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随着科学技术的发展，视频技术得到了显著地提升。人们对电视节目的质量需求也在与日俱增，因此提高电视节目拍摄质量也是当前电视人乃至新媒体视频人需要考虑的问题。当前4K技术无非成了广电视频领域最热的一个技术点，4k技术是对图像清晰度的提高，使人们能够观赏到更多的画面细节信息，除了4K分辨率的画面细节以外，现在的视频领域也逐步的开始应用趋于成熟的HDR技术。
背景介绍 HDR全称High Dynamic Range即高动态范围，是最近几年视频行业的热点。前面提到，4K技术是增加了像素信息量，即分辨率提高了；而HDR技术是增加亮度和彩色信息量，信息量的增加提升了图像质量。  SDR标准动态范围画面 HDR高动态范围画面如图所示，之前由于受到拍摄设备及显示设备的影响，一直使用的是SDR节目制作方式。在SDR画面中，只能看到暗部单调的黑色以及亮部单调的亮白，很多亮度层次细节和画面色彩细节都不能够得到还原。现实世界中，我们人眼可以看到更多的高光部分细节、暗部细节以及色彩信息。相对于SDR画面，当今设备所拥有的高动态范围可以还原出更加真实的HDR画面效果。HDR画面能够显示接近人眼在现实世界中所见到的场景，得益于HDR技术，SDR节目制作中丢失的亮度层次细节和画面色彩信息都可以尽可能的被还原出来，从而显示出接近人眼在现实世界中所见的震撼的画面。
什么是HLG HDR技术的关键是对于电光转换函数（EOTF）和光电转换函数（OETF）的定义，即电信号与光信号之间的转换规则，如图2。在ITU-R BT2100的建议中定义了两种新的电光转换方案，一是杜比实验室的Dobly Vision HDR方案提出的感知量化编码（PQ，perceptual quantizer），将亮度等级以绝对的数值进行记录，显示亮度绝对值。二是由BBC和NHK联合研发的对数伽马分布（HLG, Hybrid Log Gamma），显示亮度相对值。BBC与NHK提出的HLG方案通过两种不同的方式来分别对HDR信号当中所包含的高光和低光部分进行解码，其中低光部分使用了标准伽马曲线（与BT.709的标准基本相同），而高光部分（超过100nit）则使用了对数曲线，在支持HDR的同时可以兼容SDR超高清电视。  图2 EOTF OETF对于ITU-R BT2100建议书中的两种新中方案，一种是PQ的，是绝对的亮度值，PQ 的输出带元数据，其编码值是绝对亮度值。如果显示设备没有达到输出版本的亮度要求，则高亮部分会被切掉。基于 PQ (即 ST.2084)是Dolby Vision 和 HDR10。HDR10像是Dolby Vision一个低配版本，从Dolby Vision版本中可以生成HDR10版本，反过来却不可以。HDR10是免费的，而Dolby Vision是需要授权收费的。HDR10是单层的图像数据元数据，不支持SDR与HDR自动兼容。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，但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。 HLG 是 ITU-R BT2100中建议的另一个HDR国际标准。HLG 的输出不带元素据，其编码值是相对值，按照百分比进行，可以根据不同的显示设备显示出不同程度的 HDR 效果，具备自适应性能，可以同时兼容 HDR 电视机和非 HDR(即 SDR)电视机。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与PQ系统的不同之处在于，HLG可以在摄像机内直接完成HDR的编码，是“场景参考”，场景参考不包含创作意图；而PQ需要在之后对信号进行处理，以适配监视器的亮度等级，是“显示参考”，显示参考则包含创作意图。在HLG系统中摄像机基于传感器的响应曲线对不同的曝光环境进行信息采集，那么最终呈现出来的画面亮度变化是取决于曝光水平，不表达制作者的想法，适合于电视新闻、快速处理的电视节目制作。在PQ系统中制作者直接参与内容的处理，以监视器的亮度等级作为参考来对内容进行编码与调色，最终反映出来的就是制作者所想表达的创作意图，适合于电影等复杂的节目制作。 HLG相比于PQ来说，HLG可以使用当前传统的广播电视制作流程，在一定程度上HLG简化了HDR制作流程，解决了 HDR 视频内容在广播电视传输和显示的问题；同时HLG也是免费使用的，因此HLG更适合于传统的快速制作的电视节目。
