曲線可以看出，SDR的光動態范圍為0～100%，HDR HLG和HDR PQ光動態范圍遠遠高于100%，能呈現更大的光動態范圍。當光動態范圍為100%時，SDR的電平已達到98%，基本到達拐點，大概還剩11%左右的電平用于呈現光動態超過100%的HDR高光部分；而當光動態范圍為100%時，HDR HLG和HDR PQ的電平分別為75%、58%[3]，如果加上超白部分（電平可達110%），HLG和PQ還有大約30%～40%的電平資源用于超過光動態范圍為100%的HDR高光部分，它們所用于HDR高光的電平資源是SDR電視的3～4倍[4]。因此，HLG和PQ能呈現更多HDR高光部分，能使電視圖像有更多、更豐富的亮度層次。

由圖1可以看出，HLG伽瑪曲線和SDR伽瑪曲線在電平資源50%以下基本重合，光動態高于100%范圍的HDR高光部分可以看作是SDR電視拐點的提升和擴展，因此可以簡單理解，將SDR攝像機拐點以上處理的高亮度內容認為是HDR高光部分。HLG比較好地兼容現有SDR電視，同時又很大提升了動態范圍，與傳統的SDR電視制作流程非常相似，在制作流程中也不需要元數據，因此HLG目前更適合在廣播電視行業應用。SDR和HDR的差別如表1所示。

圖1 SDR與HLG、PQ的比較

表1 SDR和HDR的差別

2 HDR節目制作流程

現在，各大賽事、綜藝節目已全面采用4K、8K超高清HDR制作，但目前大多數觀眾在家觀看的仍然是高清SDR節目，因此4K、8K超高清系統制作的HDR節目需要下轉換成高清SDR節目，才能在高清頻道進行播出，或者需要同時制作一版4K、8K HDR節目和一版高清SDR節目。在實際制作中，用兩套完全獨立的4K HDR和高清SDR制作系統同時分別完成HDR節目和SDR節目直播是不太現實的，因為兩個獨立制作系統需要大量的設備和人員成本，最重要的是拍攝現場基本上沒有足夠的空間同時布置HDR和SDR攝像機機位。這就要求節目制作時采用一套4K HDR制作系統，系統能同時輸出4K HDR節目和下變換高清SDR節目，而且調光時需要同時保證4K HDR和高清SDR正確曝光。

實際節目制作過程常采用兩種HDR節目制作流程，一種是用HDR圖像作基準調光制作HDR節目，也就是優先保證HDR圖像質量，另一種是用SDR圖像作為基準調光制作HDR，即優先保證SDR圖像質量。

2.1 以HDR圖像為基準調光制作HDR

以HDR圖像作基準調光的制作流程，優先保證了高質量的HDR圖像，需要采用HDR監視器觀察HDR圖像進行調光。由于HDR圖像亮度動態范圍遠遠大于SDR圖像的亮度動態范圍，因此HDR的曝光范圍和寬容度要遠大于SDR。在HDR圖像曝光上一點小的變化，在監視器看起來獲得了高質量的HDR信號，但經過靜態下變換得到的SDR圖像可能已經完全曝光過度。自適應動態轉換器能夠優化各種場景的HDR到SDR映射曲線，能適應更寬的曝光范圍，比靜態下變換能得到質量更好的SDR圖像。因此實際操作中，以HDR圖像作基準調光制作時，采用靜態下轉換得到的SDR圖像容易出現畫面曝光不準的現象，甚至經常曝光過度。一般采用自適應的動態映射SDR轉換器來獲得高質量SDR圖像輸出。目前市面動態轉換器產品越來越豐富，各種場景的研發已取得了非常大的進步，但是還不能完全滿足各種條件下HDR調光的精確要求。

2.2 以SDR圖像作為基準調光制作HDR

以SDR圖像作為基準調光制作HDR的流程，優先保證了高質量的SDR圖像，調光師只需要使用SDR監視器觀察SDR圖像進行調光。實際使用中，采用攝像機自身內置的下轉換器輸出高清SDR信號用于調光，采用靜態轉換器（可設置與攝像機內置下轉換器相同參數）下變換高清SDR信號用于系統最終節目輸出。用SDR圖像為基準調光制作HDR時，調光師能夠看到HDR畫面中的全部SDR內容，既能完全保證SDR圖像質量，采用與攝像機內置下轉換器相同參數設置的SDR靜態轉換器，又能保證75% HLG電平以上的HDR高光內容正確曝光。由于SDR圖像包含HDR圖像中大部分有效信息，因此以SDR圖像作為基準調光能夠同時獲得正確曝光的HDR圖像和SDR圖像。在實際工作中，調光師監看SDR圖像進行調光，用以保證SDR圖像質量；同時視頻工程師和導演在HDR技監和節目監視器上實時監看HDR圖像，用以保證HDR圖像質量。

