影视制作专业问答10

王亚明

问：除ITU-RBT.2390、2408介绍的转换方法外，还有哪些类型的HDR转换器产品？

答：可以把市场上的HDR转换器产品分为三类。

第一类是以ITU相关技术文献为基础研发的产品，这类设备的转换方法基于BT.2087、2390、2407、2408、2446等文件推荐的OETF、EOTF、动态范围、色域转换法，所有转换都是计算的结果，所有计算都有理论依据，根据场景参考、显示参考、色调映射、色域矩阵转换的计算得到输出，使用时需要根据需求设置正确的参数，是典型的工程师思维，可称之为“技术派”。

第二类是在“技术派”的基础上增强或简化。有些“技术派”转换器增加了动态自适应能力，下转换时可根据输入的HDR图像亮度自动调整电平映射关系，能够适应比固定参数映射下转换更宽的动态范围，无需复杂的参数设置。有些转换器则利用HLG与SDR的兼容性做了简化，在HLG下转换时OETF保持不变，只是把BT.2020色域转换为BT.709色域，即只转色域不转伽玛，就像用BT.2020色域的SDR监视器观看HLG图像一样。

第三类是以人眼视觉感受为基础研发的，这类设备的转换方法基于艺术家的体验而不是技术数据计算，不考虑场景参考、显示参考、色调映射之类的技术逻辑，而是由调色专家对某种伽玛、动态范围和色域的图像进行调色，使其在目标监视器上看起来与原始图像相近，并把调整参数用LUT的形式记录下来做成产品，用艺术而不是技术逻辑实现转换。这类转换器使用时无需复杂设置，只需要选择符合用户输入、输出信号OETF和色域要求的LUT即可，是典型的艺术家思维，可称之为“艺术派”。

上述分类并不是绝对的，工程师与艺术家也并非完全对立，现实世界中既有懂技术的艺术家也有懂艺术的工程师，所以“技术派”的产品也会带有艺术色彩，“艺术派”的产品也需要雄厚的技术基础支撑。以典型的“技术派”产品代表HDRC-4000为例，AIR-MATCHING（Artistic Intent Render Matching，艺术意图渲染匹配）关闭时其转换完全按ITU相关文件推荐的标准计算，技术正确。打开AIRMATCHING后除转换增益差与标准HLG相差5dB外，还加入了设计者对画面的艺术理解，使转换后的图像看起来更舒服、漂亮，但与理论计算的结果有差别，不是完全的技术正确。

除少数“技术派”产品外，很多转换器都能加载第三方提供的LUT，此时转换器硬件只承担了信号接口功能，转换特性完全取决于加载的LUT。一些知名的广播电视运营商、调色设备供应商、调色工作室或调色师个人把适用于不同场景转换需求的LUT作为商品出售，用户购买后加载到自己的转换器中就可以使用。这些用于动态范围和色域转换的LUT实际上是软件产品，其中有些LUT偏重于技术，有些偏重于艺术，用户可根据需求购买使用。

问：HDR转换，上转换还是下转换难度大？

答：首先需要说明中国与其它国家和地区对超高清、宽色域、HDR处理方式的差别。在中国的广播电视标准与实践中，色域和动态范围是与分辨率绑定的，具体来说高清就是BT.709窄色域SDR，4K超高清就是BT.2020宽色域HDR。欧美日韩等地的广播行业则不把分辨率、色域和动态范围做组合绑定，高清不但有传统的窄色域SDR，也可以用宽色域SDR和宽色域HDR；4K超高清有宽色域HDR，也有窄色域SDR。

为讨论方便，本文忽略分辨率并把动态范围和色域绑定，当讨论SDR时默认窄色域，HDR默认宽色域，这样，4K HDR与高清SDR互转就简化为HDR宽色域与SDR窄色域的互转问题。与分辨率、帧率和图像的数据量相关不同，动态范围、色域与数据量无关，HDR宽色域与SDR窄色域使用的电平（量化）资源相同，不同动态范围、不同色域的差别体现在两者不同的电平与色域坐标系上，数据量完全相同。

广播电视的主流制作信号与文件格式均为10比特4：2：2，可以把10比特4：2：2看作一个容器，传统的SDR与新的HDR使用的都是这个容器。虽然容器相同，但相同电平（码值）映射的亮度和彩色是不一样的，如果把映射的色域和亮度结合成空间，那么坐标系不同时同一个容器映射的空间也不一样，而相同的亮度和彩色在不同坐标系中其坐标值肯定不同。