摄像机设备中加载HLG曲线 索尼是广电业界知名的设备制造商，在4K、HDR技术的应用上一直不断发展。索尼目前在中低端视频采集类设备中加载了通用的HLG功能，比如在PXW-Z580传统的4K ENG摄像机中，手持式的PXW-Z150 4K便携机中以及大画幅的PXW-FS5 4K摄影机中都加载了HLG摄制曲线。  图3 SDR伽马和HLG曲线如上图，支持HLG制作的摄像机拍摄信号的电平范围为0~1200%，经过HLG非线性处理后信号的电平被压缩到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。 从上图中也可以印证前面提到的，就是使用HLG曲线时，输出信号电平在50%以内使用的都是原来SDR中的Gamma曲线，输出电平超过50%时，使用了对数伽马曲线。了解了这一点，对于使用HLG进行HDR和SDR节目制作，进行画面曝光时就会起到一定的帮助作用。 下面以PXW-Z150为例，测试使用HLG功能。  图4 摄像机菜单中HLG曲线的选用如上图，通过摄像机菜单，进入到PP菜单项，可以选在PP10，然后进入到设定项里。在该项中GAMMA中可以选择HLG曲线。索尼在设备中预设了三条HLG曲线，分别是HLG1、HLG2和HLG3。使用摄像机拍摄渐变灰度卡，分析曲线特性，信号波形截图如下图5：  图5 PXW-Z150 F5.6 6dB HLG1（左） HLG2（中） HLG3（右）信号波形 图6 HLG1、HLG2、HLG3曲线我们把信号波形用不同颜色的线条连接起来以后，可以看到上图6的效果。从图中可以明显的看到，曲线HLG3的动态范围比曲线HLG2要大，曲线HLG2的动态范围比曲线HLG1动态范围要大。 上面使用灰度测试卡反应的是亮暗层次的动态范围情况，如之前所提，HDR不仅仅包括亮暗层次动态范围的变化，还要有捕捉、还原色彩信息范围的扩大，也就是色域范围也要相应的变化。色彩范围越大，可支持的颜色也越多。色彩深度的增加不仅仅增加了图像的灰度值，也使得同一色系的视觉过渡更为平滑，避免了在表现渐变色彩时出现明显的分层。如下图7在ITU-R BT2020所规定的色彩范围中，比之前的BT.709多70%，尤其在绿、黄、青三个高亮度区域有显著的扩大。  图7 色域范围因此在摄像机中如果使用加载HLG曲线的HDR拍摄模式时，色域范围也应当进行更宽区域的匹配。在上图4的摄像机菜单中，可以看到，使用HLG2伽马曲线时，菜单中的色彩模式默认为BT2020，以来匹配HLG2并能真正实现高动态范围HDR的节目拍摄。
如何使用HLG？ 摄像机中配备了HLG曲线，可以进行HDR节目拍摄了，制作的HDR节目除了可以在带有HLG功能的电视上可以重放，体现出原有画面的亮暗层次以及丰富的色彩信息，也有可能还要在原有的SDR电视系统中还原，因此在前期进行节目拍摄时，关键的制约因素会是曝光问题，也就是说使用HLG曲线进行画面曝光时，如何控制光圈，可以兼顾到SDR，又能体现出HDR呢？ 以下同样使用灰度卡进行测试，测试中仅仅考虑亮暗的动态范围呈现。  图8 信号波形如图8，摄像机光圈F4.0，增益6dB时，左图为BT709曲线的波形图，右图为HLG2曲线的波形图。从图中明显可以看到，相同光圈值曝光时，使用BT709曲线，画面动态范围很窄，高光部分细节完全被切割掉了，画面偏暗部分的亮度电平偏高。因此相同光圈值曝光时HLG拍摄模式和之前SDR的BT709曲线没有什么关联。 经过多组测试，并根据之前使用HDR曲线拍摄的经验总结，我们得出了下面一组波形数据。  图9 信号波形在图9这组波形数据中，左侧是原有SDR拍摄中使用的BT709的曲线，右侧是HDR拍摄中使用的HLG2曲线。对比两个波形图可以看到，信号输出约50%以下部分，阶梯波形相似，即画面中灰、暗部曝光基本一致，也验证了前面提到的HLG曲线在输出电平50%以下时使用和BT709相同的曲线参数。也就是说，这两个画面的曝光光圈值使HDR和SDR画面的中灰、暗部曝光基本一致的。PXW-Z150摄像机的增益是6dB ,左侧BT709曲线时的光圈值为F5.6，右侧HLG2曲线时的光圈值为F4.0。 因为在画面正常拍摄时很难分辨出画面亮暗的层次分布，因此在以上的测试中使用专业的灰度阶测试卡进行测量。
总结 在日后使用HLG曲线进行快速电视节目拍摄时，考虑到兼容SDR节目效果，因此必须重视拍摄中的画面曝光问题，通过以上实际的测试，并结合之前其他设备中HDR曲线的使用经验，可以得出，如果要保证加载HLG曲线的HDR画面正常，并且SDR画面也正常，HDR拍摄的光圈值要比SDR的光圈值高1-1.5档，这样就能保证两者画面在中灰、暗部的曝光是一样的。 以上是适合于快速电视节目拍摄制作的HLG曲线的相关调整分析，当然如果要制作高端的电视节目也可以使用PQ的标准，以及各个厂家自有的曲线标准，并最后进行转换。
作者简介 吴永波，高级工程师，中仪英斯泰克进出口公司技服业务部总经理助理。北京广播学院毕业。数字电视节目制作研究方向。 | 
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狗仔卡
发表于 2017-12-10 20:22
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