王亞明先生 本刊特約撰稿人   王亞明先生在廣播電視行業從業40年，具有深厚的專業技術背景，先后在業內多家公司從事技術工作。1998年加入索尼，2003年至2019年5月擔任索尼中國專業系統集團技術總監，2019年6月擔任宇田索誠科技股份有限公司技術總監，一直站在廣電行業技術最前沿。

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問：什么是HLG-Live？

HLG-Live是索尼對HLG的改進版本，也可以認為是“索尼版”HLG，配置在索尼4K演播室攝像機、4K ENG肩扛攝錄一體機上。這些設備既可以選擇BT.2100定義的標準HLG伽瑪，也可以選擇索尼的HLG-Live。HLG-Live與HLG完全兼容，用HLG-Live拍攝的節目在HLG監視器和電視機上顯示的圖像與HLG相同，無需任何特殊處理。

HLG-Live與HLG的主要差別是靈敏度不同。例如，索尼HDC4300攝像機設置為HLG-Live時，其靈敏度比設置為HLG提升了5dB，接近1檔光圈，與HDC1580高清攝像機靈敏度相同，對低照度拍攝非常有利。實際測試結果，索尼HDC4300采用HLG-Live時其靈敏度與索尼高清攝像機HDC1580/2580相同，HDC5500/3500采用HLG-Live時其靈敏度比高清攝像機還高一些，這就意味著在大型活動現場、體育場館、演播室等場景，索尼4K演播室攝像機用HLG-Live拍攝時，如果不考慮燈具的顯色性，現有的高清SDR制作燈光照度就能滿足4K HDR拍攝需求，無需增加照明燈具和功率。

問：ITU-R BT.2408文件中HDR參考白基準信號電平的作用是什么？

答：HDR參考白基準信號電平的主要作用是拍攝時的曝光基準，它還是HDR節目中白色字幕的推薦電平，以及SDR與HDR內容的分界線。

模擬電視的視頻信號電平用mV或百分比（IRE）表示，700mV=100%，數字信號用編碼值代表不同的電平，但習慣上仍然沿用了模擬時代mV或百分比的電平表示法。超高清電視只有數字信號，在ITU文件里用百分比表示HDR電平。

ITU-R BT.2408-2表1. PQ和HLG制作的基準信號電平

BT.2408-2文件的表1列出了HDR參考白基準信號電平與顯示亮度的關系：在白色信號電平幅度為58%時PQ伽瑪HDR監視器上顯示的白色亮度為203尼特，白色信號電平幅度為75%時1000尼特HLG伽瑪HDR監視器上顯示的白色亮度也是203尼特。信號電平與監視器顯示亮度的關系是PQ或HLG的EOTF公式確定的，只要EOTF公式不變這個關系就不會改變。

HDR參考白（漫反射白）電平對應的是100%動態范圍，具體來說就是用PQ伽瑪攝像機拍攝100%反射率白色測試卡時輸出電平幅度應為58%，HLG伽瑪攝像機輸出電平幅度應為75%。與顯示時EOTF公式的電平與亮度對應關系不同，拍攝時即使OETF公式不變，使用者也可以隨意改變100%動態范圍對應的輸出電平。例如在HDR發展的初期，HDR參考白對應的輸出電平分別為51%PQ或50%HLG。也就是說，50%或75%HLG都可以表示HDR參考白，這是如何使用OETF的問題，是考慮各種因素后人為定義的。

從動態范圍的角度看，參考白基準電平是一個分界線，低于該電平的內容是SDR，與SDR攝像機再現的內容完全相同，下轉換后可以完全呈現在SDR電視屏幕上；超過該電平的高亮度內容是HDR，可以在高峰值亮度的HDR電視機上完美呈現，下轉換SDR后被壓縮在占用很少電平和亮度資源的拐點范圍內，因此參考白基準電平也是下轉換時映射至100%SDR電平的基準。此外，根據BT.2408的建議和實際測試、制作實踐，參考白基準電平也是HDR制作時白色字幕的推薦電平。

