索尼與 HDR 製作/索尼中國專業系統集團技術總監王亞明

west · 發表於 2017-3-17 13:22:52

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本片文章是由索尼中國專業系統集團技術總監王亞明於前幾天才寫作完成，特別情商刊載於精研論壇，分享給各位。

索尼與 HDR 製作

索尼中國專業系統集團創新業務開發本部

技術總監王亞明

4K 和 HDR（高動態範圍）是近年來影視製作行業的熱點。在兩維圖像的範疇內，4K 增加了圖元（解析度）信息量，HDR 增加了亮度和彩色信息量，信息量的增加提升了圖像品質。增加圖元信息量需要提高流量，增加亮度和彩色信息量並不增加流量，但需要改變技術標準以擴大亮度和彩色空間，定義新的坐標系。2003年好萊塢導演羅伯特·羅德里格茲在拍完 Once Upon a Time in Mexico《墨西哥往事》(英雄不回頭 2003)後給影視新人講了一個火腿的故事，借用這個故事可以形象地說明什麼是 HDR。

電影 Once Upon a Time in Mexico

故事裡有一對年輕的夫妻做火腿，妻子把火腿兩頭的邊緣切掉。丈夫問，你為什麼把兩頭切掉？好像很浪費。妻子說，我媽媽就是這樣做的。那我們問問你媽媽，為什麼在做火腿前把兩頭切掉？媽媽說，我祖母就是這麼做的，問她吧。於是他們去問祖母：為什麼在做火腿前把兩頭切掉？祖母說，只有這樣我才能把它放進當年用的鍋裡。

如果把電視體系看成一口鍋，這個故事裡祖母當年用的小鍋就是標清和Full HD電視的 SDR（標準動態範圍），那個火腿就是要再現的圖像。SDR 是幾十年前依據攝象管和顯像管性能制定的技術標準，根據人眼特性，電視需要再現的動態範圍很大，而攝像管和顯像管的動態範圍很小，必須把高動態範圍圖像這個大火腿的暗部和高亮度部分切掉，才能放進 SDR 這口小鍋。

亮度和彩色空間

幾十年過去了，如今攝像管和顯像管早已被淘汰，拍攝和顯示器件的性能有了長足的發展，CCD/CMOS 和 LCD/OLED 能夠再現的動態範圍已經超過了SDR這口小鍋，但影視製作仍然把高動態範圍圖像的兩頭切掉才能放進 SDR 這口幾十年未變的小鍋。要想不切掉兩頭做出完整的火腿，完美地再現更高品質的高動態範圍圖像，影視製作需要一口大鍋，這口大鍋就是 HDR。從技術標準的角度來看，HDR 是更大的亮度和彩色空間。

亮度（伽瑪）和彩色空間

HDR 的核心是增加圖像的亮度和彩色信息量。如果把色域看成“鍋底”，把峰值亮度看成“鍋沿”，那麼Full HD 709 色域和 709 伽瑪對應的100 nit峰值亮度構成的“小鍋”就是Full HD電視的亮度和彩色空間；超Full HD 2020 色域和 1000（最高至 10000）nit峰值亮度構成的 “大鍋”就是 HDR 的亮度和彩色空間。

OETF、EOTF 和 OOTF

OETF（ Opto-Electrical Transfer Function，光電轉換特性）是攝影機中被攝景物光亮度轉換為電信號的特性。在傳統的電視體系中，OETF 就是攝影機伽瑪。

EOTF（Electro-Optical Transfer Function，電光轉換特性）是監視器和電視機中電信號轉換為顯示光亮度的特性。在傳統的電視體系中，EOTF 就是顯像管伽瑪。

OOTF（Opto-Optical Transfer Function，光光轉換特性）是OETF與EOTF抵消後遺留的特性，即被攝景物亮度與顯示光亮度的轉換特性。在傳統的電視體系中，OOTF 就是系統伽瑪。

