4K HDR 制作系统进行 HD SDR制作流程介绍

本文从HDR 标准、兼容HDR/SDR 的工作流程、 SDR 优先制作流程、4K 移动外场系统的高清制作等方 面介绍了利用4K HDR 制作系统进行HD SDR 制作的 流程。

摘要


2018年10月1日,中央广播电视总台首个超高清电视频道“CCTV-4K”正式播出,这标志着4K超高清视频进入一个新的发展阶段。但目前总台还是以高清频道播出为主,很多4K HDR节目需要下变换到高清频道播出,因此,在进行4K节目高动态范围、宽色域制作的同时还要兼顾高清节目标准动态范围、标准色域的制作,为确保4K超高清、高清电视节目符合技术质量规范要求,在2019年5月的北京国际电视技术研讨会上,中央广播电视总台发布了《中央广播电视总台HDR视频制作白皮书》。“HDR 白皮书”规定了中央广播电视总台4K超高清电视节目HDR视频前期采录、后期制作、节目包装等制作环节的主要技术参数要求。

一、HDR标准介绍

ITU-R(国际电信联盟)在2017年就发布了ITU-R BT.2100技术建议书,对高动态范围电视节目现场制作和节目交换中的图像质量参数做了建议。在建议书中,ITU-R对使用感知量化(PQ)或者混合对数伽玛(HLG)进行节目制作和节目交换的HDR-TV图像参数做了规范建议。感知量化(PQ)定义了EOTF,混合对数伽玛(HLG)定义了OETF,ITU建议目前制作这两种伽玛的HDR节目时使用峰值亮度1000尼特的监视器。

PQ是杜比推荐的HDR伽玛,其OETF曲线完全模拟人眼灵敏度,当亮度依照PQ曲线改变时人眼感受的亮度变化是线性的。PQ采用绝对亮度体系,显示亮度只与信号电平有关,与设备无关,由于PQ对显示设备精度要求很高,必须在播出码流中加入控制显示设备性能的元数据形成完善的HDR方案才能充分发挥其优势。

HLG是BBC和NHK推荐的HDR伽玛,其OETF曲线50%以下电平的部分与现有电视伽玛相似,50%以上为对数伽玛,是两种伽玛的混合,这也是HLG混合对数伽玛名称的由来。

HLG采用与现有电视一样的相对亮度体系,显示亮度不但与信号电平有关,还与显示设备有关,信号的最高电平对应显示设备的最高亮度。可以把HLG伽玛曲线高于100%动态范围的HDR部分看作是SDR电视拐点/斜率的升级和扩展。HLG在兼容现有SDR电视的基础上提升了动态范围,因此更适合广播电视行业应用。

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从图1中不同伽玛的OETF曲线可以看到,在SDR和HDR电视体系中,以100%动态范围为分界点,低于100%动态范围的是SDR内容,高于100%动态范围的是HDR内容。SDR电视用于SDR内容拍摄的电平资源为100%,HDR为9%,只占可用电平资源的8%(拐点起始点98%时HDR占用的电平资源为10%);

PQ和HLG用于SDR的电平资源分别为58%和75%,只是SDR电视的60%~70% 左右,而用于HDR的电平则占可用资源的30%~40%,比SDR电视的8%(或10%)多了几倍。

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图2是不同峰值显示亮度时PQ与HLG的EOTF特性。PQ采用绝对亮度体系,其EOTF曲线是唯一的,显示设备峰值亮度不同时在PQ曲线上只是改变了上截止点的位置,而采用相对亮度体系的HLG则分别表现为不同的EOTF曲线,因此HLG定义了OETF而不是EOTF,因为HLG的EOTF不是唯一的。

在不同峰值亮度的监视器上,58% PQ电平表现的SDR亮度都是203尼特,而75% HLG电平表现的SDR内容在不同峰值亮度监视器上是不一样的,1000尼特、800尼特、600尼特和400尼特监视器显示的SDR亮度分别为203尼特、172尼特、138尼特和101尼特,这就是绝对亮度与相对亮度体系的差别。

在亮度资源方面,SDR电视分配给HDR的资源不到20%,而HDR电视的大部分资源都用于HDR。绝对亮度体系的PQ用于SDR的亮度资源是固定不变的203尼特,显示峰值亮度越高HDR比例越大,相对亮度体系的HLG峰值亮度不同时,用于HDR的亮度资源大约是SDR的4至5倍,这也是绝对亮度与相对亮度体系的差别。

二、兼容HDR/SDR的工作流程

从摄像机开始到信号输出末端,使用完整并行的HDR和SDR信号处理工作流程一定是同时生成HDR和SDR的最简单方法。在完全并行制作的情况下,摄像机提供两个完全同步的输出信号,一个HDR和一个SDR。

