問(wèn)：什么是DCI放映機(jī)顯示伽瑪？

答：DCI（數(shù)字影院倡導(dǎo)聯(lián)盟）是好萊塢幾大電影制作、發(fā)行公司為推動(dòng)電影放映數(shù)字化成立的公司。為規(guī)范數(shù)字電影放映市場(chǎng)，DCI制定了數(shù)字母版（DCDM）、發(fā)行拷貝（DCP）和放映機(jī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，沿用了膠片電影的48尼特放映亮度和發(fā)行放映拷貝的伽瑪值2.6。影院的黑暗環(huán)境、大尺寸放映銀幕和觀眾注意力的高度集中需要顯示圖像有更高的量化精度，因此DCI的數(shù)字母版、發(fā)行拷貝和放映機(jī)都采用了RGB 12比特量化。與DCI顯示伽瑪配合使用的是DCI-P3色域，目前市場(chǎng)上發(fā)行的電影幾乎都是用DCI顯示伽瑪和P3色域制作的。

不過(guò)，數(shù)字電影的制作流程與膠片電影、電視不同，與顯示伽瑪匹配的對(duì)數(shù)特性拍攝伽瑪并不是在前期拍攝時(shí)定義的，而是在后期調(diào)色和數(shù)字母版制作時(shí)基于DCI顯示伽瑪?shù)奶匦裕烧{(diào)色師、導(dǎo)演、視覺(jué)總監(jiān)控制顯示畫(huà)面效果實(shí)現(xiàn)的。因此DCI只定義了放映機(jī)的顯示伽瑪，不像電視那樣還需要定義拍攝伽瑪。

問(wèn)：電視與電影對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的表達(dá)方式有什么差別？

答：由于歷史原因，電視與電影行業(yè)采用不同的方式表達(dá)動(dòng)態(tài)范圍。首先是用詞不同，電視用動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic Range），電影用寬容度（Latitude）。其次是基準(zhǔn)不同，SDR電視時(shí)代行業(yè)慣例是以90%反射率白為基準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)范圍用百分比表示，是相對(duì)概念，電影以18%反射率灰為基準(zhǔn)，寬容度用光圈檔數(shù)表示，是絕對(duì)概念，兩者的詳細(xì)比較和換算見(jiàn)下表。

電視與電影動(dòng)態(tài)范圍表達(dá)方式比較

問(wèn)：SDR攝像機(jī)的伽瑪特性與理論值有什么差別？

答：理論上，用百分比計(jì)量視頻信號(hào)電平時(shí)，100%電平代表100% SDR動(dòng)態(tài)范圍。SDR時(shí)代并未定義測(cè)試攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍使用的測(cè)試卡類型，行業(yè)慣例是拍攝包括90%反射率白在內(nèi)的灰階卡，調(diào)整曝光量使90%反射率白的輸出電平為100%（700mVp-p），對(duì)應(yīng)亮度信號(hào)的100%動(dòng)態(tài)范圍，在監(jiān)視器上顯示100尼特峰值白亮度。這就意味著如果完全按理論值處理，SDR攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍只有100%，沒(méi)有電平和亮度資源表現(xiàn)超過(guò)100%動(dòng)態(tài)范圍的高光。

對(duì)傳輸來(lái)說(shuō)電平是資源，100%電平是上限，對(duì)顯示來(lái)說(shuō)亮度是資源，100尼特是上限，100%電平對(duì)應(yīng)100尼特亮度。電視只能再現(xiàn)100%動(dòng)態(tài)范圍當(dāng)然是不夠的，比照膠片電影，在有限的電平和亮度資源范圍內(nèi)，電視系統(tǒng)希望能夠再現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍是300-600%，即能夠再現(xiàn)超過(guò)測(cè)試白卡3至6倍亮度的灰度層次。

