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本帖最后由 bluejd 于 2017-3-25 16:14 编辑
索尼中国专业系统集团技术总监 王亚明
4K和HDR（高动态范围）是近年来影视制作行业的热点。在两维图像的范畴内，4K增加了像素（分辨率）信息量，HDR增加了亮度和彩色信息量，信息量的增加提升了图像质量。增加像素信息量需要提高码率，增加亮度和彩色信息量并不增加码率，但需要改变技术标准以扩大亮度和彩色空间，定义新的坐标系。
2003年好莱坞导演罗伯特•罗德里格斯在拍完《墨西哥往事》后给影视新人讲了一个火腿的故事，借用这个故事可以形象地说明什么是HDR。
故事里有一对年轻的夫妻做火腿，妻子把火腿两头的边缘切掉。丈夫问，你为什么把两头切掉？好像很浪费。妻子说，我妈妈就是这样做的。那咱们问问你妈妈，为什么在做火腿前把两头切掉？妈妈说，我祖母就是这么做的，问她吧。于是他们去问祖母：为什么在做火腿前把两头切掉？祖母说，只有这样我才能把它放进当年用的锅里。
如果把电视体系看成一口锅，这个故事里祖母当年用的小锅就是标清和高清电视的SDR（标准动态范围），那个火腿就是要再现的图像。SDR是几十年前依据摄象管和显像管性能制定的技术标准，根据人眼特性，电视需要再现的动态范围很大，而摄像管和显像管的动态范围很小，必须把高动态范围图像这个大火腿的暗部和高亮度部分切掉，才能放进SDR这口小锅。
亮度和彩色空间
几十年过去了，如今摄像管和显像管早已被淘汰，拍摄和显示器件的性能有了长足的发展，CCD/CMOS和LCD/OLED能够再现的动态范围已经超过了SDR这口小锅，但影视制作仍然把高动态范围图像的两头切掉才能放进SDR这口几十年未变的小锅。要想不切掉两头做出完整的火腿，完美地再现更高质量的高动态范围图像，影视制作需要一口大锅，这口大锅就是HDR。从技术标准的角度来看，HDR是更大的亮度和彩色空间。
 亮度（伽玛）和彩色空间
HDR的核心是增加图像的亮度和彩色信息量。如果把色域看成“锅底”，把峰值亮度看成“锅沿”，那么高清709色域和709伽玛对应的100尼特峰值亮度构成的“小锅”就是高清电视的亮度和彩色空间；超高清2020色域和1000（最高至10000）尼特峰值亮度构成的“大锅”就是HDR的亮度和彩色空间。
OETF、EOTF 和 OOTF
OETF（ Opto-Electrical Transfer Function，光电转换特性）是摄像机中被摄景物光亮度转换为电信号的特性。在传统的电视体系中，OETF就是摄像机伽玛。
EOTF（ Electro-Optical Transfer Function ，电光转换特性）是监视器和电视机中电信号转换为显示光亮度的特性。在传统的电视体系中，EOTF就是显像管伽玛。
OOTF（ Opto-Optical Transfer Function ，光光转换特性）是OETF与EOTF 抵消后遗留的特性，即被摄景物亮度与显示光亮度的转换特性。在传统的电视体系中，OOTF就是系统伽玛。
 OETF与EOTF
SDR（电视伽玛）的前世今生
电视显像管原生的电光转换特性（EOTF）不是线性的，其输入电平与显示亮度之间呈现非线性的指数（反对数）关系，这个关系中的指数就是显像管伽玛（γ），实际显像管产品的伽玛值大约在2 – 2.6之间，过去电视行业普遍采用2.2。所谓非线性，即显像管的灵敏度不是常数而是与输入电压相关，输入电压越低灵敏度越低，输入电压越高灵敏度越高。
摄像机成像器件原生的光电转换特性是线性的（γ=1），为了在显像管上得到正常对比度的图像，需要在摄像机中进行1/γ≈1/2.2≈0.45的非线性对数处理 （OETF），经过处理后系统伽玛γt = 0.45x2.2≈1（OOTF），这就是电视伽玛校正，简称电视伽玛。2011年，ITU为规范显像管特性发布了BT.1886文件，规定显像管伽玛为2.4，这样系统伽玛γt = 0.45x2.4=1.08。
由此可见，在传统的电视体系中，先有显像管伽玛这个硬件特性，之后为了校正显像管的非线性引入了电视伽玛，两者都是被动的，非线性特性来自硬件（显像管）的原生性能。由于显像管的最高发光亮度只有100-150尼特，只能再现被摄景物的相对亮度。
 SDR制作流程中电平与显示亮度的关系（BT.709理论值）
