王亞明

問：除ITU-RBT.2390、2408介紹的轉(zhuǎn)換方法外，還有哪些類型的HDR轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品？

答：可以把市場上的HDR轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品分為三類。

第一類是以ITU相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)為基礎(chǔ)研發(fā)的產(chǎn)品，這類設(shè)備的轉(zhuǎn)換方法基于BT.2087、2390、2407、2408、2446等文件推薦的OETF、EOTF、動態(tài)范圍、色域轉(zhuǎn)換法，所有轉(zhuǎn)換都是計算的結(jié)果，所有計算都有理論依據(jù)，根據(jù)場景參考、顯示參考、色調(diào)映射、色域矩陣轉(zhuǎn)換的計算得到輸出，使用時需要根據(jù)需求設(shè)置正確的參數(shù)，是典型的工程師思維，可稱之為“技術(shù)派”。

第二類是在“技術(shù)派”的基礎(chǔ)上增強(qiáng)或簡化。有些“技術(shù)派”轉(zhuǎn)換器增加了動態(tài)自適應(yīng)能力，下轉(zhuǎn)換時可根據(jù)輸入的HDR圖像亮度自動調(diào)整電平映射關(guān)系，能夠適應(yīng)比固定參數(shù)映射下轉(zhuǎn)換更寬的動態(tài)范圍，無需復(fù)雜的參數(shù)設(shè)置。有些轉(zhuǎn)換器則利用HLG與SDR的兼容性做了簡化，在HLG下轉(zhuǎn)換時OETF保持不變，只是把BT.2020色域轉(zhuǎn)換為BT.709色域，即只轉(zhuǎn)色域不轉(zhuǎn)伽瑪，就像用BT.2020色域的SDR監(jiān)視器觀看HLG圖像一樣。

第三類是以人眼視覺感受為基礎(chǔ)研發(fā)的，這類設(shè)備的轉(zhuǎn)換方法基于藝術(shù)家的體驗而不是技術(shù)數(shù)據(jù)計算，不考慮場景參考、顯示參考、色調(diào)映射之類的技術(shù)邏輯，而是由調(diào)色專家對某種伽瑪、動態(tài)范圍和色域的圖像進(jìn)行調(diào)色，使其在目標(biāo)監(jiān)視器上看起來與原始圖像相近，并把調(diào)整參數(shù)用LUT的形式記錄下來做成產(chǎn)品，用藝術(shù)而不是技術(shù)邏輯實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。這類轉(zhuǎn)換器使用時無需復(fù)雜設(shè)置，只需要選擇符合用戶輸入、輸出信號OETF和色域要求的LUT即可，是典型的藝術(shù)家思維，可稱之為“藝術(shù)派”。

上述分類并不是絕對的，工程師與藝術(shù)家也并非完全對立，現(xiàn)實世界中既有懂技術(shù)的藝術(shù)家也有懂藝術(shù)的工程師，所以“技術(shù)派”的產(chǎn)品也會帶有藝術(shù)色彩，“藝術(shù)派”的產(chǎn)品也需要雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)支撐。以典型的“技術(shù)派”產(chǎn)品代表HDRC-4000為例，AIR-MATCHING（Artistic Intent Render Matching，藝術(shù)意圖渲染匹配）關(guān)閉時其轉(zhuǎn)換完全按ITU相關(guān)文件推薦的標(biāo)準(zhǔn)計算，技術(shù)正確。打開AIRMATCHING后除轉(zhuǎn)換增益差與標(biāo)準(zhǔn)HLG相差5dB外，還加入了設(shè)計者對畫面的藝術(shù)理解，使轉(zhuǎn)換后的圖像看起來更舒服、漂亮，但與理論計算的結(jié)果有差別，不是完全的技術(shù)正確。

除少數(shù)“技術(shù)派”產(chǎn)品外，很多轉(zhuǎn)換器都能加載第三方提供的LUT，此時轉(zhuǎn)換器硬件只承擔(dān)了信號接口功能，轉(zhuǎn)換特性完全取決于加載的LUT。一些知名的廣播電視運(yùn)營商、調(diào)色設(shè)備供應(yīng)商、調(diào)色工作室或調(diào)色師個人把適用于不同場景轉(zhuǎn)換需求的LUT作為商品出售，用戶購買后加載到自己的轉(zhuǎn)換器中就可以使用。這些用于動態(tài)范圍和色域轉(zhuǎn)換的LUT實際上是軟件產(chǎn)品，其中有些LUT偏重于技術(shù)，有些偏重于藝術(shù)，用戶可根據(jù)需求購買使用。