受限于電視信號(hào)的幅度和顯像管亮度，只能在這個(gè)有限的范圍內(nèi)再現(xiàn)大于100%的動(dòng)態(tài)范圍。SDR電視處理這個(gè)問(wèn)題的方法是拐點(diǎn)，即用90%左右的大部分信號(hào)電平表現(xiàn)100%動(dòng)態(tài)范圍以內(nèi)的灰度層次以正確再現(xiàn)人臉面部或拍攝對(duì)象主體，剩余10%左右的少量電平表現(xiàn)100-600%動(dòng)態(tài)范圍的高光層次，使其被拐點(diǎn)壓縮在很小的電平和亮度范圍內(nèi)。

模擬電視發(fā)射機(jī)對(duì)信號(hào)電平有嚴(yán)格要求，電視信號(hào)電平不允許超過(guò)1Vp-p，否則發(fā)射機(jī)就會(huì)面臨過(guò)載的風(fēng)險(xiǎn)。為了在輸出電平不超限的情況下提高動(dòng)態(tài)范圍，攝像機(jī)都采用了這種伽瑪+拐點(diǎn)的處理方式。因此，在模擬電視時(shí)代攝像機(jī)的伽瑪特性與理論值略有不同。

SDR攝像機(jī)的實(shí)際伽瑪特性

SDR攝像機(jī)伽瑪對(duì)亮度動(dòng)態(tài)范圍的壓縮和擴(kuò)展

SDR攝像機(jī)分配給高亮度部分的電平資源只有10%左右，由于顯示伽瑪?shù)姆蔷€性指數(shù)特性，位于高電平端的10%電平對(duì)應(yīng)的亮度資源接近20%，但對(duì)于100-600%的亮度動(dòng)態(tài)范圍來(lái)說(shuō)亮度資源仍然非常有限。在實(shí)際的產(chǎn)品上不同攝像機(jī)廠商對(duì)拐點(diǎn)的處理并不相同，廣播級(jí)攝像機(jī)允許用戶在一定范圍內(nèi)對(duì)拐點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，所以10%電平只是個(gè)大致的范圍。

綜上所述，SDR電視必須用大部分電平和亮度資源再現(xiàn)人臉面部或拍攝對(duì)象主體，用拐點(diǎn)給高亮度區(qū)域分配較少的電平和亮度資源，實(shí)際上膠片電影對(duì)畫(huà)面中高亮度部分的處理也是這樣的。

柯達(dá)底片與放映拷貝感光特性

上圖是柯達(dá)底片和放映拷貝的感光特性，分別對(duì)應(yīng)拍攝和顯示。因?yàn)閳D中坐標(biāo)軸是對(duì)數(shù)坐標(biāo)，而且膠片密度越低放映亮度越高，所以曲線形狀看起來(lái)與電視伽瑪不太一樣，但從右圖仍然可以看到，放映拷貝在高亮度區(qū)域?qū)?dòng)態(tài)范圍的壓縮處理與攝像機(jī)的拐點(diǎn)幾乎是一樣的，只不過(guò)膠片電影是在放映拷貝上對(duì)高亮度區(qū)域進(jìn)行了壓縮，而電視是在拍攝時(shí)處理的。

電視技術(shù)從模擬過(guò)渡到數(shù)字后在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)兩種信號(hào)形態(tài)是并存的，因此必須考慮模擬與數(shù)字信號(hào)互轉(zhuǎn)時(shí)的誤差問(wèn)題。電視行業(yè)制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)量化電平采用了有限域（Limited range，或稱為窄域Narrow range），為用數(shù)字信息表達(dá)模擬電視信號(hào)電平保留了適當(dāng)?shù)挠嗔俊Ｓ邢抻驗(yàn)?ldquo;比黑還黑”的低電平預(yù)留了7%余量，為“比白還白”的高電平預(yù)留了9%余量，實(shí)際可用的電平范圍是-7%至109%。

量化值與電平的關(guān)系

模擬電視信號(hào)的峰-峰值為1V，其中同步占0.3V，視頻0.7V（700mV）。為了從全電視信號(hào)中正確分離出同步信號(hào)，必須把視頻信號(hào)保持在黑電平（0mV，0%）以上；為防止電視發(fā)射機(jī)過(guò)載，視頻信號(hào)電平必須被嚴(yán)格限制在峰值白（700mV，100%）以下，低于0電平的超黑和高于700mV（100%）的超白都是禁止使用的，視頻信號(hào)對(duì)量化資源的利用率為86%。

