中央广播电视总台4K HDR 制作中的“窄范围” + “超白”初探

本文介绍了中央广播电视总台技术局发布2022 版《中央广播电视总台HDR 视频制作白皮书》修订的部分内容。针对“窄范围”+“超白”技术，说明了测试验证的过程以及这项技术的实际应用。

作者：中央广播电视总台崔博涵
来源：《现代电视技术》

随着广播电视技术的发展与进步，中央广播电视总台（以下简称总台）作为国家媒体，于2018 年 10 月1 日开播了全国第一个上星4K 超高清开路频道，2021 年10 月25 日开播奥林匹克奥运高清、4K 超高清同播频道，2022 年1 月24 日开播8K 超高清频道。为了提升超高清节目技术质量，更好地规范超高清节目制播流程，总台技术局打出一套“组合拳”，先后出台了多项技术规范，其中有《中央广播电视总台4K 超高清电视节目制播技术规范》《中央广播电视总台4K 超高清、高清电视节目同播技术规范》，以及针对HDR 视频制作发布的《中央广播电视总台HDR 视频制作白皮书》等，并在 2022 年4 月针对该白皮书发布了修订版本。

一 HDR 视频制作

相信很多朋友近些年对HDR 这个词都比较熟悉，经常可以看到支持HDR 功能的手机或者电视终端，那究竟什么是HDR 呢？所谓HDR（High Dynamic Range），即高动态范围，与之相对应的则是SDR（Standard Dynamic Range），即标准动态范围。本文讨论的HDR 指的是HDR 视频以及HDR 显示技术，而不是照片的HDR，照片HDR 的原理是同一时间拍摄多张不同曝光的照片，包括较低曝光值、正常曝光值、较高曝光值。根据算法选取各个曝光值中的细节，合成出一张同时兼具高光和暗部细节的照片。由于照片HDR 合成只涉及算法的合成，并未涉及光电转换，所以合成出来的照片还是处于SDR 的标准，其本质还是SDR。

根据ITU 推荐的有两种HDR 伽玛，分别为 HLG（Hybrid Log-Gamma，混合对数伽玛）和 PQ（Perceptual Quantization，感知量化）。HLG 是BBC 和NHK 提交的HDR 伽玛，源自白皮书 WHP283、WHP309、ARIB STD-B67 。HLG 定义了拍摄端的OETF（Opto-Electrical Transfer Function，光—电转换函数）。BT.2100 建议峰值显示亮度1000 尼特时HLG 的OOTF（Opto-Optical Transfer Function，光—光转换函数）为1.2，峰值显示亮度变化时OOTF 也随之改变，因此HLG 的 EOTF（Electro-Optical Transfer Function，电— 光转换函数）曲线是可变的，不是唯一的。PQ 是 Dolby 提交的HDR 伽玛，源自SMPTE ST 2084， PQ 定义了显示设备的电—光转换函数EOTF。PQ 的EOTF 曲线是唯一的、不变的、与设备无关， BT.2100 推荐了PQ 的OOTF，但OOTF 是可以根据需要改变的，因此OETF 是可变的，不是唯一的。

前文提到了总台在2018 年10 月1 日开播了全国第一个上星4K 超高清开路频道。面向4K 超高清频道的开播，在2018 年6 月总台发布的《中央广播电视总台4K 超高清电视节目制播技术规范》中明确了总台的4K 超高清节目视音频基本技术参数，见表1。此规范明确了总台在4K 超高清制作和播出使用的伽玛为HLG。

二视频信号域

为了制作更多超高清HDR 精品视频，总台早在 2019 年5 月发布了《中央广播电视总台HDR 视频制作白皮书》，明确了4K 超高清采用PQ 或HLG 进行视频制作时，用两种不同信号表示：“窄范围”和“全范围”，窄范围也叫窄域（Narrow range，或称为有限域 Limited range）被广泛使用，是默认值，全范围也叫全域（Full range）。

窄范围或全范围用编码值表达电平以10 比特量化为例，在窄范围中代表黑色最低亮度的编码值为 64，它对应窄范围百分比的0%，编码值4~64 对应窄范围百分比的-7%~0%，表示超黑电平。代表白色最高亮度的编码值为940，它对应百分比的100%，编码值940~1019 对应窄范围百分比的100%~109%，表示超白电平；而在全范围中则分别为 0 和1023（文件存储）对应全范围的0%~100%，或者4 和1019（SDI 传输），对应SDI 全范围信号电平的0%~100%。 HLG 与SDR 一样只用窄范围，而PQ 既用窄范围也用全范围，见图1。

