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：為什么有些文獻把PQ稱為顯示參考，HLG稱為場景參考？

把PQ稱為顯示參考（di s p l a y-referred）的原因，是PQ只定義了顯示設備的電-光轉換特性EOTF，因此PQ的EOTF曲線是唯一的，不變的，與設備無關。PQ OETF=PQ OOTF×PQ EOTF-1，為了與SDR兼容，ITU建議PQ OOTF與SDR OOTF相同，也是1.2。但SDR的峰值亮度100尼特，PQ最高峰值亮度10000尼特，需要把SDR OOTF的特性擴展到PQ HDR，擴展的計算方法詳見BT.2390第5-3-1節。如果改變了PQ的OOTF，則PQ的OETF是可變的，不是唯一的。例如，可以把PQ EOTF-1當作PQ OETF，這時PQ的OOTF=1， OETF與EOTF互為逆函數，顯示畫面的對比度和彩色飽和度與實際場景相同，而OOTF=1.2時顯示畫面的對比度與彩色飽和度都比實際場景高一些。其實refer也有以...為基準的意思，如果把display-referred翻譯成以“顯示為基準”可能更達意。

PQ只定義了EOTF，其OETF是PQ OOTF與PQ EOTF-1的乘積

把H LG稱為場景參考（Sc e n e Referred）的原因，是HLG只定義了拍攝設備的光-電轉換特性OETF，HLG的OETF曲線是唯一的，不變的，與設備無關。HLG EOTF=HLG OETF-1×HLG OOTF，為了與SDR兼容，ITU建議HLG OOTF與SDR OOTF相同，也是1.2。如果顯示設備的峰值亮度不同或改變了HLG的OOTF，則HLG的EOTF曲線是可變的，不是唯一的。

HLG只定義了OETF，其EOTF是HLG OETF-1與HLG OOTF的乘積

問： HDR制作需要注意哪些問題？

ITU推薦了PQ和HLG兩種HDR伽瑪，用這兩種伽瑪制作時需要注意的問題并不完全相同。在影視行業HLG主要用于電視制作，PQ既用于電視也用于電影制作。一般來說HLG節目既可能是拍（直播）出來的，也可能是做（調色）出來的，而PQ都是做（調色）出來的，不是拍（直播）出來的。

HLG

HLG與SDR的制播流程是相同的，其特點是既不產生也不傳輸元數據，顯示設備無法獲得節目源屬性信息實現自動設置、適配，因此HLG的制播流程是一種約定模式，必須事先約定拍攝、制作和顯示設備的性能才能正確再現畫面。

HLG制作、播出/分發流程

根據ITU的建議和影視行業慣例，直播HLG節目時攝像機伽瑪應設置為HLG OETF，制作監看或錄播調色監視器伽瑪HLG EOTF，峰值亮度1000尼特，伽瑪值1.2，量化電平為窄域（Narrow Range），色域BT.2020。接收端顯示設備的伽瑪必須是HL G EOTF，量化電平為窄域，峰值亮度可變，其伽瑪值應依據BT.2100的公式隨峰值亮度高低增減，色域BT.2020。

PQ

PQ與SDR的制作、播出流程差別比較大。幾乎所有PQ節目都是用非實時調色流程制作的，拍攝素材大多是線性（14或16比特）或對數（10或12比特）伽瑪記錄的原生（Native）色域原始數據（RAW），保留了成像器件能夠拾取的全部灰度和彩色信息，制作/調色空間使用比素材空間更大的32或更高比特線性伽瑪+ACES（或XYZ）色域，輸出和監看空間為PQ伽瑪+BT.2020（或DCI-P3）色域。

PQ制作、播出/分發流程

雖然ITU建議制作PQ時使用峰值亮度1000尼特的監視器，但實際上PQ制作/調色時監視器的峰值亮度有更多選擇，而且量化電平既可以用窄域（Narrow Range）也可以用全域（Full Range）。與HLG制作時只有HLG伽瑪+BT.2020色域一種組合相比，PQ制作時不同峰值亮度+不同色域+不同量化電平（全域/窄域）的組合比HLG多得多。