在同步HDR和SDR制作工作流程中,摄像机镜头光圈设置为符合HDR信号要求输出,SDR增益用于将SDR输出控制到合适的指标范围。只要场景照明不会发生显著变化,就不需要更多地调整镜头光圈参数,并且HDR的输出信号范围在光线条件的适度变化过程中也会有很好的效果表现。相比之下,SDR并不具备更多的信号处理空间,因此需要制作人员更精确地调整灵敏度。

完全并行的工作流程中的挑战还包括同时处理HDR(由于较高的动态范围而调整简单)和SDR信号(由于动态范围有限而需要更多调整)的调光调像以及为两个完全并行的信号搭建完整的信号处理链路。这些要求都将转化为更复杂和昂贵的工作流程。

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另一种相对于完全并行HDR/SDR制作流程的替代方案是仅使用来自摄像机的原生HDR信号,然后在制作环节的某处执行HDR到SDR的转换。虽然这简化了工作流程并减少了所需的资源量,但与并行HDR/SDR工作流程相比,SDR和HDR输出没有单独的控制,并且不能从HDR信号独立控制SDR增益。因此,能否获得高质量的SDR信号取决于各种光照条件和环境条件下HDR到SDR转换的质量。

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采用HDR作为现场制作的标准,需要考虑两种HDR到SDR转换方式:固定参数值的下变换系统转换较为简单,难以适配复杂多样的4K HDR节目场景,生成的HD SDR节目容易产生过曝和欠曝现象;

为进一步优化下变换系统性能,提高4K HDR到HD SDR节目技术质量,相对于固定参数的“静态”下变换方式,“动态”下变换系统不失为一种可行性方式。这种下变换依据视频每一帧亮度进行变换,对各种类型4K HDR节目场景的适配度高,算法更精准,可保证下变换后的HD SDR节目技术质量。

4K HDR节目到HD SDR节目“动态”下变换基本步骤为亮度映射和色域变换。“动态”下变换与固定参数值的“静态”下变换不同,其亮度映射采用“动态”方式,而非固定亮度值映射。在动态变换中,亮度映射曲线依据每一帧图像的亮度信息计算得出,可以更好地适配不同亮度的场景。将亮度变换后的视频帧图像色域由REC.2020变换至REC.709并进行HD SDR输出,得到下变换后的HD SDR节目。

三、SDR优先制作流程

目前,很多用4K系统制作的HDR节目需要下变换成SDR在高清频道播出,或需要同时制作4K HDR与HD SDR版,这就要求调光时既要保证4K HDR正确曝光,也要确保HD SDR正确曝光。

在SDR优先的制作流程中,为了获得高质量SDR图像,HDR摄像机使用SDR监视器调光。大多数演播室HDR摄像机可以同时输出HDR和SDR信号,因此可以用SDR输出对摄像机进行调光,HDR输出可以使用相对于SDR的固定增益差进行下变换,从而获得高质量的SDR图像。

SDR优先流程为HDR摄像机内置下变换器和节目输出下变换器设置相同的SDR转换增益差,并像传统的高清制作一样,以摄像机下变换的SDR图像和波形为基准,用SDR监视器和波监调光制作HDR,使HD SDR与4K HDR都能正确曝光。

用SDR调光制作HDR时,调光师只能看到HDR画面中的SDR内容。以HLG为例,0~75%HLG电平的内容被转换为0~100% SDR电平,也就是说在SDR监视器上能看到0~75% HLG电平代表的SDR内容,超过75% HLG电平的高亮度HDR内容被压缩到了SDR信号的拐点/斜率部分。在SDR电视体系中,拐点/斜率只占用了电平资源的10%、显示亮度资源的20%,因此在SDR监视器上只能看到非常有限的HDR内容。

在SDR优先的制作系统中,虽然调光师只能看到SDR画面,但视频工程师和导演能在HDR技监和节目监视器上看到HDR画面,监控HDR图像质量。虽然以SDR图像为基准调光时只能实现对SDR内容的“所见即所得”,但正确设置的SDR转换增益差保证了高于75%HLG电平的HDR内容准确曝光。由于在HDR画面中大部分有效信息分布在SDR内容里,所以采用SDR调光能够同时获得正确曝光的高质量SDR和HDR画面。

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四、4K移动外场系统的高清制作

2019年7月,4K IP外场系统承担《电视器乐大赛》复赛的录制,系统录制的4K HDR素材送4K超高清制作岛制作,在媒资转码平台下变换后在高清频道播出。

4K IP外场系统是总台首个基于SMPTE ST 2110无压缩标准的4K IP化制作系统,采用超高清格式(3840×2160 50P)制作和传输,信号的HDR采用HLG1000,系统内超高清信号采用2110无压缩封装,并具备2022-7保护机制。