當前，電視臺HDR節目制作過程要同時考慮與SDR節目兼容，采用以SDR圖像作為基準調光制作HDR的流程，能保證獲得高質量的高清SDR圖像，同時也能獲得較高質量的4K HDR圖像，能滿足當前HDR節目和SDR節目制作和播出相互兼容的要求。具有如下優點。

（1）調光精度更高。調光時，對于相同的光圈曝光量變化，在SDR監視器上能明顯看到亮度的變化，在HDR監視器上基本上看不出亮度的變化，因此以SDR圖像作為基準調光精準度更高。

（2）保護調光師視力。HDR監視器峰值亮度很高，調光師觀看高亮度HDR圖像時間過長，容易出現眼花、視覺疲勞，甚至視力下降。

（3）能準確呈現人體膚色。人體膚色電平都處在SDR電平范圍內，用SDR圖像作為基準調光，能夠同時準確呈現SDR圖像和HDR圖像中的人體膚色曝光。

（4）保證高清SDR圖像質量。用SDR圖像作為基準調光，可以優先保證高質量的高清SDR圖像，同時也能獲得較高質量的4K HDR圖像。

（5）降低成本。只需為每個調光師配置普通SDR監視器和波形監視器即可。

（6）符合現有電視節目制作流程。以SDR圖像作為基準調光，調光師的工作與原來SDR節目制作流程相似，調光師多年積累的寶貴經驗依舊可用，操作習慣不變。

3 SDR和HDR轉換

目前4K HDR節目和高清SDR節目在很長一段時間里長期共存，這要求節目播出時不但要確保4K HDR的圖像質量，還必須保證下轉換的高清SDR圖像質量。因此，制作4K HDR節目后下轉換高清SDR是不可避免的。同樣地，目前制作4K HDR時使用一些高清SDR信號源也是不可避免的，制作時不但要確保這些SDR信號上轉換后能與原生4K HDR信號完美匹配，還要確保下轉換后的高清SDR與上轉換前的高清SDR相同。

3.1 上轉換

SDR轉換為HDR的信號處理操作統稱為上轉換（Up-Convert）。上轉換時，以100%動態范圍為分界線，100%動態范圍以下的SDR內容用場景參考映射或顯示參考映射上轉換；高于100%動態范圍的拐點部分用直接映射或上映射（反色調映射）上轉換。

3.1.1 直接映射

直接映射（Direct Mapping）上轉換時，不對SDR信號中高于100%動態范圍的拐點部分進行擴展處理，以保持原始SDR的觀感。因此，在HDR監視器上顯示的直接映射SDR圖像與SDR監視器上顯示的原始SDR圖像在SDR的拐點部分具有相同的觀感。

3.1.2 上映射和反色調映射

上映射（Up-Mapping）也被稱為反色調映射（Inverse Tone Mapping，ITM）。反色調映射上轉換將SDR信號中高于100%動態范圍的拐點部分擴展到了HDR范圍，以模擬HDR內容的觀感。因此，在HDR監視器上顯示的上映射SDR圖像與原始HDR圖像具有類似的觀感。

3.1.3 SDR上轉換到HLG時直接映射與上映射（反色調映射）的差別

SDR上轉換到HDR HLG時，直接映射與上映射的差別如圖2所示。

從圖2可以看出，由于SDR中代表HDR內容的拐點部分被壓縮到了10%左右的電平資源內，只保留了有限的亮度和彩色信息，采用反色調映射上轉換時，拐點部分的電平幅度被擴展了3至4倍，但灰階數量無法增加，損失的亮度和彩色信息無法恢復，擴展后很可能出現亮度和彩色的失真以及量化比特不足的條帶現象，8比特SDR素材尤甚。因此，除特殊要求外，上轉換應盡可能不采用反色調映射。

圖2 SDR上轉換到HDR HLG時直接映射與上映射的差別

3.2 下轉換

HDR轉換為SDR的信號處理操作統稱為下轉換（Down-Convert）。下轉換時，以100%動態范圍為分界線，100%動態范圍以下的SDR內容用場景參考映射或顯示參考映射下轉換，高于100%動態范圍的HDR內容用下映射（色調映射）或硬削波下轉換。

3.2.1 下映射和色調映射

下映射（Down-Mapping）也被稱為色調映射（Tone Mapping，TM）[5]。色調映射下轉換時，將HDR信號中高于100%動態范圍的HDR內容壓縮到了SDR信號的拐點處理范圍內，與SDR攝像機處理HDR高光內容的方法一樣。

