影视制作专业问答7

王亚明

HLG制作时如何处理超过100%电平的超白信号？

电视从模拟过渡到数字后在很长时间内两种信号形态是并存的，在制作和传输、播出的链路中模拟信号很容易产生幅度变化和波形失真，而数字信号则不受影响。为了防止模拟与数字信号互转时产生损失，电视行业采用了有限域（Limited range，或称为窄域Narrow range），为用数字信息表达模拟电视信号电平保留了适当的余量。有限域为“比黑还黑”的低电平亚黑预留了7%，为“比白还白”的高电平超白预留了9%，总的电平范围是-7%至109%。

模拟电视信号的峰-峰值为1V，其中同步占0.3V，视频0.7V（700mV）。为了从全电视信号中正确分离出同步信号，必须把视频信号保持在黑电平（0mV，0%）以上；为防止电视发射机过载，视频信号电平必须被严格限制在峰值白（700mV，100%）以下，低于0电平的亚黑和高于700mV（100%）的超白都是禁止使用的，视频信号对量化资源的利用率为86%。

由于高清电视只用数字信号播出，随着模拟标清电视广播逐步关停，完全数字化的高清电视制作和播出不再禁止使用亚黑与超白区域的电平资源。例如，标清摄像机默认的拐点处理范围大约为90-100%，高清摄像机则提高到了98-109%。

HLG与高清SDR一样，信号电平采用窄域（Narrow r a n g e）表示法，不禁止使用亚黑与超白电平。I T U的BT.2390报告明确说明，建议HLG制作时使用100%电平以上的超白区域，以提高HLG的动态范围。因此，在HLG拍摄、制作和播出流程中，摄像机、制作和播出设备应关闭HDR WHITE CLIP（HDR白削波），摄像机与转换器的SDR输出设置也应关闭WHITE CLIP，以充分利用信号电平资源。

即使在之后的链路中某些设备因某种原因暂时未支持亚黑与超白区域的信号传输或显示，摄像机使用超白电平资源也不会对图像质量或系统运行带来负面影响。如果链路中全部设备都支持亚黑与超白电平的传输和处理，HLG的动态范围可以在不增加成本的情况下提高近1倍。

HDR摄像机还有拐点处理吗？

与标清和高清SDR摄像机一样，为了保留超过HDR动态范围的高亮度信息，HDR摄像机仍然有拐点处理。不过，由于PQ的动态范围远大于摄像机动态范围，实际上HDR摄像机的拐点只对HLG有意义，建议HLG拍摄时打开HDR拐点（HDR KNEE）。

为什么用BT.2100公式计算的PQ和HLG参考OETF与BT.2408和BT.2390的推荐值不同？

根据该公式以及HLG参考OETF公式的说明可以计算出，100%动态范围（100尼特）时HLG的电平E为50%，200%为66%，320%为75%，……700%为90%，1200%为100%。

根据PQ和HLG的参考OETF公式，可以得出两者的OETF曲线。

从PQ的参考OETF公式和曲线可以看到，100%动态范围对应的电平为51%，51%以下的电平资源用于SDR内容，51%以上的电平资源用于100-10000%高动态范围的HDR内容。

从HLG的参考OETF公式和曲线可以看到，以100%动态范围对应的50%电平为分割点，HLG的OETF是由两个部分组成的。用于SDR内容的50%以下电平部分采用与传统电视摄像机伽玛相似的平方根函数，两者的区别是BT.709伽玛值为1/2.2≈0.45，HLG 50%以下电平的伽玛值为1/2=0.5；100-1200%高动态范围对应的50%以上电平采用了自然对数函数。

从BT.2100-2的公式和OETF曲线可以看到，PQ与HLG都把电平资源的一半用于SDR内容，与100%动态范围对应的电平分别为51% PQ和50% HLG。

不过，从2017年10月开始，BT.2408、BT.2390-3报告推荐的PQ与HLG OETF电平值与BT.2100公式的计算值是有差别的。在BT.2408的表1中，100%动态范围对应的PQ与HLG电平不是BT.2100公式计算的51% PQ和50% HLG，而是58% PQ和75% HLG。如果结合EOTF来看，100%动态范围对应的显示亮度也不是BT.2100公式计算的100尼特，而是203尼特。