OETF 與 EOTF

SDR（電視伽瑪）的前世今生

電視顯像管原生的電光轉換特性（EOTF）不是線性的，其輸入電平與顯示亮度之間呈現非線性的指數（反對數）關係，這個關係中的指數就是顯像管伽瑪（γ），實際顯像管產品的伽瑪值大約在 2 – 2.6 之間，過去電視行業普遍採用 2.2。所謂非線性，即顯像管的靈敏度不是常數而是與輸入電壓相關，輸入電壓越低靈敏度越低，輸入電壓越高靈敏度越高。

攝影機成像器件原生的光電轉換特性是線性的（γ=1），為了在顯像管上得到正常對比度的圖像，需要在攝影機中進行 1/γ≈1/2.2≈0.45的非線性對數處理（OETF），經過處理後系統伽瑪 γt = 0.45x2.2≈1（OOTF），這就是電視伽瑪校正，簡稱電視伽瑪。2011 年，ITU 為規範顯像管特性發佈了 BT.1886 檔，規定顯像管伽瑪為 2.4，這樣系統伽瑪 γt = 0.45x2.4=1.08。

由此可見，在傳統的電視體系中，先有顯像管伽瑪這個硬體特性，之後為了校正顯像管的非線性引入了電視伽瑪，兩者都是被動的，非線性特性來自硬體（顯像管）的原生性能。由於顯像管的最高發光亮度只有 100-150 nit，只能再現被攝景物的相對亮度。

SDR 製作流程中電平與顯示亮度的關係（BT.709 理論值）

SDR Full HD攝像機拍攝信號 E 的電平範圍可以達到 0-600%，但 BT.709 電視伽瑪只對峰值白對應的 100%電平以內的信號進行非線性伽瑪處理，超過 100%電平的高亮度信號無法再現，系統能夠再現的動態範圍為 100%，100%傳輸電平對應的監視器峰值亮度為 100 nit。

BT.709 電視伽瑪只定義了黑至峰值白對應的 0-100%電平，在實際的攝影機產品中，電視伽瑪處理的這部分信號大約占傳輸電平的90%，100% - 600%的高亮度電平則用拐點/斜率壓縮到剩餘的 10%電平資源內，系統能夠再現的動態範圍為600%，即動態範圍是正常曝光量的6倍。由於代表 100% - 600%高亮度的電平信號只能使用傳輸電平資源的 10%，圖像中高亮度部分的層次被壓縮，無法完美再現。

SDR 製作流程中電平與顯示亮度的關係（實際值）拐點/斜率的處理範圍不是 BT.709 標準規定的，攝影機廠家可自行定義，專業攝影機還允許用戶在一定範圍內自行調整。

HDR 方案

目前已經被市場接受的 HDR 方案是北美的 HDR10，杜比的 Dolby Vision，以及 BBC 和 NHK 的 HLG。3 個方案中，HDR10 和 Dolby Vision的 EOTF 都是 PQ，區別是 HDR10 是單層的圖像資料+中繼資料，不支援 SDR 與 HDR 自動相容，而 Dolby Vision 則把 HDR 圖像資料重新編碼為代表 SDR 圖像的基本層和代表高動態範圍資訊的加強層雙層資料，實現了SDR 與HDR 的自動相容，因此可以把 HDR10看作 Dolby Vision 的簡化版。不過，PQ 與傳統的電視伽瑪完全不同，是一個再現絕對亮度的全新體系，而 HLG 與 SDR 電視伽瑪相似，只再現景物的相對亮度，因此可以採用與傳統高標清相同的製作流程。

HLG

HLG定義了製作端的OETF對數特性曲線，與其對應的EOTF顯示曲線是 HLG 的Inverse OETF，即與 HLG OETF 相反的特性。

HLG 非線性特性是為相容 SDR 設計的，與硬體性能無關。支援 HLG製作的攝影機拍攝信號 E 的電平範圍為 0-1200%，經過 HLG 非線性處理後信號 E′的電平被壓縮到 0-100%，峰值白對應的 100%電平占傳輸電平 50%，100% - 1200%的高亮度電平佔用其餘的 50%電平資源。HLG 系統能夠再現的動態範圍為 1200%，也可以說HLG 的動態範圍是正常曝光量的 12 倍。

