超高清电视制作技术要点浅析
来源:用户上传
作者:陈峥嵘 张文辉 王汉雄 庞晓蓉
[摘要]归纳了超高清（UHD）电视节目在生产过程中需要关注的关键因素，以及4KUHD电视制作系统需求，并针对当
前超高清/高清（UHD/HD）混播阶段的下变换的技术特点。
[关键词]超高清电视;BT.2020G域;高动态范围;感知量化;HLG;超高清/高清混播;下变换
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.11.013
随着UHD（Ultra-high definition，超高清）电视技术的不断发展，在电视设备生产企业的大力推动下，ITU（国际电信联盟）、SMPTE（电影和电视工程师协会）、ARIB（日本无线工业及商贸联合会）等国际标准化组织都开展了超高清系统标准化工作。目前已经制定了4K UHD电视标准近70余项，涉及节目制作、基带接口、信号传输、音视频处理、终端设备和评价测试等超高清制作、传输、测试等多个关键环节。2012年下半年，国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）颁布了面向新一代UHD视频制作与显示系统的BT.2020标准，定义了电视广播与消费电子领域关于超高清视频显示的各项参数指标，促进4K超高清家用显示设备进一步走向规范化。
自2017年，中国出台了一些列相关政策引导超高清电视的发展，国家新闻出版广电总局在2017年9月20日发布的《新闻出版广播影视“十三五”发展规劃》提出：“适时开播4K超高清电视试验频道，推动构建高清（HD）、4K超高清电视混合播出系统”;当年11月9日下发《关于规范和促进4K超高清电视发展的通知》指出：“优先支持高清电视发展较好的省份和机构开展4K超高清电视试点”。与此同时，国家新闻出版广电总局相继批准发布了行业标准GY/T 307-2017《超高清晰度电视系统节目制作和交换参数》、GY/T 315-2018《高动态范围电视节目制作和交换图像参数值）》、GY/T 316-2018《用于节目制作的先进声音系统》。2018年3月，中央广播电视总台发布实施了《4K超高清电视节目制播技术规范》和《4K超高清播出格式MXF文件规范》，同年5月发布实施了《基于“4K超高清图像+环绕声/三维声”家庭影院配置规范》和《中央广播电视总台4KtlI高清演播室录制声道管理规范》。在诸多政策、标准的推动和指引下，广东广播电视4K，N道和中央广播电视总台4K频道正式开播，国内省级台纷纷展开在超高清领域的探索和实践。
2018年9月，国家广播电视总局印发《4K超高清电视技术应用实施指南（2018版）》，适用于3840X2160分辨率、50帧/秒帧率、10bit量化精度、BT.2020色域、高动态范围（HDR）的4K超高清电视节目制作、播出、编码、传输系统与终端的适配。BT.2020标准主要从以下五个要素对超高清电视系统进行规范：分辨率、帧率、量化值、色域、高动态范围（见图1）。这五个方面的变化，直接导致UHD节目的生产难度大大增加。以下对这些难点逐一分析。
1分辨率、帧率、量化值带来的变化
UHD分辨率由HD（1920×1080）提高到4K（3840×2160）和8K（7680×4320）。刷新率方面，取消了原有的隔行扫描，UHD全部采用逐行扫描，帧率从50P起，最高可达到120P甚至更高。量化由原来的8bit提升为10bit（4K）和12bit（8K）或更高。
分辨率、帧率、量化值指标的提高，对于生产系统提出了更高要求。首先，存储系统大幅增加，以HD为例，中国大部分电视台的生产码率采用100Mb/s（50I）和120Mb/s（50I）;4K生产码率从500Mb/s（sony XAVC编码）起，最高可达到1.8Gb/s（apple prores 422HQ）。如果生产系统采用raw格式，数据量将会更加惊人。其次，对于后期制作系统的运算能力也提出了更高要求，由于数据量大幅提升，相应的对CPU、内存、显卡等设备的计算能力要求也大幅提升。