數(shù)字傳輸不存在信號(hào)電平超限引起的電視發(fā)射機(jī)過(guò)載問(wèn)題，隨著模擬標(biāo)清電視廣播逐步關(guān)停，完全數(shù)字化的高清電視制作和播出不再禁止使用超黑與超白區(qū)域的電平資源。由于顯示技術(shù)的發(fā)展，在監(jiān)視器上高于100尼特的亮度資源也是可用的。因此，標(biāo)清時(shí)代攝像機(jī)默認(rèn)的拐點(diǎn)處理范圍大約為90-100%，高清攝像機(jī)則提高到了98-109%。如果不考慮拐點(diǎn)部分，現(xiàn)代SDR攝像機(jī)的伽瑪特性與理論值幾乎是一樣的。

問(wèn)：ITU定義的兩種HDR伽瑪有什么差別？

答：ITU-R BT.2100定義了兩種用于高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）電視的伽瑪，感知量化（PQ）定義了EOTF，混合對(duì)數(shù)伽瑪（HLG）定義了OETF。ITU建議，目前制作這兩種伽瑪?shù)腍DR節(jié)目時(shí)使用峰值亮度1000尼特的監(jiān)視器。由于HDR的亮度范圍比SDR大得多，因此需要表達(dá)更多灰階的量化資源，制作和傳輸時(shí)8比特量化是不夠的，需要10-12比特。

PQ是杜比（Dolby）推薦的HDR伽瑪，其特性完全模擬了人眼靈敏度。PQ采用絕對(duì)亮度體系，顯示亮度只與信號(hào)電平有關(guān)，與設(shè)備無(wú)關(guān)，在任何峰值亮度的顯示屏上信號(hào)電平與顯示亮度都是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系：51%電平對(duì)應(yīng)100尼特，58%對(duì)應(yīng)203尼特，70%對(duì)應(yīng)600尼特，75%對(duì)應(yīng)1000尼特，83%對(duì)應(yīng)2000尼特，89%對(duì)應(yīng)4000尼特，100%對(duì)應(yīng)10000尼特。

PQ電視機(jī)亮度低于制作母版時(shí)不能顯示母版中高于電視機(jī)亮度的灰度層次

用1000尼特監(jiān)視器制作的PQ HDR母版稱為PQ1000，2000尼特監(jiān)視器制作的稱為PQ2000，其余以此類推。與此對(duì)應(yīng)，PQ1000的最高電平為75%，PQ2000的最高電平為83%，其余以此類推。電視機(jī)的峰值亮度低于制作母版，也就是信號(hào)電平的亮度超過(guò)顯示屏峰值亮度時(shí)一般處理方式是硬削波，也可以采用Roll off（滾降，類似于攝像機(jī)拐點(diǎn)）之類的軟削波處理方式，保留部分高亮信息，而高于制作母版峰值亮度的電視機(jī)只能顯示與母版相同的最高亮度。

因此，采用PQ制作HDR節(jié)目時(shí)，監(jiān)視器的亮度越高制作出的HDR母版亮度越高，如果節(jié)目母版是用高亮度監(jiān)視器制作的，電視機(jī)的亮度越高，能夠顯示HDR節(jié)目中高亮度層次和彩色的內(nèi)容就越多。由于PQ對(duì)顯示設(shè)備精度要求很高，必須在播出碼流中加入表達(dá)制作監(jiān)視器硬件性能以及節(jié)目亮度等信息的元數(shù)據(jù)，構(gòu)成完善的HDR方案才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