SDR高清摄像机拍摄信号E的电平范围可以达到0-600%，但BT.709电视伽玛只对峰值白对应的100%电平以内的信号进行非线性伽玛处理，超过100%电平的高亮度信号无法再现，系统能够再现的动态范围为100%，100%传输电平对应的监视器峰值亮度为100尼特。
BT.709电视伽玛只定义了黑至峰值白对应的0-100%电平，在实际的摄像机产品中，电视伽玛处理的这部分信号大约占传输电平的90%，100% - 600%的高亮度电平则用拐点/斜率压缩到剩余的10%电平资源内，系统能够再现的动态范围为600%，即动态范围是正常曝光量的6倍。由于代表100% - 600%高亮度的电平信号只能使用传输电平资源的10%，图像中高亮度部分的层次被压缩，无法完美再现。
 SDR制作流程中电平与显示亮度的关系（实际值）
拐点/斜率的处理范围不是BT.709标准规定的，摄像机厂家可自行定义，专业摄像机还允许用户在一定范围内自行调整。
HDR 方案
目前已经被市场接受的HDR方案是北美的HDR10，杜比的Dolby Vision，以及BBC和NHK的HLG。3个方案中，HDR10和Dolby Vision的EOTF都是PQ，区别是HDR10是单层的图像数据+元数据，不支持SDR与HDR自动兼容，而Dolby Vision则把HDR图像数据重新编码为代表SDR图像的基本层和代表高动态范围信息的加强层双层数据，实现了SDR与HDR的自动兼容，因此可以把HDR10看作Dolby Vision的简化版。不过，PQ与传统的电视伽玛完全不同，是一个再现绝对亮度的全新体系，而HLG与SDR电视伽玛相似，只再现景物的相对亮度，因此可以采用与传统高标清相同的制作流程。
>>>> HLG HLG定义了制作端的OETF对数特性曲线，与其对应的EOTF显示曲线是HLG的Inverse OETF，即与HLG OETF相反的特性。
HLG非线性特性是为兼容SDR设计的，与硬件性能无关。支持HLG制作的摄像机拍摄信号E的电平范围为0-1200%，经过HLG非线性处理后信号E′的电平被压缩到0-100%，峰值白对应的100%电平占传输电平50%，100% - 1200%的高亮度电平占用其余的50%电平资源。HLG系统能够再现的动态范围为1200%，也可以说 HLG的动态范围是正常曝光量的12倍。
 HLG制作流程中电平与显示亮度的关系
HLG是对传统电视体系的改进，扩展了高亮度景物的再现能力。尽管BT.2100建议HLG的显示峰值亮度是SDR（BT.709）的10倍（1000尼特），仍然无法再现被摄景物的绝对亮度，只能再现被摄景物的相对亮度。与传统的SDR高清、标清电视一样，HLG体系认为电视既没有必要、也不可能再现拍摄场景的绝对亮度，再现拍摄场景的相对亮度就能够向观众传递足够的图像信息。
与传统的SDR电视体系一样，HLG只规定了制作监视器的峰值亮度，当电视机的峰值亮度与制作监视器相同时电视观众看到的图像与现场导演或调色师制作时看到的图像相近，图像质量最好；电视机峰值亮度与制作监视器不同时观众看到的图像平均亮度和峰值亮度会有变化，就像现在家庭观看SDR电视的情况一样。
>>>> PQ（ST 2084） PQ定义了显示端的EOTF曲线，与其对应的OETF制作曲线是PQ的Inverse EOTF，即与PQ EOTF相反的特性。
PQ曲线（EOTF）是完全按照人眼灵敏度设计的，与硬件无关，传输电平资源的分配与人眼灵敏度完全匹配，其体系的基本理念是用绝对亮度再现被摄景物，与传统电视只再现被摄景物相对亮度的理念完全不同。例如，在PQ的体系中，被摄景物峰值白的亮度为100尼特，对应摄像机输出E的100%电平，经过PQ曲线非线性处理后传输电平E’被压缩到50%，对应的显示亮度为100尼特；被摄景物中高亮度10000尼特对应摄像机输出E的10000%电平，经过PQ曲线非线性处理后传输电平E’ 被压缩到100%，对应的显示亮度为10000尼特，能够再现的动态范围为10000%，动态范围是正常曝光量的100倍。
 PQ（HDR10/Dolby vision）制作流程中电平与显示亮度的关系