2色域
从HD电视到UHD电视明显变化体现在两个方面，色域由REC.709变为BT.2020，动态范围由SDR（标准动态范围）提升为HDR。因为这两点变化，直接导致整个生产系统，从前期拍摄到后期制作需要全面升级，重新规划。
BT.2020色域相较于REC.709，见图2，色彩范围大幅提升，目前采用SDR的HD电视系统，不管是从摄像机，还是制作系统到监视设备，都不支持BT.2020，无法按照BT.2020色域进行生产。
人眼动态范围特性：人眼具有很高的动态范围，其绝对灵敏度能从30unt～20000nt。在瞳孔不变的情况下，在同一场景中能够识别的最大对比度约为100000：1。相对的，显示设备的“帧内对比度”性能也要求HDR系统能够再现100000：1对比度，这样才能满足人眼的可视要求。目前的SDR电视系统的适配显示终端为100nt亮度，必须把拍摄场景的动态范围控制在较小的1000：1，不能满足人眼的可识别的100000：1对比度。
在目前的电视节目生产过程中，视频信息经历了OETF（光电转换特性）、EOTF（电光转换特性）两个过程，这两个过程相乘就是整个系统的转换特性OOTF（光光转换特性），如图3所示。其中，摄像机伽玛为OETF;监视器伽玛为EOTF;系统的伽玛为OOTF，即摄像机伽玛和监视器伽玛的乘积。对于SDR电视系统，系统伽玛=1/2.2×2.4≈1.1。
在SDR内，无法再现人眼所见的全部亮度动态范围，电视再现的人物或者主体亮度大约控制在几十尼特，超过100nt的高亮部分无法正常显示，导致部分高亮区域的灰度层次丢失（过曝）。HDR则建立了比SDR更大的色彩/亮度体系，并改变系统的传输函数，从而再现更大的色域和更高的亮度动态范围，达到人眼可识别的最大对比度100000：1。典型HDR电视系统制作流程见图4。 目前HDR标准格式较多，在2016年7月，国际电联发布了ITU-RBT，2100标准，建议采用PQ（Perceptual Quantization，感知量化）（ST2048）和HLG（Hybfid-L09Gamma）作为播出格式。
PQ曲线（EOTF）按照人眼灵敏度设计，其体系的基本理念是再现被摄景物的绝对亮度。PQ制作流程中，摄像机拍摄信号的电平范围为0～10000%，经过Pq非线性处理后的信号电平被压缩到0～100%，峰值白对应的100%电平占输出电平50%，100%～10000%的高亮度电平占输出电平剩余的50%。系统能够再现的动态范围是正常曝光量的100倍。
HLG的EOTF非线性特性是兼容SDR设计，再现相对亮度，是对传统电视体系的改进，扩展了高亮度景物的再现能力。HLG制作流程中，摄像机拍摄信号的电平范围为O～1200%，经过HLG非线性处理后的信号电平被压缩到O～100%，峰值白对应的100%电平占输出电平50%，100%～1200%的高亮度电平占输出电平剩余的50%。系统能够再现的动态范围是正常曝光量的12倍。
在兼容SDR方面，由于PQ和HLG采用了完全不同的亮度体系，在向下兼容方面也有所不同。PQ制作的HDR母版在传输时分为双层数据（Dolby Vision）和单层数据（HDRl0）传输，双层数据传输时分为用于普通电视的基本层和包含HDR信息的增强层，基本层在现有的SDR系统中直接解码基本层信息，显示对比度和彩色正常的图像;增强层在支持HDR的显示设备中解码基本层和增强层的全部信息，显示HDR图像。这里需要注意的是，采用双层数据传输的PQ系统需要授权。单层数据传输时，用PQ制作的HDRl0母版插入静态元数据后进行传输，支持HDRlO的显示设备在检测到码流中的元数据后自动转入HDRl0模式显示HDR图像。现有的SDR显示设备无法正常显示单层数据传输的HDR图像，只能显示对比度和彩色不正常的灰暗图像。
HLG模式由于采用了相对亮度体系，可以实现HDR与SDR的直接兼容。无需双层数据和元数据传输，只需要在数据中加入HLG标识符，支持HLG的显示设备检测到HLG标识符后自动转入HLG HDR模式，显示HDR图像;而现有的SDR显示设备则显示对比度正常、彩色饱和度略为降低的SDR图像。
