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。

問：HDR轉換時如何選擇SR或DR？

答：選擇映射方式不能只看轉換結果，必須結合制作流程綜合考慮。

如果只關注轉換結果，DR是最簡單的選擇。因為DR上轉、下轉、往返轉換后其觀感都與原始信號相同，沒有變化；而SR上轉后飽和度下降，下轉后飽和度上升，往返轉換后飽和度不變。

考慮到HDR制作流程的實際應用，選擇什么映射方式并不簡單。

先看上轉換。在HDR制作中混合使用HLG和SDR攝像機時，SDR攝像機應該用SR上轉換才能與HLG攝像機完美匹配。這是因為SR上轉換保留了HLG的OOTF，相當于用HLG攝像機拍攝SDR場景，轉換圖像的觀感與HLG攝像機相同。

目前HDR制作流程中仍然使用了很多SDR圖文或虛擬系統，這些系統制作的國旗、廣告標識、俱樂部徽章等圖形進入HDR制作系統時，應該用DR上轉換才能使HLG圖像中顯示的這些圖形與高清SDR圖像一致，這是因為DR上轉換保留了SDR OOTF，相當于用HLG攝像機拍攝SDR監視器，轉換圖像的觀感與SDR監視器相同。

再看下轉換。如果HDR制作系統中混合使用了HLG與SDR攝像機，而SDR攝像機采用SR上轉換HLG，HDR與SDR同播時為了使高清SDR圖像保持與SDR攝像機相同的觀感，播出端應采用SR下轉換，這是因為SDR攝像機信號用SR上轉后再用SR下轉才能保持SDR攝像機圖像的觀感不變。

即使HDR制作系統中只有HLG攝像機，如果采用SDR調光制作HDR，由于HDR攝像機內置的下轉換器都是SR，為了使調光師看到的圖像與播出信號一致，播出端也應采用SR下轉換。

如果HDR制作系統中只有HLG攝像機并采用HDR調光制作HDR，播出端采用SR或DR下轉換都沒有問題，其區別是SR下轉換保留了SDR圖像的觀感，DR下轉換保留了HLG圖像的觀感。

如果HDR制作時使用了SDR圖文或虛擬系統，這些系統的文字和圖形是用DR上轉換的，播出端應采用DR下轉換才能保持SDR圖文觀感與原始文字、圖形一致。

通過上述分析可以看到，不同的應用需要不同的映射方式，而在實際制作和播出流程中是不可能頻繁改變映射方式的。近年來電視行業通過大量研究、測試和實踐，對HDR轉換形成了如下共識：

　上轉換

HDR制作系統中混合使用HLG和SDR攝像機時，SDR攝像機信號應采用SR上轉換。

未調色SDR錄像節目應采用SR上轉換。

調色制作的SDR錄像節目應采用DR上轉換。

SDR圖文、虛擬系統的文字和圖形應采用DR上轉換。

　下轉換

播出端應采用SR下轉換。

　問題對策

在HDR制作和播出系統中采用上述映射方式后，必須解決這些映射方式存在的彩色變化問題才能確保轉換圖像質量。具體來說，就是解決SR上轉飽和度下降和SR下轉飽和度上升的問題，特別是DR上+SR下往返轉換的彩色飽和度上升、色調變化問題。

從轉換器產品來看，以HDRC-4000為例，首先，下轉換時該設備對超過100%幅度的R、G、B信號做了削波處理，解決了DR上+SR下往返轉換后彩色飽和度超過100%的問題。其次，用AIR Matching消除了SR上、下轉換的色調變化，減少了轉換后飽和度的變化。

不過，AIR Matching只是減少但并未完全消除SR上、下轉換飽和度的變化，還需要調整ADDITIONAL PAINT（附加繪畫）菜單中的SATURATION（飽和度），SR上轉換時SATURATION +5，增加飽和度以抵消SR上轉換時飽和度的下降；下轉換時SATURATION -5，降低飽和度以抵消SR下轉換時飽和度的上升。

這些措施解決了SR轉換的彩色變化問題，設置后無論SR上、下單向轉換，還是DR上+SR下往返轉換，彩色飽和度和色調都不會出現明顯可見的變化。其它幾個廠商的同類轉換器也采用了AIR Matching專利，可以按照上述設置做相同的處理。不過不同廠商、型號的設備設置參數不一定相同，需要用SDR、HDR彩條測試信號和攝像機拍攝的彩色測試卡圖像進行測試和調整，使SR上、下轉換的彩色飽和度、色調變化最小。