系统配置的6讯道Grass Valley LDX 86N 4K摄像机、Grass Valley Kahuna 9600 4K切换台、Grass Valley IQUCP网关卡、Grass Valley MV820 IP画分等核心设备均支持4K HDR,系统输出4K HDR节目信号。LDX 86N 4K摄像机满足4K HDR以及HD SDR双重制作需求。4K 模式下采用3840×2160 50P格式,支持HLG高动态范围及BT.2020色域,摄像机内置下变换支持标准动态范围及BT.709色域的高清信号(1920×1080 50i)用于调光。在制作系统内增加HDRC4000转换器,用以监看4K HDR节目输出下变换为HD SDR信号后的效果。

采用SDR优先的制作流程时必须保证摄像机CCU内置下变换SDR输出与4K HDR节目输出转换器下变换SDR信号的电平、伽玛和色域相同,两者有差别时需要对摄像机或转换器进行调整使之尽可能一致,以实现电视直播制作要求的“所见即所得”。

HLG与SDR的转换增益差是不同伽玛曲线特性的差别,转换增益差与设备无关,与场景无关,只与创作意图有关。无论采用哪个厂家的摄像机,拍摄什么场景,只要摄像机HLG曲线符合BT.2100标准,HLG转换SDR的增益差都是相同的,只不过不同厂家设备设置的转换参数名称和数值不一定相同,但实际的增益差是一样的。

GV LDX 86N摄像机在HDR应用中在设置前先将摄像机做一下恢复出厂设置,确保摄像机各种参数在原始位置;在OCP 400控制面板上选择Setup/Camera页面,确保XDR ON;在配置界面选择HLG后,在菜单中可以设置Gain Map Point参数,参数设置为330%时,HLG SDR映射点为75%;在Gamma菜单中将Gamma High和Gamma Low设置为1.0。菜单中的Gain Map Point参数值代表的是摄像机原生HLG信号与Down Mapping的SDR信号映射基准,当参数值为330% 时,可以理解为其Down Mapping的参考白(White Reference)值为203nit。

而Gain Map Point参数可以允许我们在实际拍摄中根据不同的现场环境来选择不同的摄像机SDR Down Mapping参考白,这样我们在对最终的4K HDR信号做下变换时只需在下变换器中选择相应的参考值即可很好地匹配4K HDR信号与其下变换后的SDR信号以及摄像机输出的用以调光监看的SDR信号之间的平衡关系,从而保证我们可以针对不同的拍摄环境能够快速有效地参照SDR信号做调光控制,并且所获得的4K HDR信号在下变换后也能获得高质量的SDR信号。

另外,在摄像机的Gamma菜单中,我们可以通过Gamma Breakpoint这一参数调整Gamma曲线的临界点,这个临界点可以将Gamma曲线分成两个部分,分别代表画面的高亮部分和低亮部分。同时,可以通过Gamma High和Gamma Low这两个参数分别对高亮部分和低亮部分的Gamma曲线做调整,其调整原理如图6所示。

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在应对一些特殊的拍摄环境,例如在整体偏暗、局部高亮的亮度差异极大的拍摄环境下,我们可以通过分别微调Gamma曲线的高亮和低亮部分,确保拍摄画面更好地还原现场真实场景,这比单纯的光圈调整和增益调整产生的对画面整体亮度的影响更能有效提高画面质量。

在开始正式录制之前,我们对亮度控制进行了比较。我们在高清监视器以摄像机站输出的HD SDR图像来调整光圈,同时在4K监视器监看系统输出的PGM信号,而且还能看到HDRC4000下变换后的HD SDR PGM信号。图7左边是4K HDR画面,右边是下变换的HD SDR画面,如果4K画面亮度信息全部限幅在203cd/㎡以下,按照-9dB参数下变换高清节目后,亮度信号只有500mV,下变换的高清节目整体偏暗,没有层次。

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“HDR 白皮书”中规定,在HLG基准亮度为1000cd/㎡时,基准信号电平的75%为HDR参考白(100%)。HDR参考白电平既不是信号的最大白电平也不是平均白电平,视频制作系统应使用参考白电平作为基准进行视频信号亮度的调校,以确保节目内各镜头间以及节目与节目衔接间,画面亮度的一致性,并不是要把4K节目亮度信号严格控制在203cd/㎡以下。

我们可以判断超出参考白203cd/㎡部分含有HDR信息,如果画面全部在参考白203cd/㎡以下,说明不具有HDR信息,只是4K分辨率的高清节目了。总之,4K HDR图像动态范围应 0~1000cd/㎡之间,既有203cd/㎡到峰值亮度1000cd/㎡的HDR信息,又要包含小于参考白电平的SDR信息,这样才能充分展现4K HDR高动态、宽色域的特点。



转载请注明来源:《现代电视技术》 作者:中央广播电视总台 谭阳