直播拍攝時HDR參考白基準信號電平的作用與SDR的峰值白信號電平相似，是HDR拍攝的定光點。SDR的峰值白電平是100%，對應SDR監視器100尼特亮度。對SDR制作來說，峰值白電平既有校準層面的意義，也有操作層面的意義。在波形監視器上，100%是最高電平，對應拍攝場景內最高亮度的景物，因此峰值白電平既可以用于系統校準，也可以為調光師的曝光控制提供參考。

對HDR制作來說，HDR參考白基準信號電平只有校準層面的意義，沒有操作層面的意義。在波形監視器上，58%或75%是定光點但不是最高電平，并不對應拍攝場景內最高亮度的景物，調光師無法判斷58%或75%電平對應拍攝場景中的哪些景物，找不到定光點，因此無法像SDR的峰值白電平那樣為調光師的曝光控制提供參考。

問：ITU推薦的兩種HDR制作流程有什么區別？

ITU-R BT.2408-2推薦了兩種用HDR系統制作節目的流程，一種是用HDR調光制作HDR，也就是HDR優先，另一種是用SDR調光制作HDR，即SDR優先。

在HDR優先的制作流程中，為了獲得高質量的HDR圖像，HDR攝像機使用HDR監視器調光。由于HDR圖像的曝光寬容度遠大于SDR，因此獲得高質量的HDR信號后，下轉換SDR轉換器必須采用自適應的動態映射才能獲得高質量SDR輸出。動態轉換器旨在優化任何場景的HDR到SDR映射曲線，從而適應比固定（靜態）增益差映射曲線更寬的曝光范圍。目前動態轉換器產品研發已經取得了很大進展，但還無法完全滿足HDR調光的苛刻要求。實際操作時，以HDR為基準調光制作HDR，采用固定增益差下轉換得到的SDR圖像容易出現曝光不準，特別是曝光過度的現象。

ITU-R BT.2408-2圖4. HDR優先，用HDR調光制作HDR

在SDR優先的制作流程中，為了獲得高質量SDR圖像，HDR攝像機使用SDR監視器調光。大多數演播室HDR攝像機可以同時輸出HDR和SDR信號，因此可以用SDR輸出對攝像機進行調光，HDR輸出可以使用相對于SDR的固定增益差（相當于曝光偏置）進行下轉換，從而獲得高質量的SDR圖像。

ITU-R BT.2408-2圖5. SDR優先，用SDR調光制作HDR

采用SDR調光制作HDR節目的主要原因如下：

提高調光精度：調整光圈時同樣的曝光量變化在HDR監視器上亮度變化很小，在SDR監視器上亮度變化很大，因此SDR調光更精準；

減輕視覺疲勞：HDR監視器峰值亮度比SDR高得多，調光師長時間觀看容易出現視覺疲勞，判斷力下降；

精確控制膚色曝光：膚色電平都在SDR范圍內，用SDR調光能夠精確控制SDR和HDR的膚色電平；

確保高清質量：用SDR調光可在確保高清圖像質量的情況下同時獲得比較好的4K HDR圖像；

節省成本：為每個調光師配置高質量HDR監視器和波監的成本很高；

保留傳統經驗和習慣：SDR時代調光師多年積累的寶貴經驗和操作習慣得以保留，無需改變。

調整光圈時同樣的曝光量變化，SDR圖像亮度變化比HDR大得多

因此，采用SDR調光制作HDR能夠確保獲得高質量高清SDR和比較好的4K HDR圖像，符合現階段節目制作和播出的要求。具體來說，4K HDR制作系統包括攝像機、切換臺等核心設備均支持4K HDR，輸出4K HDR節目信號，攝像機內置下轉換高清SDR用于調光，4K HDR下轉換的高清SDR用于系統節目輸出。

4K HDR制作系統示意圖：用SDR調光制作HDR 

用SDR調光制作HDR的核心是設置HDR轉換SDR的增益差。HLG轉換成SDR需要做電平、伽瑪和色域映射，電平從75%HLG映射到100%SDR，伽瑪從HLG映射到SDR，色域從BT.2020映射到BT.709。在三個映射中，伽瑪和色域映射是產品制造商設計決定的，用戶只能進行相應的選擇和微調，最重要的是電平映射，用戶需要設置HDR轉SDR的增益差，使HLG電平正確映射到SDR。

