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：除ITU-R BT.2390、2408介紹的轉換方法外，還有哪些類型的HDR轉換器產品？ 

第一類是以ITU相關技術文獻為基礎研發的產品，這類設備的轉換方法基于BT. 2087、2390、2407、2408、2446等文件推薦的OETF、EOTF、動態范圍、色域轉換法，以技術邏輯為主，藝術邏輯為輔。所有轉換都是計算的結果，所有計算都有理論依據，根據場景參考、顯示參考、色調映射、色域矩陣轉換的計算得到輸出，使用時需要根據需求設置正確的參數，是典型的工程師思維，可稱之為“技術型”。

在“技術型”的基礎上還可以增強或簡化。有些“技術型”轉換器增加了動態自適應能力，下轉換時可根據輸入的HDR圖像亮度自動調整電平映射關系，能夠適應比固定參數映射下轉換更寬的動態范圍，無需復雜的參數設置。有些轉換器則利用HLG與SDR的兼容性做了簡化，在HLG下轉換時OETF保持不變，只是把BT.2020色域轉換為BT.709色域，即只轉色域不轉伽瑪，就像用BT.2020色域的SDR監視器觀看HLG圖像一樣。在市場上，傳統廣電設備廠商提供的轉換器產品幾乎都是“技術型”的。

第二類是以人眼視覺感受為基礎研發的，轉換結果基于藝術家的體驗，從調色師的視角處理動態范圍、伽瑪和色域轉換，以藝術邏輯為主，技術邏輯為輔。具體方法是由調色專家對特定的伽瑪、動態范圍和色域的圖像進行調色，使其在目標監視器上呈現符合藝術要求的畫面，用藝術而不是技術邏輯實現轉換。這種轉換無需復雜設置，是典型的藝術家思維，可稱之為“藝術型”。

上述分類并不是絕對的，工程師與藝術家也并非完全對立，現實世界中既有懂技術的藝術家也有懂藝術的工程師，所以“技術型”的產品也會帶有藝術色彩，“藝術型”的產品也需要雄厚的技術基礎支撐。以典型的“技術型”產品代表HDRC-4000為例， AIR-MATCHING（Artistic Intent Render Matching，藝術意圖渲染匹配）關閉時其轉換完全按ITU相關文件推薦的標準計算，技術正確。打開AIR-MATCHING后除轉換增益差與標準HLG相差5dB外，還加入了設計者對畫面的藝術理解，使轉換后的圖像看起來更舒服、漂亮，但與理論計算的結果有差別，不是完全的技術正確。

無論“技術型”還是“藝術型”轉換，本質上都是依據技術或藝術規則對圖像信息進行的運算、處理，把運算、處理前后的數據用輸入與輸出關系查表的格式記錄下來就得到了LUT（Look-Up Table）文件。因此，LUT實際上是一個包含了多組參數和處理方法的轉換方案模型，融合了經驗豐富的工程師和藝術家對動態范圍、色域轉換的理解，是HDR轉換的第三類產品。支持LUT上載的轉換器可加載適合不同應用場景的LUT實現用戶需要的轉換，此時轉換器硬件只承擔了信號接口功能，轉換特性完全取決于加載的LUT。

一些知名的廣播電視運營商、調色設備供應商、調色工作室或調色師個人把適用于不同場景轉換需求的LUT作為商品出售，用戶購買后加載到自己的轉換器中就可以使用。從LUT提供方來看，廣播電視行業以BBC為代表，其研發部門經過大量測試和實踐后制作了多種LUT，適合不同的HDR轉換應用，目前的版本是V1.3.1。調色行業也制作了很多HDR轉換LUT，主要目的是培訓與經驗交流。從類別上看，BBC的LUT偏重于技術，調色師的LUT偏重于藝術。LUT的使用方主要是需要規范HDR轉換流程的電視臺、制作公司，以及缺少HDR轉換經驗的調色工作室、調色師。

問：HDR轉換，上轉換還是下轉換難度大？ 

答：首先需要說明中國與其它國家和地區對超高清、寬色域、HDR處理方式的差別。在中國的廣播電視標準與實踐中，色域和動態范圍是與分辨率綁定的，具體來說高清就是BT.709窄色域SDR，4K超高清就是BT.2020寬色域HDR。歐美日韓等地的廣播行業則不把分辨率、色域和動態范圍做組合綁定，高清不但有傳統的窄色域SDR，也可以用寬色域SDR和寬色域HDR；4K超高清有寬色域HDR，也有窄色域SDR。

為討論方便，本文忽略分辨率并把動態范圍和色域綁定，當討論SDR時默認窄色域，HDR默認寬色域，這樣，4K HDR與高清SDR互轉就簡化為HDR寬色域與SDR窄色域的互轉問題。與分辨率、幀率和圖像的數據量相關不同，動態范圍、色域與數據量無關，HDR寬色域與SDR窄色域使用的電平（量化）資源相同，不同動態范圍、不同色域的差別體現在兩者不同的電平與色域坐標系上，數據量完全相同。

廣播電視的主流制作信號與文件格式均為10比特4:2:2，可以把10比特4:2:2看作一個容器，傳統的SDR與新的HDR使用的都是這個容器。雖然容器相同，但相同電平（碼值）映射的亮度和彩色是不一樣的，如果把映射的色域和亮度結合成空間，那么坐標系不同時同一個容器映射的空間也不一樣，而相同的亮度和彩色在不同坐標系中其坐標值肯定不同。

SDR與HDR空間比較

上轉換就是把用SDR坐標系標定的視頻信號改為用HDR坐標系標定。由于SDR的空間小于HDR， SDR的所有亮度和彩色都在HDR空間內，所以上轉換是可逆的無損處理，不會損失亮度和彩色信息，但轉換后的坐標值會變小。例如，SDR轉換成HLG時，100%SDR電平應映射為75%HLG電平，這就像把小鍋里完整的小蘋果放進大鍋，蘋果不會受到損傷，如果把大鍋和蘋果等比例縮小，使大鍋的尺寸與小鍋相同，那么蘋果的尺寸就“變小”了。

與上轉換相反，下轉換是把用HDR坐標系標定的視頻信號改為用SDR坐標系標定。由于HDR的空間大于SDR，經過轉換后只有SDR空間內的亮度和彩色信息能夠保留，SDR空間之外的亮度和彩色信息會丟失，所以從信息量的角度來看下轉換是不可逆的有損處理。下轉換相當于把大鍋里完整的大蘋果放進小鍋，而蘋果比小鍋還大，所以不把大蘋果去掉一部分是不能放進小鍋的。不過，HDR下轉換至SDR時損失的都是SDR無法再現的亮度和彩色信息，從SDR顯示設備的角度來看并沒有損失什么。

下轉換是亮度和彩色信息減少的過程，因此必須謹慎處理超過SDR空間的亮度和彩色信息。以HLG下轉換SDR為例，75%HLG電平應映射為100%SDR電平，對超過75%HLG電平的信號有硬削波或軟削波兩種處理方法。硬削波損失了所有超過75%HLG的高光信息，軟削波在下轉換時也被稱為色調映射，用比較少的電平資源保留了部分高光信息，與攝像機的拐點處理相似。同樣地，BT.2020寬色域轉換為BT.709窄色域時也存在類似的問題，對超過BT.709色域的彩色信息也有硬削波或軟削波兩種處理方法，硬削波損失了寬色域的信息，軟削波用較少資源保留了部分寬色域信息。

綜上所述，從技術角度分析，HDR下轉換SDR的難度比SDR上轉換HDR的難度更大。

未完，待續