值得注意的是，当信号源端与显示端采用的电平表达方式相同时，显示设备能够正确再现图像；信号与显示端采用不同的电平表达方式时，再现图像的暗部和亮部就会出现“不黑不白”或“缺黑少白”的现象。例如：信号源端窄域、显示端全域时，不能显示纯黑，原有的黑色暗部显示为暗灰，而且原有的高光不够亮；信号源端全域、显示端窄域时，纯黑部分缺失，原有的暗部层次无法显示，而且高亮部分缺失，原有的高光层次无法显示。

随着总台超高清制作技术的发展演进，总台技术局对该白皮书进行了一次修订，并在2022 年4 月发布了2022 版《中央广播电视总台HDR 视频制作白皮书》。对“视频信号参数”做了补充说明：

◆ ITU-R BT.2100 规定了“窄范围”和“全范围” 两种不同的信号表示法，窄范围的对应编码值如表内所示，窄范围被广泛使用，是默认值；

◆ HLG 应使用窄范围，PQ 可使用窄范围或全范围；

◆ 台内制作建议使用“HLG（窄范围）+ 超白”电平，即10 比特量化时黑电平为64，可用电平为64~1023，其中941~1023 为超白电平，有利于提高HLG 信号的动态范围，实际使用中，为保证视频文件与SDI 一致（10bit SDI 信号允许使用的电平为 4~1019），电平范围统一为64~1019；

◆ 在波形监视器上应使用IRE 或% 表示 HDR 信号电平。例如在10 比特量化时，940 对应100IRE，1019 对应109IRE。IRE 与% 是等效的， 100IRE=100%。

三 “窄范围”+“超白”的测试与应用

依据总台技术局发布2022 版《中央广播电视总台HDR 视频制作白皮书》的修改内容，台内制作建议使用“HLG（窄范围）+ 超白”电平即10 比特量化时，其中 941~1019 为超白电平，有利于提高 HLG 信号的动态范围，较1000 尼特峰值亮度，增加超白电平后，有效提高到1800 尼特左右，提高了80%。

总台技术局录制5 部超高清制作岛2（以下简称超2），积极参与测试工作，在近期制作的《飞向月球》第二季以及《你好！火星》两个项目中，采用边制作边测试的“双边”策略，摸索出了一个针对“窄范围”+“超白”的制作应用流程，以确保在后续的工作中，按照标准设置，保留画面中超白部分的亮度，提高画面的动态范围，从而提升整体节目的可观性和画面冲击力。图2 为《飞向月球》第二季截图画面，其中选取两个测试点，P1 为月球车车身高光反光点，亮度1569.2 尼特，P2 为宇航员太空帽高光反光点，亮度1618.4 尼特。图3 为《你好！火星》截图画面， P1 为眼神光反光点，亮度1457.6 尼特，这3 个点均达到“超白”电平。图3 P2 为被采访人物面部肤色选取点，亮度68.3 尼特。在2022 版《中央广播电视总台HDR 视频制作白皮书》中，对常见拍摄对象亮度、信号电平要求，亚洲人肤色亮度约在52~142 尼特，图3 P2 符合该要求。

下面就简单介绍一下测试内容：

1. 测试环境

测试环境如图4。

主机：MAC PRO

操作系统：MACOS 11.0.1

CPU 处理器：Inter E5 12 核2.7GHz×1

显卡：AMD FirePro D700×2 6G

内存：64GB

系统盘：500GB SSD

磁盘阵列：Promise Pegasus2 R6 3TB×6 SATA RAID5

连接方式：雷电2

接口箱：Blackmagic UltraStudio 4K 接口箱

监视器：Sony-X300

示波器：利达LV5490

软件：DaVinci Resolve 17.0 ，FCPX 10.5，MediaInfo， Blackmagic Media Express 播放器

2. 测试素材

◆ BT.2111 HLG full range 彩条（全范围）；

◆ BT.2111 HLG narrow range 彩条（窄范围）；

◆ BT.2111 HLG narrow range+sub-black+superwhite 彩条（窄范围+ 超黑+ 超白）。

注：本次测试的工程时间线均为3840×2160 50P 2020HLG 10bit 的测试环境中进行。

3. 测试目的

利用超2 现有技术资源FCPX 和达芬奇（均为 MAC 平台），根据超2 的制作流程（如图5）——剪辑、校色、合成，测试出一个能够保留超白部分动态范围以及各项技术参数的标准设置。

