王亞明先生 本刊特約撰稿人   王亞明先生在廣播電視行業(yè)從業(yè)40年，具有深厚的專業(yè)技術(shù)背景，先后在業(yè)內(nèi)多家公司從事技術(shù)工作。1998年加入索尼，2003年至2019年5月?lián)嗡髂嶂袊?guó)專業(yè)系統(tǒng)集團(tuán)技術(shù)總監(jiān)，2019年6月?lián)斡钐锼髡\(chéng)科技股份有限公司技術(shù)總監(jiān)，一直站在廣電行業(yè)技術(shù)最前沿。

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問：HLG制作時(shí)如何處理超過100%電平的超白信號(hào)？

答：HLG與高清SDR一樣，信號(hào)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(bào)告明確說明，建議HLG制作時(shí)使用100%電平以上的超白區(qū)域以提高HLG的動(dòng)態(tài)范圍。因此，在HLG拍攝、制作和播出流程中，攝像機(jī)、制作和播出設(shè)備應(yīng)關(guān)閉HDR白削波（HDR WHITE CLIP），攝像機(jī)與轉(zhuǎn)換器的SDR輸出設(shè)置也應(yīng)關(guān)閉白削波，以充分利用信號(hào)電平資源。

即使在之后的鏈路中某些設(shè)備因某種原因暫時(shí)未支持超黑與超白區(qū)域的信號(hào)傳輸或顯示，攝像機(jī)使用超白電平資源也不會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量或系統(tǒng)運(yùn)行帶來負(fù)面影響。如果鏈路中全部設(shè)備都支持超白電平的傳輸和處理，HLG的動(dòng)態(tài)范圍可以在不增加成本的情況下提高近1倍。

問：HDR攝像機(jī)還有拐點(diǎn)處理嗎？

答：與標(biāo)清和高清SDR攝像機(jī)一樣，為了保留超過HDR的高亮度信息，HDR攝像機(jī)仍然有拐點(diǎn)處理。不過，由于PQ的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)大于攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)際上HDR攝像機(jī)的拐點(diǎn)只對(duì)HLG有意義，建議HLG拍攝時(shí)打開HDR拐點(diǎn)（HDR KNEE）。

問：為什么BT.2100里的PQ和HLG公式計(jì)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(dòng)態(tài)范圍比較，假設(shè)OOTF是線性的1（實(shí)際上是非線性的1.2），那么PQ OETF就是EOTF-1。根據(jù)該公式可以計(jì)算出，100%動(dòng)態(tài)范圍（100尼特）時(shí)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(jù)該公式可以計(jì)算出，100%動(dòng)態(tài)范圍（100尼特）時(shí)HLG的電平E’為50%，200%為66%，320%為75%，……700%為90%，1200%為100%。

根據(jù)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(dòng)態(tài)范圍對(duì)應(yīng)的電平為51%，51%以下的電平資源用于SDR內(nèi)容，51%以上的電平資源用于100-10000%高亮度的HDR內(nèi)容。

從HLG的OETF公式和曲線可以看到，以100%動(dòng)態(tài)范圍對(duì)應(yīng)的50%電平為分割點(diǎn)，HLG的OETF是由兩部分組成的：50%以下的電平資源用于SDR內(nèi)容，采用與SDR攝像機(jī)伽瑪相似的平方根函數(shù)，伽瑪值為0.5；50%以上的電平資源用于100-1200%高亮度的HDR內(nèi)容，采用自然對(duì)數(shù)函數(shù)。

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(nèi)容，與100%動(dòng)態(tài)范圍對(duì)應(yīng)的電平分別為51% PQ和50% HLG。在早期上市的HDR波形監(jiān)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(fā)布的BT.2408、BT.2390-3報(bào)告中，推薦的PQ與HLG 參考白電平值與BT.2100公式的計(jì)算值是有差別的。在BT.2408的表1中，漫反射白（100%動(dòng)態(tài)范圍）對(duì)應(yīng)的PQ與HLG電平不是BT.2100公式計(jì)算的51% PQ和50% HLG，而是58% PQ和75% HLG，因此漫反射白（100%動(dòng)態(tài)范圍）對(duì)應(yīng)的顯示亮度也不是BT.2100公式計(jì)算的100尼特，而是203尼特。

對(duì)比BT.2100公式的計(jì)算值，BT.2408的推薦值對(duì)PQ的EOTF^-1動(dòng)態(tài)范圍壓縮了2倍，原來對(duì)應(yīng)200%動(dòng)態(tài)范圍的58%電平在BT.2408的表1中代表100%動(dòng)態(tài)范圍；BT.2408的推薦值對(duì)HLG的OETF動(dòng)態(tài)范圍壓縮了3.2倍，原來對(duì)應(yīng)320%動(dòng)態(tài)范圍的75%電平在BT.2408的表1中代表100%動(dòng)態(tài)范圍。

BT.2408推薦的HDR參考白基準(zhǔn)電平

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

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

在HDR發(fā)展的初期，有些廠商的HLG產(chǎn)品參考白電平是50%HLG，BT.2408發(fā)布后參考白基準(zhǔn)電平統(tǒng)一為75%HLG。市場(chǎng)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(yè)對(duì)HDR的理論研究和制作實(shí)踐不斷深入，HLG50已經(jīng)退出了HDR的舞臺(tái)。