上转换就是把用SDR坐标系标定的视频信号改为用HDR坐标系标定。由于SDR的空间小于HDR，SDR的所有亮度和彩色都在HDR空间内，所以上转换是可逆的无损处理，不会损失亮度和彩色信息，但转换后的坐标值会变小。例如，SDR转换成HLG时，100%SDR电平应映射为75%HLG电平，这就像把小锅里完整的小苹果放进大锅，苹果不会受到损伤，如果把大锅和苹果等比例缩小，使大锅的尺寸与小锅相同，那么苹果的尺寸就“变小”了。

与上转换相反，下转换是把用HDR坐标系标定的视频信号改为用SDR坐标系标定。由于HDR的空间大于SDR，经过转换后只有SDR空间内的亮度和彩色信息能够保留，SDR空间之外的亮度和彩色信息会丢失，所以从信息量的角度来看下转换是不可逆的有損处理。下转换相当于把大锅里完整的大苹果放进小锅，而苹果比小锅还大，所以不把大苹果去掉一部分是不能放进小锅的。不过，HDR下转换至SDR时损失的都是SDR无法再现的亮度和彩色信息，从SDR显示设备的角度来看并没有损失什么。

下转换是亮度和彩色信息减少的过程，因此必须谨慎处理超过SDR空间的亮度和彩色信息。以HLG下转换SDR为例，75%HLG电平应映射为100%SDR电平，对超过75%HLG电平的信号有硬削波或软削波两种处理方法。硬削波损失了所有超过75%HLG的高光信息，软削波在下转换时也被称为色调映射，用比较少的电平资源保留了部分高光信息，与摄像机的拐点处理相似。同样地，BT.2020宽色域转换为BT.709窄色域时也存在类似的问题，对超过BT.709色域的彩色信息也有硬削波或软削波两种处理方法，硬削波损失了宽色域的信息，软削波用较少资源保留了部分宽色域信息。

综上所述，从技术角度来说，HDR下转换SDR的难度比SDR上转换HDR的难度更大一些。

问：HDR转换需要注意什么问题？

答：HDR转换时单纯关注上转换或下转换图像质量是不够的，需要考虑在整个制作、播出流程中可能出现的各种往返（Round-Tripping）转换组合对图像质量的影响。例如，在HDR节目中有时会使用一些SDR历史素材，采用某种映射方式上转换后，在HDR节目中这些上转换的SDR素材与原生HDR图像看起来差别并不大。但把这个HDR节目直接下转换SDR播出时，可能会出现下转换映射方式与HDR节目中原生SDR素材上转换方式不匹配的问题，这时下转换图像中原生SDR素材的图像灰度和彩色就会出现异常，与节目中原生HDR下转换的图像差别比较大。如果下转换播出时采用的映射方式与HDR节目中SDR素材上转换的方式匹配，则不会出现上述问题。

采用“技术派”转换器时，往返转换对原生SDR图像的影响如下：

· 场景参考映射（SR）上转换+场景参考映射（SR）下转换：上下转换增益差绝对值相同时，往返转换后的SDR与原始SDR相比，电平幅度、矢量幅度/相位（色调）相同，图像没有变化。

· 显示参考映射（DR）上转换+显示参考映射（DR）下转换：上下转换增益差绝对值相同时，往返转换后的SDR与原始SDR相比，电平幅度、矢量幅度/相位（色调）相同，图像没有变化。

· SR上转换+DR下转换：上下转换增益差绝对值相同时，往返转换后的SDR与原始SDR相比，电平幅度略有增加，矢量幅度减小，矢量相位（色调）改变，图像亮度略有增加，饱和度变淡，色调出现偏差。

· DR上转换+SR下转换：上下转换增益差绝对值相同时，往返转换后的SDR与原始SDR相比，电平幅度略有增加，矢量幅度减小，矢量相位（色调）改变，图像亮度略有增加，饱和度变淡，色调出现偏差。

往返转换映射方式相同时对原始SDR图像没有影响，映射方式不同时原始SDR图像的彩色饱和度和色调都会发生变化。对原生HDR图像的下转换来说，场景参考映射与显示参考映射的差别并不大，但对原生SDR上转换的HDR圖像来说两种映射方式的差别比较大。因此，应尽量避免SR与DR交叉混合的往返转换。

对“艺术派”转换器来说情况更为复杂，因为这类设备主要考虑单纯的下转换或上转换视觉效果，使用前必须对这类转换器可能出现的各种往返转换组合进行全面的主观评价，才能了解其在整个制作和播出流程中的性能。B&P

（未完待续）