問：不同類型的HDR轉換器有什么特點？適合什么需求？

答：如果用照相機做參照，“技術型”的靜態固定參數轉換器相當于專業單反相機的手動模式，所有參數均可由用戶自行調整、設置，實現精準控制，使用者需要具備HDR專業知識和實踐經驗，了解各項技術參數對圖像的影響。

由于SDR的動態范圍比HDR小得多，依據正常曝光圖像設置HDR與SDR的映射關系后，大部分規范制作的HDR節目用固定參數下轉換后都能獲得理想的圖像質量，但超亮或超暗畫面下轉換后會出現過曝或欠曝現象。增大轉換增益差可改善超亮畫面質量但犧牲了超暗，減小增益差則改善超暗犧牲了高亮，這是靜態固定參數轉換器的固有局限。

因為下轉換是把HDR大動態范圍用一套固定參數轉換為小動態范圍，相當于把大鍋換成小鍋，原本放在HDR這口大鍋里的大蘋果不可能完整無損地放進SDR小鍋里，必須去掉一部分。所謂靜態固定參數，就是確定去掉大蘋果的某些固定部分，以便把大蘋果放進小鍋。

同屬“技術型”的動態自適應可變參數轉器換相當于傻瓜相機，無需復雜設置即可滿足HDR節目的下轉換需求。理想的智能處理引擎能夠實時分析每幀畫面亮度，用不同參數處理不同動態范圍的圖像，獲得最佳轉換結果。所謂動態可變參數，就是在不同場景去掉大蘋果的不同部分以便把大蘋果放進小鍋，只保留有價值的部分。

不過，目前智能處理引擎的性能還不完善，市場上幾乎所有同類產品都存在相同的問題：HDR畫面中沒有超亮景物時SDR輸出電平始終低于70-80%，只有出現超亮景物時才用70-80%以上的電平資源處理超亮信號，其結果是HDR超亮或超暗畫面下轉換質量好，正常曝光的圖像電平比固定參數轉換器低20%左右，導致下轉換后規范制作的畫面偏暗、沉悶。從主觀評價結果看，只要HDR圖像基本正常，用動態轉換器下轉換都能夠獲得無錯但并非優質的SDR圖像。

通過上述分析可以看到，靜態與動態轉換器的優缺點幾乎正好相反：靜態轉換器適合現場設備可控、制作規范的電視直播、錄播節目下轉換，而這正是目前動態轉換器的短板；動態轉器適合現場設備不可控、來源復雜、經過后期調色的錄播節目下轉換，這正是靜態轉換器的不足，兩者的優勢正好是對方的劣勢。從信息處理的策略上看，正確設置的靜態轉換器是保中間主體犧牲超亮和超暗，而動態轉換器則是保超亮和超暗，犧牲中間主體。

“藝術型”轉換器性能基于調色師的主觀感受，從使用者的角度看也相當于傻瓜相機，無需復雜設置即可滿足大部分HDR轉換需求。實際主觀評價的結果，其下轉換性能與動態轉換器相似，但更具個性化。

LUT轉換相當于專業單反相機的各種場景模式，無需復雜設置，只要根據說明選擇對應場景的LUT就能獲得相對優質的轉換結果。實際客觀測試和主觀評價結果證明，目前BBC提供的十幾種LUT性能都不錯，可以完成HDR上、下轉換，往返轉換，也可以與靜態、動態參數轉換器混合使用，既能滿足制作和播出的HDR轉換需求也簡化了操作，適合沒有HDR轉換經驗、需要規范HDR轉換流程的電視臺和制作公司使用。

綜上所述，三種不同類型的轉換器各有特點，適合不同需求。實際使用時，無論采用哪種類型的轉換方式，使用者都需要具備一定程度的專業知識。靜態固定參數轉換需要的HDR專業知識最多，LUT和動態自適應可變參數轉換需要的專業知識比較少。

