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：HLG制作時如何處理超過100%電平的超白信號？

答：HLG與高清SDR一樣，信號電平采用窄域（Narrow range）表示法，不禁止使用超黑與超白電平。ITU的BT.2390報告明確說明，建議HLG制作時使用100%電平以上的超白區域以提高HLG的動態范圍。因此，在HLG拍攝、制作和播出流程中，攝像機、制作和播出設備應關閉HDR白削波（HDR WHITE CLIP），攝像機與轉換器的SDR輸出設置也應關閉白削波，以充分利用信號電平資源。

即使在之后的鏈路中某些設備因某種原因暫時未支持超黑與超白區域的信號傳輸或顯示，攝像機使用超白電平資源也不會對圖像質量或系統運行帶來負面影響。如果鏈路中全部設備都支持超白電平的傳輸和處理，HLG的動態范圍可以在不增加成本的情況下提高近1倍。

問：HDR攝像機還有拐點處理嗎？

答：與標清和高清SDR攝像機一樣，為了保留超過HDR的高亮度信息，HDR攝像機仍然有拐點處理。不過，由于PQ的動態范圍遠大于攝像機動態范圍，實際上HDR攝像機的拐點只對HLG有意義，建議HLG拍攝時打開HDR拐點（HDR KNEE）。

問：為什么BT.2100里的PQ和HLG公式計算值與BT.2408、BT.2390的推薦值不同？

答：BT.2100-2的PQ參考OETF公式如下：

為便于和顯示亮度、動態范圍比較，假設OOTF是線性的1（實際上是非線性的1.2），那么PQ OETF就是EOTF-1。根據該公式可以計算出，100%動態范圍（100尼特）時PQ的電平E’為51%，200%為58%，400%為65%，……1000%為75%，10000%為100%。

BT.2100-2的HLG參考OETF公式如下：

根據該公式可以計算出，100%動態范圍（100尼特）時HLG的電平E’為50%，200%為66%，320%為75%，……700%為90%，1200%為100%。

根據上述公式，可以得到兩者的OETF曲線。

PQ EOTF^-1與HLG的OETF特性比較

從PQ的EOTF^-1公式和曲線可以看到，100%動態范圍對應的電平為51%，51%以下的電平資源用于SDR內容，51%以上的電平資源用于100-10000%高亮度的HDR內容。

從HLG的OETF公式和曲線可以看到，以100%動態范圍對應的50%電平為分割點，HLG的OETF是由兩部分組成的：50%以下的電平資源用于SDR內容，采用與SDR攝像機伽瑪相似的平方根函數，伽瑪值為0.5；50%以上的電平資源用于100-1200%高亮度的HDR內容，采用自然對數函數。

從BT.2100-2的公式和曲線可以看到，PQ與HLG都把電平資源的一半用于SDR內容，與100%動態范圍對應的電平分別為51% PQ和50% HLG。在早期上市的HDR波形監視器上也可以看到，50%電平是HDR與SDR的分界線。

不過，在2017年10月發布的BT.2408、BT.2390-3報告中，推薦的PQ與HLG 參考白電平值與BT.2100公式的計算值是有差別的。在BT.2408的表1中，漫反射白（100%動態范圍）對應的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，因此漫反射白（100%動態范圍）對應的顯示亮度也不是BT.2100公式計算的100尼特，而是203尼特。

對比BT.2100公式的計算值，BT.2408的推薦值對PQ的EOTF^-1動態范圍壓縮了2倍，原來對應200%動態范圍的58%電平在BT.2408的表1中代表100%動態范圍；BT.2408的推薦值對HLG的OETF動態范圍壓縮了3.2倍，原來對應320%動態范圍的75%電平在BT.2408的表1中代表100%動態范圍。

BT.2408推薦的HDR參考白基準電平

由于PQ的100%動態范圍對應電平從計算值的51%提高到了原200%動態范圍對應的58%，PQ的EOTF^-1動態范圍也從計算值10000%/100%=100倍降低到了10000%/200%=50倍（5000%），是原計算值的1/2；HLG 的100%動態范圍對應電平從計算值的50%提高到了原320%動態范圍對應的75%，HLG的OETF動態范圍則從計算值1200%/100%=12倍降低到了1200%/320%=3.75倍（375%），是計算值的1/3.2，如果使用超白電平資源，HLG的動態范圍可以擴展到620%。

由于HLG OOTF是非線性的，顯示光與場景光之間并不是等比例的線性關系，因此從HLG EOTF也就是顯示的角度看峰值亮度1000尼特時HLG的動態范圍是1000尼特/203尼特=4.9倍（490%），比用OETF計算的拍攝動態范圍3.75倍（375%）大一些。

在HDR發展的初期，有些廠商的HLG產品參考白電平是50%HLG，BT.2408發布后參考白基準電平統一為75%HLG。市場上把50%參考白電平的HLG稱為HLG50，75%參考白電平的HLG稱為 HLG75，雖然兩者都是HLG，但參考白電平不同。隨著行業對HDR的理論研究和制作實踐不斷深入，HLG50已經退出了HDR的舞臺。