PQ OETF與PQ EOTF-1特性比較

上述分析和計(jì)算基于一個(gè)假設(shè)，即PQ OOTF是線性的1，計(jì)算使用的“PQ OETF”實(shí)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(dòng)態(tài)范圍比較。根據(jù)BT.2100標(biāo)準(zhǔn)，PQ EOTF應(yīng)該包含PQ的OOTF，與PQ的OETF并不是互逆的關(guān)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(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍從200%提高到了305%，相應(yīng)地，根據(jù)BT.2408推薦值，需要對(duì)PQ的OETF動(dòng)態(tài)范圍壓縮3倍，使58%PQ OETF電平對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍為100%，如下圖所示。

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

由于PQ OOTF是非線性的，顯示光與場(chǎng)景光之間并不是等比例的線性關(guān)系，因此從PQ EOTF^-1也就是顯示的角度看BT.2408推薦值對(duì)PQ的動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)范圍被壓縮了3倍，降低到了3300%。

與HLG不同，除HDR轉(zhuǎn)換外，在實(shí)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(xiàn)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(zhì)上都屬于非實(shí)時(shí)的“所見非所得”制作流程，幾乎沒有直播拍攝的應(yīng)用，觀眾看到的畫面是調(diào)色師后期調(diào)整的結(jié)果，而不是攝像機(jī)用PQ OETF直接拍攝的，因此定義顯示設(shè)備的特性就夠了。

BT.2408和BT.2390報(bào)告從實(shí)用的操作層面對(duì)PQ和HLG參考白基準(zhǔn)電平進(jìn)行了調(diào)整，個(gè)人認(rèn)為原因如下。

首先，增加了SDR內(nèi)容的電平資源。在BT.2100的HDR公式計(jì)算值中，SDR與HDR內(nèi)容各占電平（量化）資源的一半，只有50%電平資源用于100%動(dòng)態(tài)范圍以下的SDR內(nèi)容。10比特量化時(shí)可用的灰階數(shù)量為1024個(gè)，采用窄域表示法時(shí)只有876個(gè)灰階可用，HDR內(nèi)容占用一半后SDR可用的灰階數(shù)量只有438個(gè)。在HDR信號(hào)中，主要信息都集中在SDR內(nèi)容里，BT.2408的推薦值增加了SDR內(nèi)容的電平（量化）資源，特別是HLG調(diào)整后SDR內(nèi)容的量化資源比計(jì)算值增加了25%，雖然降低了動(dòng)態(tài)范圍，但從整體看有助于改善HDR圖像的綜合質(zhì)量。

峰值亮度1000尼特時(shí)PQ和HLG的EOTF比較

其次，提高了HDR圖像中SDR內(nèi)容以及SDR上轉(zhuǎn)換內(nèi)容的亮度。在HDR圖像中，以參考白亮度為分界點(diǎn)，低于參考白亮度的內(nèi)容與SDR圖像完全一樣，根據(jù)BT.2100的計(jì)算值在HDR監(jiān)視器上參考白亮度為100尼特。此外，制作HDR節(jié)目時(shí)可能會(huì)使用一些SDR素材，把SDR上轉(zhuǎn)換成HDR時(shí)，依據(jù)BT.2100的計(jì)算值SDR峰值白映射到HDR信號(hào)的50%電平，在1000尼特HDR監(jiān)視器上SDR峰值白顯示亮度也是100尼特。實(shí)際上新型LCD高清電視機(jī)的顯示亮度比專業(yè)監(jiān)視器高得多，其峰值亮度大多在200尼特以上，而依據(jù)BT.2100的計(jì)算值HDR圖像中的SDR內(nèi)容以及上轉(zhuǎn)換的SDR內(nèi)容在HDR監(jiān)視器上最高顯示亮度只有100尼特，比現(xiàn)有的高清電視機(jī)暗得多。采用BT.2408的參考白基準(zhǔn)電平推薦值后，HDR圖像中的SDR內(nèi)容以及上轉(zhuǎn)換的SDR內(nèi)容最高亮度達(dá)到了203尼特，與新型的高清電視機(jī)相當(dāng)。

第三，建立了PQ與HLG的1000尼特峰值亮度轉(zhuǎn)換橋接點(diǎn)。PQ采用絕對(duì)亮度體系，顯示亮度只與信號(hào)電平有關(guān)，與顯示設(shè)備峰值亮度無關(guān)，顯示設(shè)備峰值亮度不同時(shí)，峰值亮度以下的圖像內(nèi)容不受影響。HLG采用與高清一樣的相對(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)備的峰值亮度有關(guān)，顯示設(shè)備峰值亮度不同時(shí)，顯示圖像的不同亮度層次都會(huì)受到影響。以BT.2408表1為例，監(jiān)視器峰值亮度不同時(shí)，除了與峰值亮度相近的最亮灰階外，PQ監(jiān)視器顯示的其它灰階亮度沒有變化，而HLG監(jiān)視器顯示的不同灰階亮度就會(huì)與表1不同。采用BT.2408的參考白基準(zhǔn)電平推薦值后，在峰值亮度1000尼特HDR監(jiān)視器上，PQ與HLG顯示不同反射率的灰階時(shí)亮度完全相同，為PQ與HLG圖像的互轉(zhuǎn)建立了橋接點(diǎn)（Bridge point），有助于控制HDR轉(zhuǎn)換的圖像質(zhì)量。

綜上所述，與BT.2100計(jì)算值相比，雖然BT.2408和BT.2390-3的參考白基準(zhǔn)電平推薦值降低了HDR的動(dòng)態(tài)范圍，但規(guī)范了HDR制作電平，提高了HDR圖像的綜合質(zhì)量，使SDR內(nèi)容的亮度與高清電視機(jī)更接近，并為1000尼特峰值亮度的PQ與HLG互轉(zhuǎn)建立了橋接點(diǎn)，因此具有更強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。

未完，待續(xù)