問：HDR轉(zhuǎn)換，上轉(zhuǎn)換還是下轉(zhuǎn)換難度大？

答：首先需要說明中國與其它國家和地區(qū)對超高清、寬色域、HDR處理方式的差別。在中國的廣播電視標(biāo)準(zhǔn)與實踐中，色域和動態(tài)范圍是與分辨率綁定的，具體來說高清就是BT.709窄色域SDR，4K超高清就是BT.2020寬色域HDR。歐美日韓等地的廣播行業(yè)則不把分辨率、色域和動態(tài)范圍做組合綁定，高清不但有傳統(tǒng)的窄色域SDR，也可以用寬色域SDR和寬色域HDR；4K超高清有寬色域HDR，也有窄色域SDR。

為討論方便，本文忽略分辨率并把動態(tài)范圍和色域綁定，當(dāng)討論SDR時默認(rèn)窄色域，HDR默認(rèn)寬色域，這樣，4K HDR與高清SDR互轉(zhuǎn)就簡化為HDR寬色域與SDR窄色域的互轉(zhuǎn)問題。與分辨率、幀率和圖像的數(shù)據(jù)量相關(guān)不同，動態(tài)范圍、色域與數(shù)據(jù)量無關(guān)，HDR寬色域與SDR窄色域使用的電平（量化）資源相同，不同動態(tài)范圍、不同色域的差別體現(xiàn)在兩者不同的電平與色域坐標(biāo)系上，數(shù)據(jù)量完全相同。

廣播電視的主流制作信號與文件格式均為10比特4：2：2，可以把10比特4：2：2看作一個容器，傳統(tǒng)的SDR與新的HDR使用的都是這個容器。雖然容器相同，但相同電平（碼值）映射的亮度和彩色是不一樣的，如果把映射的色域和亮度結(jié)合成空間，那么坐標(biāo)系不同時同一個容器映射的空間也不一樣，而相同的亮度和彩色在不同坐標(biāo)系中其坐標(biāo)值肯定不同。

上轉(zhuǎn)換就是把用SDR坐標(biāo)系標(biāo)定的視頻信號改為用HDR坐標(biāo)系標(biāo)定。由于SDR的空間小于HDR，SDR的所有亮度和彩色都在HDR空間內(nèi)，所以上轉(zhuǎn)換是可逆的無損處理，不會損失亮度和彩色信息，但轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)值會變小。例如，SDR轉(zhuǎn)換成HLG時，100%SDR電平應(yīng)映射為75%HLG電平，這就像把小鍋里完整的小蘋果放進(jìn)大鍋，蘋果不會受到損傷，如果把大鍋和蘋果等比例縮小，使大鍋的尺寸與小鍋相同，那么蘋果的尺寸就“變小”了。

與上轉(zhuǎn)換相反，下轉(zhuǎn)換是把用HDR坐標(biāo)系標(biāo)定的視頻信號改為用SDR坐標(biāo)系標(biāo)定。由于HDR的空間大于SDR，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后只有SDR空間內(nèi)的亮度和彩色信息能夠保留，SDR空間之外的亮度和彩色信息會丟失，所以從信息量的角度來看下轉(zhuǎn)換是不可逆的有損處理。下轉(zhuǎn)換相當(dāng)于把大鍋里完整的大蘋果放進(jìn)小鍋，而蘋果比小鍋還大，所以不把大蘋果去掉一部分是不能放進(jìn)小鍋的。不過，HDR下轉(zhuǎn)換至SDR時損失的都是SDR無法再現(xiàn)的亮度和彩色信息，從SDR顯示設(shè)備的角度來看并沒有損失什么。

下轉(zhuǎn)換是亮度和彩色信息減少的過程，因此必須謹(jǐn)慎處理超過SDR空間的亮度和彩色信息。以HLG下轉(zhuǎn)換SDR為例，75%HLG電平應(yīng)映射為100%SDR電平，對超過75%HLG電平的信號有硬削波或軟削波兩種處理方法。硬削波損失了所有超過75%HLG的高光信息，軟削波在下轉(zhuǎn)換時也被稱為色調(diào)映射，用比較少的電平資源保留了部分高光信息，與攝像機(jī)的拐點處理相似。同樣地，BT.2020寬色域轉(zhuǎn)換為BT.709窄色域時也存在類似的問題，對超過BT.709色域的彩色信息也有硬削波或軟削波兩種處理方法，硬削波損失了寬色域的信息，軟削波用較少資源保留了部分寬色域信息。