大多數4K HDR演播室攝像機CCU都內置了HDR與SDR兩個獨立的信號處理器，可以同時輸出4K HDR與高清SDR信號。由于HDR的動態范圍比SDR大得多，攝像機以SDR為基準調光時HDR就會曝光不足，如果擴大光圈以HDR為基準調光時SDR就會曝光過度，為了使HDR與SDR都能正確曝光，需要用光圈控制HDR曝光，并為HDR與SDR處理器設置適當的增益差控制SDR曝光。

設置SDR增益差，使HDR與SDR都能正確曝光

采用SDR優先的制作流程時必須用測試信號和測試卡檢查、驗證攝像機CCU內置下轉換SDR輸出與4K HDR節目輸出轉換器下轉換SDR信號的電平、伽瑪和彩色相同，兩者有差別時需要對攝像機或轉換器進行調整使之一致，以實現電視直播制作要求的“所見即所得”。

實際操作時調整攝像機下轉換輸出的高清SDR增益，使75% HLG電平對應的SDR電平為100%。根據索尼提供的數據和實際測試驗證，HDC4300攝像機和HDRC-4000轉換器滿足這個映射要求的SDR增益為-10.2dB。由于HLG-Live比HLG下轉換SDR的增益差小5dB，所以HLG-Live轉換SDR的增益為-5.2dB。其它廠商攝像機的調整項目各有不同，但映射關系都應調整為75%HLG映射100%SDR電平。

HLG與SDR電平映射關系：75% HLG映射100% SDR（BT.2111 HLG彩條測試信號）

用SDR調光制作HDR，就是把75% HLG電平映射到SDR后成為100%峰值白電平，這樣調光師就有了與SDR制作時相同的定光點可供參考，這個定光點對應的就是75% HLG，實現了用SDR調光精準控制HDR曝光的目的。

實際測試結果證明，雖然用SDR調光制作HDR時調光師看不到HDR內容，但只要系統設置了正確的HLG與SDR映射關系就能確保HDR圖像質量。以高清SDR圖像為基準調光時高清好HLG一定好，雖然不一定是最好。

用一個系統同時制作HDR與SDR時，建議4K直播和類似于直播的錄播采用SDR優先的制作流程，以高清SDR圖像為基準調光，即ITU建議的用SDR調光制作HDR；如果確認制作的4K節目僅用于HDR播出、傳輸或發行，不下轉換高清SDR播出，可采用HDR優先的制作流程，用HDR調光制作HDR。用SDR調光制作HDR時，技監和導演都能看到4K HDR圖像，如果4K HDR與高清SDR圖像質量無法兼顧時，目前的策略應該是高清優先。

測試研究證明，HDR與SDR轉換時的電平映射關系反映了不同動態范圍曝光基準的差別，因此用SDR調光制作HDR時電平映射關系與設備無關，與拍攝場景無關，只與創作意圖有關。無論采用哪個廠家的攝像機，拍攝什么場景，只要攝像機HLG曲線符合BT.2100標準，HLG下轉換SDR的電平映射關系都是相同的，只不過不同廠家設備設置的項目和數值不一樣。以75%HLG映射100%SDR為基準，在75%HLG映射90-100%SDR電平的范圍內增減SDR電平可以改變4K圖像的HDR效果，體現制作者的創作意圖，HLG映射的SDR電平越低HDR曝光量就越大，HDR效果越明顯。

問：常用的HDR播出、傳輸方案是哪幾種？

在問答系列連載2“ITU定義的兩種HDR伽瑪有什么差別？”中已經介紹過，BT.2100定義了兩種用于高動態范圍（HDR）電視的伽瑪，分別是絕對亮度體系的PQ和相對亮度體系的HLG。不過，PQ只是EOTF，由于PQ對顯示設備精度要求很高，必須在播出碼流中加入代表制作監視器性能和節目亮度的元數據形成完善的HDR方案才能充分發揮其優勢。用PQ制作的節目可以用HDR10、HDR10+、Dolby Vision-1/2、SL-HDR1/2方案播出。HLG無需元數據，用HLG制作的節目在播出、傳輸碼流里插入識別符就可以直接播出，也可以加入元數據形成HDR方案（如SL-HDR3）。