34K UHD电视制作系统需求
通过讨论UHD电视的五个主要技术指标可以看到，UHD电视节目的技术提升很大，不管是前期拍摄，或者后期制作，对设备和技术要求都大大提升，以4K电视制作为例。
3.1前期拍摄要求
摄像机：必须采用4K或者更高分辨率的设备，其动态范围必须大于13挡，伽玛必须采用HDR伽玛（PQ、HLG、slog3等），色域选用BT.2020或者更大色域。
記录素材格式：必须选用4K或者更高的分辨率，采用16bit RAw格式，或者10bit～12bit log模式4：4：4或者
4：2：2格式，色域选用BT.2020或者更大色域。
监视器：亮度需要选用600nt以上，最好1000nt或者更高，动态范围至少10000：1，最好大于100000：1，伽玛必须采用HDR伽玛（PQ、HLG、slog3等），色域选用BT.2020或者更大色域。
3.2后期制作系统
监视器：必须采用4K或者更高的分辨率，亮度需要选用600nt以上，最好1000nt或者更高，动态范围至少10000：1，最好大于100000：1，伽玛必须采用HDR伽玛（PQ、HLG、slog3等），色域选用BT.2020或者更大色域。
波形监视器：必须支持4K或者更高的分辨率，伽玛必须采用HDR伽玛（PQ、HLG、slog3等），色域选用BT.2020或者更大色域。
非线编制作系统：素材采集支持RAW、log格式文件，采用BT.2020或者更大色域;制作空间支持BT.2020或者更大色域;输出空间支持4K、HDR伽玛（PQ、HLG、slog3等）、BT.2020色域。
4UHD/HD混播阶段的下变换
伴随中央广播电视总台、广东广播电视台4K频道的正式开播，国内省级台也纷纷在4K UHD制播领域进行尝试和探索，由于资金、人才、节目源的制约，初步从4K/HD混播的方式进行建设。但4K节目如果需要在其他高清频道播出，上下变换就是不可避免的技术环节，一般通过媒资系统依据播出编排单给转码平台添加转码任务，转码为目标频道所需文件播出格式备播。这就需要转码平台必须支持4K超高清节目制作格式码率文件转为HD播出格式码率文件的功能，同时支持HDR转为SDR，BT.2020转为BT.709，三维声转为立体声的功能。通过对制播流程的梳理，4K-HDR下变换为HD—SDR节目播出，转码平台下变换系统性能是保证节目技术质量的关键点。
HD采用Rec.709色域，而4K UHD采用4K素材使用Rec.2020，有SDR和HDR两种方式。面向HD成片优先的生产阶段，演播室素材优先下变换1080/50P格式，批量进行画幅、色彩空间的转换，并且码率可以得到有效控制，适配HD制作需求。下变换的1080/50P素材与原有的4K素材保持相同的时间码与帧速率，用于HD成品的复杂编辑。
就目前情况，在技审、文件化、备播流程中，主流非编软件都可以很好地支持，通过对4K HDR原素材的制作，下变换后的高清素材也具备更高动态范围及亮度，对HD和4K进行两个版本的处理。随着非编性能的进一步提升和4K节目量的提升，使用4K素材进行后期处理，依靠软件自身的算法自行产生优化码率，提高编辑的实时性。工作过程中，随时进行原始码率和优化码率的切换，完成4K SDR/HDR版本的制作。下变换HD素材，软件自动从4K素材原始分辨率下变换HD，节省了前端素材转换高清版本的时间开销和高清版本套4K的工作，节省了各自版本的调色、包装合成工作，同时确保了高清版本、4K版本的一致性。
5总结
笔者归纳了UHD电视节目在生产过程中需要关注的关键因素，以及4K UHD电视制作系统需求，并针对当前UHD/HD混播阶段的下变换的技术特点。
UHD电视目前正处于蓬勃发展期，新的标准、新的技术、新的设备正如雨后春笋一样层出不穷，可以预见的是，UHD电视的发展会带动电视生产行业的技术更新和产业升级。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15142353.htm