再现绝对亮度的条件是显示器件的显示亮度必须与拍摄场景的实际亮度相同。PQ定义的最高峰值显示亮度为10000尼特，但在相当长的时间内显示器件的性能很难实现，杜比的解决方案是制作时允许使用峰值亮度低于10000尼特的监视器，但终端显示设备的峰值亮度必须与制作监视器相同。因此，用PQ曲线制作的节目必须明确标明其使用的监视器峰值亮度，用1000尼特监视器制作的节目只适用于1000尼特电视机显示，在其它不同亮度的电视机上呈现效果是不对的。当终端电视机的峰值亮度与制作监视器不同时，依据场景元数据可以自动控制终端显示设备的亮度与制作监视器相同，或把制作母版的电平映射到低亮度显示器件上以显示正常对比度和平均亮度的图像。
因此，使用PQ曲线制作HDR节目时，必须同时传输包括制作监视器峰值亮度等信息在内的元数据，才能正确再现拍摄场景的对比度、平均亮度和峰值亮度，不过只要制作、终端电视机的峰值亮度达不到10000尼特，传递给观众的图像信息只能在一定的亮度范围内再现绝对亮度。
>>>> S-Log3 由于存在不同的HDR播出传输方案，电视台和制作公司在制作时并不知道会用哪种方案播出传输，为节省成本一般只制作一个HDR母版。用PQ（ST2084）制作HDR母版时首先要确定峰值亮度，1000尼特监视器制作的HDR母版动态范围只有1000%，2000尼特监视器制作的母版动态范围2000%；用HLG制作HDR母版时由于HLG的动态范围只有1200%，完成的母版即使转换成PQ动态范围也被限制在1200%以内，因此无论母版采用PQ还是HLG都可能留有遗憾。 索尼建议采用与播出无关的S-Log3对数伽玛制作HDR中间母版（Mezzanine Master），播出时再转换成PQ或HLG。S-Log3是索尼摄影机使用的OETF，动态范围4000%，虽然比PQ的10000%小，但大于HLG的1200%，量化资源分配适合10比特接口设备处理。S-Log3基于Cineon数字负片设计，与电影行业的Cineon对数伽玛几乎完全相同，已经获得大多数后期制作设备厂家支持，调色师对S-Log3也很熟悉。
 10比特S-Log3与Cineon特性比较
目前市场上大多数摄像机不能记录PQ或HLG文件，只能记录S-Log3或类似的对数伽玛文件，这些摄像机拍摄的素材都可以用S-Log3制作HDR母版，播出时再转换成PQ或HLG。
HDR 制作流程
HLG和PQ都是用于HDR播出的伽玛。因为HLG是对传统电视体系的改进，所以HLG像传统电视伽玛一样既可以用于播出也可以用于演播室摄像机实现所见即所得的直播制作；PQ（ST 2084）是再现绝对亮度的，与传统的SDR电视伽玛理念完全不同，而且PQ的动态范围比SDR大得多，直播摄像机使用PQ时调光工程师很难找到正确的曝光参考点，难以实现精准操控的直播制作。
索尼建议直播摄像机选择易于操控的S-Log3对数伽玛，再根据需求把S-Log3转换成PQ（ST 2084）或HLG播出。为此索尼专门设计了HDR格式转换器HDRC-4000，内置的2个独立处理器可以实时完成2路不同伽玛、色域和分辨率的HDR/SDR信号格式转换。
HDR制作流程
脱胎于电影的S-Log3也同样适用于HDR文件制作流程。对HDR制作来说，S-Log3是化繁为简的工具，只要掌握了S-Log3流程就能制作出高质量的HDR节目，无须考虑HDR播出格式。
最高质量的HDR文件制作流程记录16比特原始数据RAW，RAW记录了成像器件输出的全部亮度和彩色信息，为减少制作过程中的损失可以选择比HDR更大的ACES空间制作调色，输出PQ或HLG文件。
索尼4K制作设备全面支持HDR 为迎接即将到来的4K和HDR制作高潮，索尼的专业制作设备已经做好了全面准备。从演播室/转播车用的摄像机、切换台、监视器、服务器、HDR格式转换器，到拍摄电视剧、纪录片使用的摄像机等多种产品，都具备了HDR制作能力。
 索尼专业产品全面支持HDR制作
结束语 影视制作发展的历史就是不断地追求更高的图像质量。回顾2008年北京奥运会开幕式，晶莹剔透的五环、璀璨的烟花、闪烁的和平鸽、壮丽的卷轴等光影梦幻奇景为现场观众留下了不可磨灭的印象，不过，当时的影视制作技术无法完全再现这个世纪盛事精彩场景的动态范围和绚丽色彩，留下了诸多遗憾。HDR大幅提升了影视技术再现图像动态范围和彩色的能力，使其达到或接近人眼的特性，为影视行业制作更高质量的节目提供了强大的技术手段。
2017年3月 | 
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狗仔卡
发表于 2017-3-25 16:10
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