行業標準組織和廠商提出了多種HDR播出方案，已經被影視行業和電視機廠商接受的HDR方案有BDA（藍光盤）/HDR10、HDR10+、Dolby Vision和HLG。目前幾乎所有網絡平臺上的HDR節目都是用HDR10或Dolby Vision播出的，廣電總局已經確定中國用HLG加識別符的方案播出4K HDR節目，采用PQ伽瑪的播出方案待定。

HDR播出方案

在采用PQ的HDR方案中，從兼容性來看Dolby Vision和Philips/Technicolor的SL-HDR2可以下兼容SDR，HDR10和HDR10+不兼容SDR；從靜態元數據來看各方案相同，都是ST2086 + MaxFALL/MaxCLL。SMPTE的ST2086描述了制作HDR節目時使用的監視器硬件性能，包括RGB基色坐標（色域），白色坐標（色溫），最高顯示亮度，最低顯示亮度；MaxFALL（maximum frame-average light level，最高幀平均亮度電平，簡稱FALL或平均亮度）和MaxCLL（maximum content light level，最高內容亮度電平，簡稱CLL或最高亮度）描述了節目的平均和最高亮度。

在不同的方案中動態元數據的作用也不一樣，有些是針對不同場景優化顯示圖像質量的，如Dolby Vision和HDR10+；有些是為實現HDR與SDR兼容的，如Philips/Technicolor。具體來說，Dolby Vision的動態元數據標準是ST 2094-10，Philips是ST 2094-20，Technicolor是ST 2094-30，因此Philips/Technicolor方案的動態元數據是ST 2094-20與ST 2094-30的集合，HDR10+的動態元數據標準是ST 2094-40。

播出、傳輸用PQ制作的HDR10或Dolby Vision節目時必須同時傳輸元數據，支持HDR10或Dolby Vision的HDR電視機/顯示設備在自動模式時接收到元數據后會自動進入PQ的“絕對亮度”模式，并根據靜態元數據控制/選擇顯示設備參數使之適合信號源的要求；播出、傳輸用HLG制作的HDR節目時必須同時傳輸HLG識別符，支持HLG的HDR電視機在自動模式時接收到HLG識別符后自動進入HLG HDR模式。

4K HDR播出、傳輸流程

在整個播出、傳輸和接收流程中，HDR播出碼流需要同時傳輸元數據或識別符，HDMI接口必須支持元數據或識別符傳輸。機頂盒連接電視機或顯示設備后，機頂盒通過HDMI發送Inforframe（信息幀）通知電視機正在傳輸的圖像信號參數，包括分辨率、色域、色溫、伽瑪、是否HDR，如果是HDR屬于哪種類型，如PQ或HLG，以及制作監視器的最高亮度、最低亮度等信息，電視機的HDMI接收到Infoframe后，會把電視機自身的硬件性能通過EDID（擴展顯示識別數據）回復機頂盒，電視機的分辨率、色域、色溫、伽瑪、是否支持HDR的PQ或HLG、最高和最低亮度等電視機參數。

通過HDMI的Infoframe和EDID通訊后，雙方判斷，如果電視機的性能可以支持傳輸信號的所有需求，那么機頂盒對傳輸信號不做任何處理，透傳數據，所有信號處理都由電視機完成，如果電視機性能不支持傳輸信號的要求，信號處理將由機頂盒完成，機頂盒應該根據電視機性能將傳輸信號轉換成電視機能夠顯示的圖像格式。

以上是理想狀況，實際情況會復雜的多。例如，機頂盒與電視機的HDMI版本必須高于2.0b才能支持HLG識別符傳輸，機頂盒、電視機也必須傳輸并識別元數據或識別符，如果機頂盒向電視機發送了infoframe，電視機也必須通過EDID回復真實的性能。這是個通訊握手的過程，節目制作、播出、傳輸、機頂盒、電視機廠商等有關各方必須遵守相同的協議才能實現即插即用，互通互聯，自動識別，確保用戶端再現高質量4K HDR圖像。

（未完待續）