4. 测试方法

本次测试采用“对比法”。在达芬奇对源素材不做任何调色处理的基础上，三种BT.2111 彩条素材，从输入到监看再到输出做比对，只有三者均保持波形不变，则设置方法正确（根据超2 的技术资源，本次测试从校色输出到合成输出均使用mov ProRes422 文件测试）。

达芬奇涉及数据级别的设置有三处：导入素材后，在媒体池中可设置素材的片段属性；视频监看，直接决定输出上监的数据级别；渲染输出，决定了打包成文件后的数据级别（见图6）。

对于“数据级别”三种选择的解释如下：

◆自动：根据您在“ 渲染到”下拉菜单中选择的要渲染到的编解码器，自动设置所有剪辑的输出数据级别；

◆视频：所有剪辑按视频的正常比例渲染（10 位64~940），也就是“窄范围”；

◆全部：所有剪辑都渲染为完整范围（10 位 4~1019），也就是“全范围”。理论上讲“视频监看” 和“渲染输出”的数据级别应当选择一致，否则所见非所得。

根据达芬奇手册，找到了其工作原理，具体为：

内部图像处理和剪辑数据级别：通常情况下，在DaVinci Resolve 内部，所有图像数据都作为全范围、未压缩的32 位浮点数据进行处理。也就是说媒体池中的每个剪辑，无论其原始位深度或数据范围如何，都将缩放为全范围32 位数据。每个剪辑的缩放方式取决于“剪辑属性”（clip Attributes）窗口中的“级别”（Levels）设置，该窗口可从“媒体池”（Media Pool）上下文菜单中获得。

以上表述，可总结为表2。

我们分别将三个彩条测试素材进行测试，每个彩条测试素材分别在三个阶段截取示波器上的波形图A、B、C 进行比对。

第一阶段：通过Blackmagic Media Express 播放器，直接加载素材输出至Sony-X300 监视器，同时环出至利达LV5490 示波器，在示波器上截取波形图A。

第二阶段：在达芬奇软件三处“数据级别”中，分别按照多种排列组合方式设置后，不对素材进行任何彩色校正，输出至Sony-X300 监视器，同时环出至利达LV5490 示波器，在示波器上截取波形图B。

第三阶段：通过Blackmagic Media Express 播放器，直接加载达芬奇渲染输出后的视频文件，输出至Sony-X300 监视器，同时环出至利达LV5490 示波器，在示波器上截取波形图C。

以下是三种测试素材在不同的“数据级别” 选择下的波形图对比表格。由于篇幅原因，笔者只介绍最终测试结果（见图7），其他多种排列组合后经过测试均有不同程度的问题出现，在此不做赘述。

注意：“视频监看”中的“超黑超白”只能和“视频级别”同时选择。

最终测试结果：全数据—全数据—全数据。

5. 测试小结

◆无论源为全范围还是窄范围，输出的文件与源均保持一致；

◆输入→监看→输出，波形均保持不变。

6. 测试结论

◆达芬奇在“片段属性”中所选的选项，仅仅是给这个文件打了一个数据级别的“标签”。也就是说，达芬奇内部是否将素材处理成“全数据范围”，是根据这个“标签”来决定的；

◆ ProRes MOV 文件不携带“数据级别”的元数据信息，达芬奇导入或输出ProRes MOV 文件，如果选择“自动”会默认为 “窄范围”。所以如果达芬奇导入自己输出的4K HLG MOV 文件后，必须在“片段属性”中选择“全部”；

◆根据总台2022 版《中央广播电视总台HDR 视频制作白皮书》，输出“4K HLG（窄范围）+ 超白”文件，无论源素材为全范围还是窄范围，达芬奇的三处设置“片段属性”“视频监看”“交付渲染”都应选择“全部”（全数据级别），才能正确调色输出。达芬奇输出上监，监视器应选择“Limited Range”（在调色过程中，需要手动确定窄范围画面编码值为64 的位置）。

四结束语

《飞向月球》第二季和《你好！火星》，是超2 制作岛在4K 超高清HDR 视频制作“窄范围”+“超白”电平方面的初步尝试与应用。团队经过大量测试工作，最终理解了达芬奇软件的内部处理逻辑并形成操作规范。这给今后的HDR 视频制作，提供了该技术的可行性参考。在不增加预算成本的前提下，提升了节目画面的动态范围，最大程度增加了现有技术资源的利用空间，这对今后的4K/8K HDR 视频制作起到一定的参考和指导作用。