因此，為了能正確再現畫面，PQ制播流程采用了通知模式，制作、播出/分發用PQ制作的節目時必須產生并傳輸能夠準確描述調色監視器（顯示空間）性能的靜態元數據，使接收端顯示設備能獲得節目源屬性并自動控制顯示設備的設置與之適配。目前，產生靜態元數據的方式主要是制作者手工記錄、輸入，這就意味著如果記錄或輸入了錯誤的靜態元數據，或制作流程中傳輸/識別元數據錯誤都會導致終端顯示圖像異常。例如，很多設備在SDI的輔助數據或IP碼流、圖像文件中找不到元數據時會默認為最低格式如BT.709（甚至BT.601）色域、SDR伽瑪，如果實際色域是BT.2020、伽瑪是PQ，顯示圖像的彩色和亮度肯定會出現問題。

窄域(Narrow Range)與全域(Full Range)

用編碼值表達Y'、R'G'B'、C'B、C'R電平的方式有窄域或全域兩種。以10比特量化為例，在窄域中代表黑色最低亮度的編碼值為64，代表白色最高亮度的編碼值為940；而在全域中則分別為0和1023 （文件存儲）或4和1019（SDI傳輸）。 HLG與SDR一樣只用窄域，而PQ既用窄域也用全域。

當信號源端與顯示端采用的電平表達方式相同時顯示設備能夠正確再現圖像，信號與顯示兩端采用不同的電平表達方式時，再現圖像的暗部和亮部就會出現“不黑不白”或“缺黑少白”的現象，如圖所示。例如，信號源端窄域、顯示端全域時不能顯示純黑，原有的黑色暗部顯示為暗灰，而且原有的高光不夠亮。為電視播出制作的節目電平都是窄域，這些圖像在電腦、平板、手機終端上顯示時如果沒有把窄域電平映射成全域就會出現圖中所示的現象。信號源端全域、顯示端窄域時純黑部分缺失，原有的暗部層次無法顯示，而且高亮部分缺失，原有的高光層次無法顯示。為電影、電腦、平板、手機等全域顯示設備制作的節目電平都是全域，這些圖像在電視機上顯示時如果沒有把全域電平映射成窄域就會出現圖中所示的現象。因此，采用PQ制作時必須在靜態元數據中傳輸電平表達方式才能確保正確再現圖像。

信號源端與顯示端電平表達方式不同時出現的問題

用LUT實現HDR與SDR轉換時同樣需要注意轉換器設置的電平表達問題。不同的LUT都是按其實際應用場景設計的，這些與設備相關的場景包括了全域與窄域設置，LUT文件只是輸入與輸出電平（編碼值）的映射關系，實際輸入輸出電平是由加載LUT轉換器的接口設置確定的。假設某LUT是基于窄域電平設計的，如果轉換器設置為全域就會出現問題。

例如，OBS提供了3個用于不同場景的LUT，每個LUT都有TYPE A和TYPE B兩個版本，TYPE A用于轉換器窄域設置，TYPE B用于全域設置，如果加載了TYPE A文件但轉換器設置為全域，其轉換特性就會與同樣加載了TYPE A文件但設置為窄域的設備特性不同。不同廠商的轉換器只有在其電平表達設置與LUT設計相符的情況下才能確保獲得LUT設計者期望的特性。在設置正確的情況下，無論哪個廠商的轉換器產品加載相同LUT后性能是完全相同的。

BBC根據不同的電平表達方式把LUT分為3類，TYPE I只處理窄域內的內容，即使輸入信號包括了窄域之外的內容也全部放棄，TYPE II處理全域內容但輸出HLG時壓縮為窄域，TYPE III也是處理全域內容，與TYPE II的差別是輸出不做電平縮放，而是用全域處理包括超黑和超白在內的所有窄域內容。因此，使用LUT前應仔細閱讀相關文檔并根據說明正確設置電平表達方式。有些轉換器的電平表達方式設置直接對應BBC的3種類型，例如，當這種轉換器設置為TYPE III時應加載OBS的TYPE A LUT。