綜上所述，從技術(shù)角度來說，HDR下轉(zhuǎn)換SDR的難度比SDR上轉(zhuǎn)換HDR的難度更大一些。

問：HDR轉(zhuǎn)換需要注意什么問題？

答：HDR轉(zhuǎn)換時單純關(guān)注上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換圖像質(zhì)量是不夠的，需要考慮在整個制作、播出流程中可能出現(xiàn)的各種往返（Round-Tripping）轉(zhuǎn)換組合對圖像質(zhì)量的影響。例如，在HDR節(jié)目中有時會使用一些SDR歷史素材，采用某種映射方式上轉(zhuǎn)換后，在HDR節(jié)目中這些上轉(zhuǎn)換的SDR素材與原生HDR圖像看起來差別并不大。但把這個HDR節(jié)目直接下轉(zhuǎn)換SDR播出時，可能會出現(xiàn)下轉(zhuǎn)換映射方式與HDR節(jié)目中原生SDR素材上轉(zhuǎn)換方式不匹配的問題，這時下轉(zhuǎn)換圖像中原生SDR素材的圖像灰度和彩色就會出現(xiàn)異常，與節(jié)目中原生HDR下轉(zhuǎn)換的圖像差別比較大。如果下轉(zhuǎn)換播出時采用的映射方式與HDR節(jié)目中SDR素材上轉(zhuǎn)換的方式匹配，則不會出現(xiàn)上述問題。

采用“技術(shù)派”轉(zhuǎn)換器時，往返轉(zhuǎn)換對原生SDR圖像的影響如下：

· 場景參考映射（SR）上轉(zhuǎn)換+場景參考映射（SR）下轉(zhuǎn)換：上下轉(zhuǎn)換增益差絕對值相同時，往返轉(zhuǎn)換后的SDR與原始SDR相比，電平幅度、矢量幅度/相位（色調(diào)）相同，圖像沒有變化。

· 顯示參考映射（DR）上轉(zhuǎn)換+顯示參考映射（DR）下轉(zhuǎn)換：上下轉(zhuǎn)換增益差絕對值相同時，往返轉(zhuǎn)換后的SDR與原始SDR相比，電平幅度、矢量幅度/相位（色調(diào)）相同，圖像沒有變化。

· SR上轉(zhuǎn)換+DR下轉(zhuǎn)換：上下轉(zhuǎn)換增益差絕對值相同時，往返轉(zhuǎn)換后的SDR與原始SDR相比，電平幅度略有增加，矢量幅度減小，矢量相位（色調(diào)）改變，圖像亮度略有增加，飽和度變淡，色調(diào)出現(xiàn)偏差。

· DR上轉(zhuǎn)換+SR下轉(zhuǎn)換：上下轉(zhuǎn)換增益差絕對值相同時，往返轉(zhuǎn)換后的SDR與原始SDR相比，電平幅度略有增加，矢量幅度減小，矢量相位（色調(diào)）改變，圖像亮度略有增加，飽和度變淡，色調(diào)出現(xiàn)偏差。

往返轉(zhuǎn)換映射方式相同時對原始SDR圖像沒有影響，映射方式不同時原始SDR圖像的彩色飽和度和色調(diào)都會發(fā)生變化。對原生HDR圖像的下轉(zhuǎn)換來說，場景參考映射與顯示參考映射的差別并不大，但對原生SDR上轉(zhuǎn)換的HDR圖像來說兩種映射方式的差別比較大。因此，應(yīng)盡量避免SR與DR交叉混合的往返轉(zhuǎn)換。

對“藝術(shù)派”轉(zhuǎn)換器來說情況更為復(fù)雜，因為這類設(shè)備主要考慮單純的下轉(zhuǎn)換或上轉(zhuǎn)換視覺效果，使用前必須對這類轉(zhuǎn)換器可能出現(xiàn)的各種往返轉(zhuǎn)換組合進(jìn)行全面的主觀評價，才能了解其在整個制作和播出流程中的性能。B&P

（未完待續(xù)）