PQ電視機(jī)亮度高于制作母版時(shí)只能顯示與母版相同的最高亮度

HLG是BBC和NHK推薦的HDR伽瑪，其OETF曲線50%以下電平部分與現(xiàn)有SDR攝像機(jī)伽瑪幾乎是一樣的，50%以上為對(duì)數(shù)伽瑪，是兩種伽瑪?shù)幕旌希@也是HLG混合對(duì)數(shù)伽瑪名稱的由來(lái)。HLG采用與傳統(tǒng)電視一樣的相對(duì)亮度體系，顯示亮度不但與信號(hào)電平有關(guān)，還與顯示設(shè)備有關(guān)，信號(hào)的最高電平對(duì)應(yīng)顯示設(shè)備的最高亮度。

從HDR的角度看，可以認(rèn)為SDR攝像機(jī)拐點(diǎn)處理的高亮度內(nèi)容就是“HDR”，只不過(guò)SDR電視分配給拐點(diǎn)的電平和亮度資源比HDR電視少得多。換言之，可以把HLG伽瑪曲線高于100%動(dòng)態(tài)范圍的HDR部分看作是SDR電視拐點(diǎn)的升級(jí)和擴(kuò)展。HLG在兼容現(xiàn)有SDR電視的基礎(chǔ)上提升了動(dòng)態(tài)范圍，無(wú)需元數(shù)據(jù)，與現(xiàn)有的SDR電視制作流程相似，因此更適合廣播電視行業(yè)應(yīng)用。

SDR（BT.709）與HDR（PQ/HLG）的OETF比較

從不同伽瑪?shù)腛ETF曲線可以看到，在SDR和HDR電視體系中，以100%動(dòng)態(tài)范圍為分界點(diǎn)，低于100%動(dòng)態(tài)范圍的是SDR內(nèi)容，高于100%動(dòng)態(tài)范圍的是HDR內(nèi)容；以58% PQ或75% HLG電平為分界點(diǎn)，低于58% PQ 或75% HLG電平的是SDR內(nèi)容，高于58% PQ或75% HLG電平的是HDR內(nèi)容。

SDR電視用于SDR內(nèi)容拍攝的電平資源為98%，HDR為11%，只占可用電平資源的10%；PQ和HLG用于SDR的電平資源分別為58%和75%，只是SDR電視的60-70%左右，而用于HDR的電平則占可用資源的30-40%，是SDR電視的3-4倍。

從不同顯示峰值亮度時(shí)PQ與HLG的EOTF特性可以看到，由于PQ采用絕對(duì)亮度體系，其EOTF曲線是唯一的，顯示設(shè)備峰值亮度不同時(shí)在PQ曲線上只是改變了上截止點(diǎn)的位置，而采用相對(duì)亮度體系的HLG則分別表現(xiàn)為不同的EOTF曲線，因此HLG定義了OETF而不是EOTF，因?yàn)镠LG的EOTF曲線不是唯一的。

在不同峰值亮度的監(jiān)視器上，58% PQ電平對(duì)應(yīng)的HDR參考白亮度都是203尼特，而75% HLG電平對(duì)應(yīng)的HDR參考白在不同峰值亮度監(jiān)視器上是不一樣的，1000、800、600和400尼特監(jiān)視器顯示的HDR參考白亮度分別為203、172、138和101尼特，這就是絕對(duì)亮度與相對(duì)亮度體系的差別。

不同峰值亮度時(shí)PQ與HLG的EOTF特性

在亮度資源方面，SDR電視分配給HDR的資源不到20%，而HDR電視的大部分資源都用于HDR。絕對(duì)亮度體系的PQ用于SDR的亮度資源是固定不變的203尼特，顯示峰值亮度越高HDR比例越大；而無(wú)論顯示峰值亮度高低，HLG用于HDR（75%電平以上）的亮度資源都是75-80%左右，這也是絕對(duì)亮度與相對(duì)亮度體系的差別。

雖然ITU只定義了PQ和HLG兩種HDR電視伽瑪，但從技術(shù)角度來(lái)看，所有類型的非線性對(duì)數(shù)和指數(shù)伽瑪都可以用于HDR拍攝、制作和顯示。

問(wèn)：HLG可變伽瑪?shù)淖饔檬鞘裁矗?/strong>