以BT.2408的表1为基准，虽然BT.2100的公式没变，但对PQ和HLG的OETF使用方法变了。

对比BT.2100的理论值，BT.2408的推荐值对PQ的OETF动态范围压缩了2倍，原来对应200%动态范围的58%电平在BT.2408的表1中代表100%动态范围；BT.2408推荐值对HLG的OETF动态范围压缩了3.2倍，原来对应320%动态范围的75%电平在BT.2408的表1中代表100%動态范围。

由于PQ的100%动态范围对应电平从理论值的51%提高到了原200%动态范围对应的58%，PQ的动态范围也从理论值10000%/100%=100倍降低到了10000%/200%=50倍（5000%），是理论值的1/2；HLG的100%动态范围对应电平从理论值的50%提高到了原320%动态范围对应的75%，HLG的动态范围则从理论值1200%/100%=12倍降低到了1200%/320%=3.75倍（375%），是理论值的1/3.2，这就是专业答疑系列连载5里曾经介绍过的HLG50与HLG75的由来。如果使用超白电平资源，HLG的动态范围可以扩展到620%。

很明显，BT.2408和BT.2390报告从实用的操作层面对PQ和HLG的OETF使用方法进行了调整。个人认为，调整的原因有三个。

首先，增加了SDR内容的电平资源。在BT.2100的HDR OETF理论值中，SDR与HDR内容平分了电平（量化）资源，只有一半电平用于100%动态范围以下的SDR内容。10比特量化时可用的灰阶数量为1024个，采用窄域表示法的HLG只有876个灰阶可用，HDR内容占用一半后SDR可用的灰阶数量只有438个。在HDR信号中，主要信息都集中在SDR内容里， BT.2408的推荐值增加了SDR内容的电平（量化）资源，特别是HLG调整后SDR内容的量化资源比理论值增加了25%，虽然降低了动态范围，但从整体看有助于改善HDR图像的综合质量。

其次，提高了SDR上转换内容的亮度。制作HDR节目时可能会使用一些SDR素材，采用场景参考映射把SDR上转换成HDR时，依据BT.2100的OETF理论值SDR峰值白映射到HDR信号的50%电平，在1000尼特HDR监视器和电视机上SDR峰值白显示100尼特亮度。实际上新型LCD高清电视机的显示亮度比专业监视器高得多，其峰值亮度大多在200尼特以上，而上转换的SDR峰值白在HDR电视机上显示亮度只有100尼特，比现有的高清电视机暗。采用BT.2408的OETF推荐值后上转换的SDR峰值白达到了203尼特，与新型的高清电视机相当。

第三，建立了1000尼特峰值亮度的PQ與HLG转换桥接点。PQ采用绝对亮度体系，显示亮度只与信号电平有关，与显示设备峰值亮度无关，显示设备峰值亮度不同时，峰值亮度以下的图像内容不受影响。HLG采用与高清一样的相对亮度体系，显示亮度不但与信号电平有关，还与显示设备的峰值亮度有关，显示设备峰值亮度不同时，显示图像的不同亮度层次都会受到影响。以BT.2408表1为例，监视器峰值亮度不同时，PQ监视器显示的不同灰度卡亮度没有变化，而HLG监视器显示的不同灰度卡亮度就会与表1不同。采用BT.2408的OETF推荐值后，在峰值亮度1000尼特HDR监视器上PQ与HLG显示的不同灰度卡亮度完全相同，为1000尼特PQ与HLG图像的互转建立了桥接点（Bridge point），有助于控制HDR转换的图像质量。

综上所述，与BT.2100参考OETF理论值相比，虽然BT.2408的OETF推荐值降低了HDR的动态范围，但带来的好处更多，它规范了HDR制作电平，提高了HDR图像的综合质量，实用性更强。B&P

（未完待续）