問：絕對與相對亮度體系的差別是什么？ 

答：絕對亮度體系的顯示亮度只與信號電平有關，與顯示設備無關，用一條EOTF曲線就可以表達顯示設備的特性。當信號電平在顯示設備的發光能力范圍之內時，電平與顯示亮度呈現由EOTF定義的對應關系，當信號電平超過顯示設備的發光能力時，絕對亮度體系的表現是“寧折勿彎”，呈現硬削波的特性。對絕對亮度體系來說，顯示屏峰值亮度越高再現的動態范圍越大。

相對亮度體系的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，因此無法用一條EOTF曲線表達顯示設備的特性，因為峰值亮度不同時EOTF曲線也不一樣，不同的峰值亮度對應不同的曲線。無論顯示設備的峰值亮度高低，相對亮度體系都能再現信號電平的全部信息。因此，顯示屏峰值亮度的高低與再現的動態范圍無關。對相對亮度體系來說，需要更高顯示亮度的原因通常是因為環境亮度比較高。

絕對亮度體系需要兩個重要條件，首先是顯示設備可控，其次是觀看環境可控。在顯示設備和觀看環境嚴格可控的條件下，絕對亮度體系能夠獲得最高質量的HDR圖像，觀眾與導演、調色師看到的圖像差別不大。實際上具備這兩個條件的場所只有調色工作室和影院（包括放映室）。因此，可以說絕對亮度體系是為電影而生的。

絕對亮度體系的劣勢主要是資源利用率低。例如，1000尼特的PQ1000信號電平最高為75%，這就意味著對PQ1000來說信號電平（量化）資源利用率只有75%；如果顯示設備的峰值亮度高于信號電平亮度，例如，2000尼特監視器顯示PQ1000信號時顯示峰值亮度只有1000尼特，這時顯示屏的亮度資源利用率為50%，只有信號電平高于PQ2000（83%）時屏幕亮度資源的利用率才能達到100%。

BT.2100推薦的絕對亮度體系采用完全模擬人眼靈敏度特性的PQ伽瑪，與HLG相比PQ對動態范圍的壓縮、擴展比率更大，在暗部PQ電平的微小改變會使顯示亮度發生很大變化，這也是絕對亮度體系對顯示設備和觀看環境要求苛刻的主要原因之一。PQ對制作的要求也比HLG更高，幾乎所有采用PQ制作的節目都是調色師反復精心調整的結果，而不是電視的直播形態。

歸一化的PQ特性

歸一化的HLG特性

采用絕對亮度體系的HDR方案必須在播出碼流中同時傳輸元數據，其中的靜態元數據標識了制作監視器硬件性能和節目的平均、最高亮度，其目的是通知顯示設備與其適配；Dolby Vision則更進一步，用動態元數據控制顯示設備的方法優化顯示圖像質量。

雖然元數據能部分接管顯示設備的控制權，但用戶的觀看環境是不可控的，無法滿足絕對亮度體系需要的兩個重要條件，因此在顯示設備部分失控、觀看環境不可控的家庭電視機、手機或平板電腦上，絕對亮度體系的優勢無法完全發揮。

電視自誕生以來一直采用相對亮度體系，可以說相對亮度體系就是為電視而生的，大部分圖像顯示設備也都是相對亮度體系的。BT.2100推薦的相對亮度體系采用HLG伽瑪，與傳統電視的差別是引入了可變伽瑪。可變伽瑪對不同亮度顯示面板設置不同的伽瑪值，屏幕峰值亮度不同時可變伽瑪自動調整100尼特以下的平均亮度，減小了不同亮度屏幕顯示膚色時的亮度差別。

相對亮度體系的優勢是電平和亮度資源利用率高，對顯示設備和觀看環境的要求不像絕對亮度體系那么嚴格，劣勢是節目制作方對用戶端顯示設備是完全失控的，只能在標準監視器上判斷圖像質量，觀眾與導演、制作者看到的圖像可能有較大差別。

綜上所述，在諸如調色工作室、影院（放映室）等顯示設備和觀看環境嚴格可控的環境中，絕對亮度體系是最佳選擇，而在顯示設備和觀看環境不可控的環境中，引入了可變伽瑪的相對亮度體系更具優勢。對電視和移動終端等觀看環境復雜的顯示設備來說，合理的方案是對相對亮度體系進行優化，可以選擇讓顯示屏亮度像手機屏幕一樣隨環境光亮度自動變化以保持觀看舒適性，顯示屏亮度改變時系統自動適配不同的伽瑪值，以減小膚色亮度的變化范圍。

（未完待續）