HLG 製作流程中電平與顯示亮度的關係

HLG 是對傳統電視體系的改進，擴展了高亮度景物的再現能力。盡管BT.2100建議HLG的顯示峰值亮度是 SDR（BT.709）的 10 倍（1000nit），仍然無法再現被攝景物的絕對亮度，只能再現被攝景物的相對亮度。與傳統的 SDR Full HD、標清電視一樣，HLG體系認為電視既沒有必要、也不可能再現拍攝場景的絕對亮度，再現拍攝場景的相對亮度就能夠向觀眾傳遞足夠的圖像資訊。

與傳統的SDR電視體系一樣，HLG只規定了製作監視器的峰值亮度，當電視機的峰值亮度與製作監視器相同時電視觀眾看到的圖像與現場導演或調色師製作時看到的圖像相近，圖像品質最好；電視機峰值亮度與製作監視器不同時觀眾看到的圖像平均亮度和峰值亮度會有變化，就像現在家庭觀看SDR電視的情況一樣。

PQ（ST 2084）

PQ 定義了顯示端的 EOTF 曲線，與其對應的 OETF 製作曲線是 PQ的 Inverse EOTF，即與 PQ EOTF 相反的特性。PQ 曲線（EOTF）是完全按照人眼靈敏度設計的，與硬體無關，傳輸電平資源的分配與人眼靈敏度完全匹配，其體系的基本理念是用絕對亮度再現被攝景物，與傳統電視只再現被攝景物相對亮度的理念完全不同。例如，在PQ的體系中，被攝景物峰值白的亮度為 100 nit，對應攝像機輸出 E 的 100%電平，經過 PQ 曲線非線性處理後傳輸電平 E’被壓縮到 50%，對應的顯示亮度為 100 nit；被攝景物中高亮度 10000 nit對應攝像機輸出 E 的 10000%電平，經過 PQ 曲線非線性處理後傳輸電平 E’ 被壓縮到 100%，對應的顯示亮度為10000 nit，能夠再現的動態範圍為 10000%，動態範圍是正常曝光量的 100 倍。

PQ（HDR10/Dolby vision）製作流程中電平與顯示亮度的關係

再現絕對亮度的條件是顯示器件的顯示亮度必須與拍攝場景的實際亮度相同。PQ 定義的最高峰值顯示亮度為 10000 nit，但在相當長的時間內顯示器件的性能很難實現，杜比的解決方案是製作時允許使用峰值亮度低於 10000 nit的監視器，但終端顯示裝置的峰值亮度必須與製作監視器相同。因此，用 PQ 曲線製作的節目必須明確標明其使用的監視器峰值亮度，用 1000 nit監視器製作的節目只適用於 1000 nit電視機顯示，在其它不同亮度的電視機上呈現效果是不對的。當終端電視機的峰值亮度與製作監視器不同時，依據場景中繼資料可以自動控制終端顯示裝置的亮度與製作監視器相同，或把製作母版的電平映射到低亮度顯示器件上以顯示正常對比度和平均亮度的圖像。

因此，使用 PQ 曲線製作 HDR 節目時，必須同時傳輸包括製作監視器峰值亮度等資訊在內的中繼資料，才能正確再現拍攝場景的對比度、平均亮度和峰值亮度，不過只要製作、終端電視機的峰值亮度達不到10000 nit，傳遞給觀眾的圖像資訊只能在一定的亮度範圍內再現絕對亮度。