PQ OETF與PQ EOTF-1特性比較

上述分析和計算基于一個假設，即PQ OOTF是線性的1，計算使用的“PQ OETF”實際上是PQ EOTF^-1，而不是真正的PQ OETF，其目的是為了便于和顯示亮度、動態范圍比較。根據BT.2100標準，PQ EOTF應該包含PQ的OOTF，與PQ的OETF并不是互逆的關系，如上圖所示。從圖中可以看到，與PQ EOTF^-1相比，58%PQ OETF電平對應的動態范圍從200%提高到了305%，相應地，根據BT.2408推薦值，需要對PQ的OETF動態范圍壓縮3倍，使58%PQ OETF電平對應的動態范圍為100%，如下圖所示。

符合BT.2408推薦的HDR參考白基準電平時PQ OETF與PQ EOTF^-1特性比較

由于PQ OOTF是非線性的，顯示光與場景光之間并不是等比例的線性關系，因此從PQ EOTF^-1也就是顯示的角度看BT.2408推薦值對PQ的動態范圍壓縮了2倍，從10000%降低到了5000%；而從PQ OETF也就是拍攝的角度看動態范圍被壓縮了3倍，降低到了3300%。

與HLG不同，除HDR轉換外，在實際制作流程中PQ OOTF和OETF基本上是用不到的，這也是在本連載和其它HDR文獻中用PQ EOTF^-1代替PQ OETF的原因。PQ與電影的DCI顯示伽瑪一樣，本質上都屬于非實時的“所見非所得”制作流程，幾乎沒有直播拍攝的應用，觀眾看到的畫面是調色師后期調整的結果，而不是攝像機用PQ OETF直接拍攝的，因此定義顯示設備的特性就夠了。

BT.2408和BT.2390報告從實用的操作層面對PQ和HLG參考白基準電平進行了調整，個人認為原因如下。

首先，增加了SDR內容的電平資源。在BT.2100的HDR公式計算值中，SDR與HDR內容各占電平（量化）資源的一半，只有50%電平資源用于100%動態范圍以下的SDR內容。10比特量化時可用的灰階數量為1024個，采用窄域表示法時只有876個灰階可用，HDR內容占用一半后SDR可用的灰階數量只有438個。在HDR信號中，主要信息都集中在SDR內容里，BT.2408的推薦值增加了SDR內容的電平（量化）資源，特別是HLG調整后SDR內容的量化資源比計算值增加了25%，雖然降低了動態范圍，但從整體看有助于改善HDR圖像的綜合質量。

峰值亮度1000尼特時PQ和HLG的EOTF比較

其次，提高了HDR圖像中SDR內容以及SDR上轉換內容的亮度。在HDR圖像中，以參考白亮度為分界點，低于參考白亮度的內容與SDR圖像完全一樣，根據BT.2100的計算值在HDR監視器上參考白亮度為100尼特。此外，制作HDR節目時可能會使用一些SDR素材，把SDR上轉換成HDR時，依據BT.2100的計算值SDR峰值白映射到HDR信號的50%電平，在1000尼特HDR監視器上SDR峰值白顯示亮度也是100尼特。實際上新型LCD高清電視機的顯示亮度比專業監視器高得多，其峰值亮度大多在200尼特以上，而依據BT.2100的計算值HDR圖像中的SDR內容以及上轉換的SDR內容在HDR監視器上最高顯示亮度只有100尼特，比現有的高清電視機暗得多。采用BT.2408的參考白基準電平推薦值后，HDR圖像中的SDR內容以及上轉換的SDR內容最高亮度達到了203尼特，與新型的高清電視機相當。

第三，建立了PQ與HLG的1000尼特峰值亮度轉換橋接點。PQ采用絕對亮度體系，顯示亮度只與信號電平有關，與顯示設備峰值亮度無關，顯示設備峰值亮度不同時，峰值亮度以下的圖像內容不受影響。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，還與顯示設備的峰值亮度有關，顯示設備峰值亮度不同時，顯示圖像的不同亮度層次都會受到影響。以BT.2408表1為例，監視器峰值亮度不同時，除了與峰值亮度相近的最亮灰階外，PQ監視器顯示的其它灰階亮度沒有變化，而HLG監視器顯示的不同灰階亮度就會與表1不同。采用BT.2408的參考白基準電平推薦值后，在峰值亮度1000尼特HDR監視器上，PQ與HLG顯示不同反射率的灰階時亮度完全相同，為PQ與HLG圖像的互轉建立了橋接點（Bridge point），有助于控制HDR轉換的圖像質量。

綜上所述，與BT.2100計算值相比，雖然BT.2408和BT.2390-3的參考白基準電平推薦值降低了HDR的動態范圍，但規范了HDR制作電平，提高了HDR圖像的綜合質量，使SDR內容的亮度與高清電視機更接近，并為1000尼特峰值亮度的PQ與HLG互轉建立了橋接點，因此具有更強的實用性和可操作性。

未完，待續