3.2.2 硬削波

進行下轉換時，在某些情況下，硬削波（Hard Clipping）比色調映射（類似于軟削波）更合適。通過硬削波，可以將超過閾值的所有信號都削波到該閾值。當要求來自HDR攝像機的信號看起來類似于無“拐點”的SDR攝像機輸出的信號時，可以采用硬削波。例如，攝像機下轉換SDR輸出采用硬削波后去除了拐點對高光部分的壓縮，有利于調光師精確控制高光電平。

由于高清SDR攝像機采用了與色調映射一樣的拐點處理HDR高亮度部分，為了使HDR下轉換的高清SDR圖像與原生SDR攝像機圖像觀感一致，制作和播出的主信號流程不應采用硬削波。

HDR HLG下轉換到SDR時硬削波與色調映射的差別如圖3所示。從圖3可以看出，場景或顯示參考映射下轉換將75%HLG電平映射為100%SDR電平，色調映射下轉換將高于75%HLG的HDR內容壓縮到了SDR信號的拐點范圍內，硬削波則把高于75%HLG的HDR內容削波到100%SDR電平。在實際的轉換器產品中，色調映射的拐點起始點和斜率是可以調整的，硬削波電平也是可以調整的，通常硬削波電平的默認值是100%。

圖3 HDR HLG下轉換到SDR時硬削波與色調映射的差別

3.3 場景參考映射與顯示參考映射

HDR與SDR互轉時，先將非線性電信號轉換成代表線性光的電信號，再轉換為非線性電信號。可以將非線性電信號轉換為線性光信號的過程想象為用攝像機拍攝畫面，場景參考映射（Scene Referred mapping，SR）相當于直接拍攝現場場景，將電信號轉換為與場景光相同的線性光；顯示參考映射（Display Referred mapping，DR）相當于拍攝監視器顯示的場景[6]，將電信號轉換為與監視器顯示光相同的線性光。由于電視的系統伽瑪OOTF是非線性的，因此場景光與顯示光的對比度、彩色飽和度并不完全相同，SR與DR的轉換結果存在差別。

3.3.1 HDR轉換時DR與SR的差別

DR上轉換的HLG圖像與原SDR圖像觀感是一樣的，SR上轉換的HLG圖像與原SDR圖像觀感有不同，上轉換后SR比DR彩色飽和度要降低一些。這是因為SR上轉換時保留了HLG OOTF飽和度降低，DR上轉換時保留了SDR OOTF飽和度無變化，因此上轉換后SR的飽和度比DR要低一些。

DR下轉換的SDR圖像與原HLG圖像觀感是一樣的，SR下轉換的SDR圖像與原HLG圖像觀感有不同，下轉換后SR比DR的彩色飽和度要升高一些。這是因為SR下轉換時保留了SDR OOTF飽和度升高，DR下轉換時保留了HLG OOTF飽和度無變化，因此下轉換后SR的飽和度比DR要升高一些。

3.3.2 往返轉換

DR上轉換+DR下轉換：與原始SDR圖像相比不變。這是因為DR上轉換時保證了原SDR OOTF飽和度沒有發生變化，DR下轉換時又保證了HLG OOTF飽和度沒有發生變化，在上、下轉換時飽和度都沒有發生變化，所以DR往返轉換后飽和度沒有變化。

SR上轉換+SR下轉換：與原始SDR圖像相比不變。這是因為SR上轉換時保留了HLG OOTF飽和度降低，SR下轉換時保留了SDR OOTF飽和度升高，SR下轉換時升高的飽和度剛好補償了SR上轉換時下降的飽和度，所以SR往返轉換后飽和度無變化。

SR上轉換+DR下轉換：與原始SDR圖像相比飽和度有下降，色調也發生輕微改變。這是因為SR上轉換時保留了HLG OOTF飽和度降低，DR下轉換時保留了HLG OOTF飽和度不變，所以往返轉換后飽和度有所下降。

DR上轉換+SR下轉換：與原始SDR圖像相比飽和度升高，色調發生輕微改變[6]。這是因為DR上轉換時保留了SDR OOTF飽和度無變化，SR下轉換時保留了SDR OOTF飽和度升高，所以往返轉換后飽和度升高。

4 結 語

隨著4K、8K超高清HDR技術在賽事制作和轉播領域的全面應用，電視技術經歷了從高清SDR到4K超高清HDR的重大變革。與傳統的SDR相比，HDR大幅度提高了電視系統的亮度、對比度以及彩色還原能力，大大提高了圖像質量。但是目前大多數觀眾在家觀看的仍然是高清SDR節目，因此須要考慮“向下兼容”的問題，不但要確保4K HDR的圖像質量，還必須保證下轉換的高清SDR圖像質量。這對節目制作實踐提出了更高的要求，電視從業人員需要適應新技術帶來的各種變化。