S-Log3

由於存在不同的 HDR 播出傳輸方案，電視臺和製作公司在製作時並不知道會用哪種方案播出傳輸，為節省成本一般只製作一個 HDR母版。用 PQ（ST2084）製作HDR母版時首先要確定峰值亮度，1000 nit監視器製作的HDR母版動態範圍只有1000%，2000 nit監視器製作的母版動態範圍 2000%；用HLG製作HDR母版時由於HLG的動態範圍只有1200%，完成的母版即使轉換成PQ動態範圍也被限制在 1200%以內，因此無論母版採用 PQ 還是 HLG 都可能留有遺憾。

索尼建議採用與播出無關的S-Log3對數伽瑪製作HDR中間母版（Mezzanine Master），播出時再轉換成PQ或HLG。S-Log3是索尼攝影機使用的OETF，動態範圍4000%，雖然比PQ的10000%小，但大於HLG的1200%，量化資源配置適合10bit周邊設備處理。

S-Log3基於Cineon數位負片設計，與電影行業的Cineon對數伽瑪幾乎完全相同，已經獲得大多數後期製作設備廠家支援，調色師對S-Log3 也很熟悉。

10 bit S-Log3 與 Cineon 特性比較目前市場上大多數攝影機不能記錄 PQ 或 HLG 檔，只能記錄S-Log3或類似的對數伽瑪檔，這些攝影機拍攝的素材都可以用S-Log3 製作 HDR 母版，播出時再轉換成 PQ 或 HLG。

HDR 製作流程

HLG 和 PQ 都是用於 HDR 播出的伽瑪。因為 HLG 是對傳統電視體系的改進，所以 HLG 像傳統電視伽瑪一樣既可以用於播出也可以用於演播室攝影機實現所見即所得的直播製作；PQ（ST 2084）是再現絕對亮度的，與傳統的SDR電視伽瑪理念完全不同，而且 PQ 的動態範圍比SDR大得多，直播攝影機使用 PQ 時調光工程師很難找到正確的曝光參考點，難以實現精准操控的直播製作。

索尼建議直播攝影機選擇易於操控的 S-Log3 對數伽瑪，再根據需求把 S-Log3 轉換成 PQ（ST 2084）或 HLG 播出。為此索尼專門設計了 HDR 格式轉換器 HDRC-4000，內置的 2 個獨立處理器可以即時完成 2 路不同伽瑪、色域和解析度的 HDR/SDR 信號格式轉換。

HDR 製作流程

脫胎於電影的 S-Log3 也同樣適用於 HDR 檔製作流程。對 HDR 製作來說，S-Log3 是化繁為簡的工具，只要掌握了 S-Log3 流程就能製作出高品質的 HDR 節目，無須考慮 HDR 播出格式。

最高品質的 HDR 檔製作流程記錄 16 bit原始資料 RAW，RAW 記錄了成像器件輸出的全部亮度和彩色資訊，為減少製作過程中的損失可以選擇比 HDR 更大的 ACES 空間製作調色，輸出 PQ 或 HLG檔。

索尼 4K 製作設備全面支援 HDR

為迎接即將到來的 4K 和 HDR 製作高潮，索尼的專業製作設備已經做好了全面準備。從演播室/轉播車用的攝影機、切換台、監視器、伺服器、HDR 格式轉換器，到拍攝電視劇、紀錄片使用的攝影機等多種產品，都具備了 HDR 製作能力。

索尼專業產品全面支援 HDR 製作

結語

影視製作發展的歷史就是不斷地追求更高的圖像品質。回顧 2008 年北京奧運會開幕式，晶瑩剔透的五環、璀璨的煙花、閃爍的和平鴿、壯麗的卷軸等光影夢幻奇景為現場觀眾留下了不可磨滅的印象，不過，當時的影視製作技術無法完全再現這個世紀盛事精彩場景的動態範圍和絢麗色彩，留下了諸多遺憾。HDR 大幅提升了影視技術再現圖像動態範圍和彩色的能力，使其達到或接近人眼的特性，為影視行業製作更高品質的節目提供了強大的技術手段。