隨著廣電業轉向4K UHD廣播，大量話題圍繞著如何最好地傳輸和顯示4K信號，因此在第一代4K顯示屏上極為重視高動態范圍（HDR）能力。HDR歸根結底是為了增加圖像的亮度范圍以增大最白和最黑成分之間的對比度。不過，此等式的前端（從獲得有最大動態范圍的圖像然后整個環節一直保持它不變）也在發展。確實，由于UHD的出現，針對各種廣播應用（特別是直播）的圖像采集正出現各種變化和新思考，其中包括如何以最佳方式采集，藝術地利用，然后最大限度地增加更大動態范圍的效果；如何以最佳方式將更高動態范圍能力與其它UHD改進相結合，包括更廣色域、更高幀率、新掃描格式及其它考量。
按照草谷公司攝像機研發副總裁彼得·森藤的觀點，這顯示媒體技術開發運作模式的一個根本性變化。
“上世紀90年代初，我們有了我們第一款HDTV（廣播）攝像機，而全世界還是標清，采用NTSC和PAL制式”森藤表示，“當時我們都在討論4 x 3對比16 x 9，但此領域沒有在一夜之間發生變化。為使16 x 9寬高比HD播出至少有一些啟動花費了10-15年的時間。”
“現在，我們突然有了4K，主要原因是顯示屏廠商看到對HD顯示屏的需求降低，而對他們來說，向前邁出的最容易的一步是‘復制和粘貼’更多的像素，因為如果你做四象限的HD，你就有了UHD。另一個選擇是把更高動態范圍（HDR）置入HD顯示屏，但顯示屏廠商并不容易做到，因為這意味著他們必須采取措施，由顯示屏里頭得到更多的光。依我看來，依據人眼清晰度感知，如果他們當初這樣做了，人們會感覺這些顯示屏的對比度像我們現在所稱的4K的對比度，即使它還是HD而非UHD。”
“現在，你看到人們希望在一年內完成這些變化，但跟上很難。這符合我們當前所處的社會——事物更個性化，人們希望一切都更直接。我們已從一個緩慢變化的世界走向一個快速變化的技術世界。”
不過，具體到廣播攝像機成像系統內的HDR，這種情形在某種意義下已經完全改變。理由是長期以來，來自主要廠商的高端HD廣播攝像機系統已經能夠支持更高動態范圍，但HD顯示屏那時不能處理它，”他表示，“在過去，屏幕光輸出有限，一開始是100尼特，后來是200或400尼特左右，但最大亮度始終有限。就因為如此，觀眾看有限亮度的顯示屏，對圖像感到滿意，背后的原因是內容創作者以這樣一種方式調整了他們的攝像機，或者在后期由調色師進行了調整，使觀眾對那些顯示屏感到滿意，保證黑色、最亮和中等亮度正確。”
目前，在動態范圍領域，新UHD顯示屏可以有更多能力。森藤說：“內容創作者清楚新型2/3英寸CMOS成像器有很大的光度余量，它與CCD傳感器不同，前者能夠超出1000尼特。CMOS成像器能夠獲得更高像素數和更高幀率，但依然有很好的信雜比和很好的靈敏度，使圖像賞心悅目。由于我們有支持至少1000尼特的4K顯示屏，有時4000尼特，有些甚至于達到10000尼特，我們能夠更好地支持那些顯示屏，不用限制我們的圖像的能力。因此，成像器廠家正在煞費苦心保證他們的攝像機能夠獲得可與這些新顯示屏相配的動態范圍。對直播來說，這特別重要，因為你可拍攝圖像并直接播出，前提是你有傳輸它的手段。當然，在電影應用中，他們記錄全部色彩深度，然后到后期，以他們希望有的各種方式制備材料，期間他們總是有一個存儲階段和延遲階段。但對于直播應用，我們必須實時解決色彩和亮度如何產生、色彩空間看上去像什么以及該色彩應如何在我們的成像器映射到UHD顯示屏的問題。”
因此攝像機廠家發展了傳感器和相應的軟件，確保他們的系統不僅能夠解決彩色在標準的Rec. 709視頻彩色空間如何生成的問題（通過森藤稱為恰當伽瑪定義的非線性曲線——它補償顯示屏內的非線性曲線，以及增加的傳遞曲線或加在較高曝光量的伽瑪曲線拐點，處理高亮度），而且能夠解決在適用于UHD圖像的更廣的標準彩色空間（Rec. 2020）他們如何完成同樣的事情的問題。
“與Rec. 709相比，在攝像機內做Rec. 2020基本上意味著你有更亮的彩色，”他說，“因此它更飽和，令看的人更賞心悅目，并且對演播室環境內的人工照明提供更多可能性，不會產生偽彩色。但提醒一下，當某些攝像機工作于Rec. 709，而另一些工作于Rec. 2020時，在Rec. 709外和Rec. 2020內使用人工照明將引起問題。當前，就此話題有一個由BBC共享的EBU工作組。”
森藤指出，近年來，開發了新電光傳遞函數，允許系統以人眼和人腦能夠理解的方式且盡可能少的數據丟失，把光數據轉換為更高動態范圍亮度的數字呈現。例如，杜比開發了其所謂的PQ曲線或感知量化器，它后來演變為適用于HDR顯示屏的SMPTE動態范圍電光傳遞函數ST 2084，實現比傳統伽瑪曲線更廣范圍的亮度值，同時最大限度減少對現代10b或12b顯示屏的曲線影響。