問：什么是衍射極限（Diffraction Limit）？

像差是導致鏡頭MTF(Modulation Transfer Function，調制傳輸函數)下降的主要因素之一。因為存在像差，用鏡頭拍攝光點時成像不是光點，而是由光點暈散成的模糊光斑。理想的、能夠成像光點的鏡頭被稱為無像差鏡頭，然而，無像差鏡頭的成像也會有些模糊，這是衍射現象造成的。產生衍射的原因是光具有波的特性，雖然光一般是沿直線傳播的，但它具有像水面上的波浪一樣經過物體后轉向的特性，光的這種特性導致無像差鏡頭成像模糊，同樣會使鏡頭MTF下降。

光圈越小，衍射現象越明顯

實際的鏡頭產品都會存在殘余像差，像差與光圈大小成正比，鏡頭光圈越大（F值越小）像差造成的模糊區域越大。衍射的影響與光圈大小成反比，鏡頭光圈越小（F值越大）衍射造成的模糊區域越大。最大光圈時衍射產生的模糊區域很小，像差造成的模糊比衍射大得多，因此大光圈時衍射的影響可以忽略。鏡頭光圈從大逐漸縮小時像差也隨之減小，MTF增加，當光圈的F值縮小到大約5.6時像差降到最小，MTF達到最大值。繼續縮小光圈MTF不再上升而是開始下降，因為光圈越小衍射產生的模糊區域越大，所以小光圈時衍射造成的模糊比像差大得多，像差的影響可以忽略。由于衍射的影響鏡頭光學系統存在一個極限，無論像差減小到什么程度鏡頭的性能也無法提升，這就是衍射極限（Diffraction Limit）。

理論上無像差鏡頭MTF與光圈、成像器件尺寸、分辨率的關系

像差與鏡頭的設計、材料和制造工藝相關，因此不同品牌、類型、型號的鏡頭像差也不一樣，鏡頭質量越高像差越小。而衍射是一種光學現象，衍射極限是物理極限，只和光圈大小、像素尺寸相關，與鏡頭質量無關，是不能通過人工手段減小或消除的。目前高質量鏡頭的像差已經可以控制在很小的范圍，即使在最大光圈時像差對圖像質量的影響也比小光圈時衍射的影響小得多，因此高分辨率、小尺寸成像器件攝像機應盡可能使用大光圈，不要用小光圈拍攝，以避免衍射現象造成的圖像質量劣化。

從衍射的成因可以看到，除光圈外，成像器件的像素尺寸越小衍射的影響就越大。具體來說，成像器件尺寸相同時，分辨率越高衍射的影響越大，分辨率相同時，成像器件尺寸越小衍射的影響越大。例如，同樣是2/3英吋成像器件，4K分辨率時其像素面積只有高清分辨率的1/4，因此衍射對4K的影響比高清大的多，8K分辨率時像素面積只有高清的1/16，由于衍射的影響太大不適合應用于實際產品。同樣是8K分辨率， 1.25英吋成像器件的尺寸比S35小，衍射對1.25英吋攝像機的影響比S35更大。

成像器件尺寸比較

實際拍攝時縮小光圈就可以看到衍射的影響。光圈值小于某個臨界點時成像分辨率會急劇下降，因此拍攝時應配合使用ND中性密度灰片，始終保持光圈的F值大于臨界點。例如使用2/3英吋4K成像器件攝像機時光圈小于F/11圖像出現模糊，就像聚焦不準一樣，但無論怎樣調整焦距都無法使圖像清晰，必須開大光圈才能恢復清晰度。為避免衍射的影響，S35 8K攝像機拍攝時光圈值應始終大于F/13，2/3英吋4K攝像機大于F/11，1.25英吋8K攝像機大于F/8。

成像器件尺寸、分辨率、像素尺寸、像素密度、光圈值臨界點之間的關系