然后，BBC和NHK聯合開發了另一種稱為混合對數伽瑪（HLG）的方式，它被日本電波產業協會（ARIB）標準化為ARIB STD-B67。這種方式根據預期的動態范圍和峰值白色參考值，假定一個相對亮度值，并且能夠作為一種圖形采集曲線。
森藤稱此方式為“在廣播中如何確定伽瑪曲線和如何確定拐點以及如何認定此曲線需要調整以便一方面支持標準動態范圍，另一方面又支持更高動態范圍顯示屏上的HDR之間的一座橋梁。但該曲線不是為考慮最大對比度范圍的最小數量的代碼值優化的。”這意味著與ST 2084相比，該函數獲得稍窄的動態范圍。
現在這兩種方式被杜比、BBC和NHK聯合制定為一個向ITU的HDR標準建議。
森藤說，不過，攝像機廠家認為他們的廣播成像系統原則上必須支持所有這些方案，因而用戶在采集時能夠創造性地選擇他們想要的任何曲線，然后能夠告訴播出鏈內所有系統單元他們采用了什么曲線以及你為此所做的彩色校正方式。
當然，考慮到技術與內容制作者創造性平衡的復雜性，有更多的工作要做，原因是電影制作者和廣播機構越來越有創造性地試驗比標準解釋所計劃的更多的東西。森藤表示，因此，在拍攝的圖像和內容創作者希望向4K監視器映射其亮度及其它特征方式之間將始終沒有一對一的對應性。
“從藝術上，或從觀眾體驗的角度來看，光輸入和光輸出之間沒有完全線性的一對一對應性可能更好，”他解釋道，“因此，無論你設置攝像機為PQ還是HLG，你的攝像機內可能依然需要一條額外的曲線，以實現藝術意圖。攝像機需要增加光傳遞曲線，以便你能夠進一步滿足這些特性方面（前端上）的藝術意圖。攝像機內有一條附加曲線的另一個理由是當你去到黑色區域，在小屏幕上使用PQ和HLG，一點噪聲都可能放大很大。這些針對高動態范圍的空間曲線之差分增益可能導致比期望的更大的差分增益，而你必須有稍做修改的能力。”
不過，現代廣播攝像機不僅必須拍攝和支持更高動態范圍以及其它這些改進的圖像特性，它還必須能夠被高效納入森藤所稱的“新傳輸鏈”以便拍攝后一路向后播出有更好動態范圍的UHD廣播圖像，因此拍攝的內容被正確地發送到觀眾的4K顯示屏，差錯盡可能少，體現內容創作者的預期目標。這樣一來，他說廠家必須考慮的另一個重要特性是要適應Dolby Vision UHD標準之基礎的新彩色空間。該格式被稱為ITP-PQ。ITP-PQ本質上是與傳統的YCbCr彩色空間不同的新色差公式，它基于人眼視網膜的LMS（長—中—短）視錐彩色響應。
森藤補充說其它方案的重點在彩色空間轉換方面。他特別指出在IBC 2014的一次演講中，概括了某些關于與HDR結合時如何得到最佳彩色性能的結論，此演講的題目是“在HD和UHD中部署廣色域和高動態范圍”。
森藤表示，總體思路是減少你發送來自攝像機的圖像到廣播鏈時傳輸信號內的差錯量，包括高動態范圍曲線內的差錯。
“輸出以你的成像器的輸出信號為基礎，該信號然后進入傳輸鏈，”他說，“這就意味著信號內有某種光放大，并有色度信號、色差（YCbCr）——這是標準動態范圍的標清，可能引入誤差到傳輸過程中。這些誤差在過去你一般看不到，原因是典型的顯示屏僅僅達到100尼特。但如果你到較大的幅度（使用4K顯示屏），那么你將發現這些小誤差本質上是可見的，因為系統光學倍增了它們。因此，為解決這個問題，我們在攝像機內增加了與Rec. 709有關的正常YCbCr和與Rec. 2020有關的正常YCbCr之間的轉換。它是一種你在其中選擇攝像機內LMS設置的新彩色空間，因此它將自動選擇ITP，所以最終結果是你將沒有假如你對一條常規的高動態范圍曲線只接受Rec. 2020和YCrCb會有的可見失真。它與改變色度和傳遞矩陣有關。”
森藤補充說因為新ATSC 3.0廣播標準的迫近，傳輸鏈問題現在特別重要。在測試此新標準期間，業界正在測試數據傳輸的各個方面，其中一個關鍵問題是4K/HDR內容可多大程度上得到調節和通過ATSC 3.0傳輸鏈。為此草谷的新4K攝像機LDX86等在發稿時被選定用于官方的ATSC 3.0測試。
森藤還指出，為幫助提高4K顯示屏上觀看的圖像內可見的動態范圍，有其它許多有效的選擇或正在準備中。正如有各種軟件技術提高內容分辨率到4K，他說有很多從SDR升級到HDR的技術。可轉換標準動態范圍材料，反之亦然。有不少公司正在研究此問題，在那方面一切皆有可能。
他說行業還有把更大的35mm電影式樣成像器從電影領域移植到廣播電視領域的選擇，如2013年池上和阿萊推出HDK-97ARRI時的做法，本質上就是講一臺阿萊Alexa攝影機頭置于廣播攝像機身。不過，他說這種做法對某些應用有效，但對實景體育類應用無效。其理由是簡簡單單，攝影機全都要求大畫幅成像器，這意味著你總是有淺景深，它是你在電影里喜歡的。但對于有大量運動等的體育比賽直播，保持焦點是很困難的。而對于演播室運作或情景劇或連續劇，這些場合與電影場合更相容，它可能是一種令人感興趣的應用。
對此話題還有其它很多復雜問題必須得到解決。
（本文由SMPTE提供，謹此致謝）