高動態範圍影象什麼意思

本文為論文精要，原文刊發於《廣播與電視技術》

2021

年第

1期。

在高畫質SDR向4K HDR過渡階段，系統還存在大量的SDR和HDR轉換需求，涉及多種複雜的SDR和HDR轉換場景，包括SDR到HDR轉換、HDR到SDR轉換、SDR-HDR-SDR往返轉換等。本文基於對當前SDR和HDR轉換技術發展現狀的跟蹤研究，梳理場景參考對映和顯示參考對映兩類轉換的轉換流程，並採用測試訊號對轉換效果進行評估，給出實際應用中轉換方法的選擇建議，可供從事SDR和HDR轉換應用相關工作時參考。

本文作者

周芸，女，1988 年生，碩士，廣播電視科學研究院電視技術研究所工程師，主要從事視音訊編碼、超高畫質電視等研究。

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引言

我國4K超高畫質影片採用HDR技術來獲得比SDR更好的視覺體驗，而傳統的高畫質電視系統則採用SDR技術。因此，在高畫質SDR向4K HDR過渡階段，系統還存在大量的SDR和HDR轉換需求，如4K節目製作時將高畫質SDR素材上變換為4K HDR進行製作（SDR到HDR轉換）、4K HDR節目下變換成SDR節目在高畫質頻道播（HDR到SDR轉換）、製作過程中將SDR訊號轉換為HDR進行製作最後再轉換回SDR進行播出（SDR-HDR-SDR往返轉換）等。SDR和HDR轉換不僅僅是轉換曲線的簡單對映，還可能涉及基準訊號電平的對映、色調對映等處理。處理不好很容易引入色偏、層次丟失等問題，無法滿足應用需求。

實際應用測試發現，不同廠家的轉換裝置轉換方法各異，不同配置下轉換效果也存在很大差別，因此需要對各環節的轉換過程謹慎處理，確保多次轉換後仍然能保證質量。本文在對當前SDR和HDR轉換技術發展現狀跟蹤的基礎上，梳理場景參考對映和顯示參考對映兩類轉換的轉換流程，並採用測試訊號對轉換效果進行評估，給出實際應用中轉換方法的選擇建議。

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SDR和HDR轉換技術發展現狀

國際電聯（ITU）針對SDR和HDR轉換，釋出了相關標準和報告。ITU-R BT。2390［1］和ITU-R BT。2408［2］提出了基於直接對映的SDR到HDR轉換方法，由於SDR範圍小於HDR範圍，這種轉換是把小容器裡的內容放在大容器中，轉換後不會損失資訊，轉換前後動態範圍不會發生改變。

ITU-R BT。2446［3］給出了三種基於動態轉換的SDR和HDR相互轉換方法，轉換前後動態範圍會有所改變。SDR和HDR轉換過程中可能還會涉及到BT。709色域和BT。2020色域的轉換。除了基於訊號處理的SDR和HDR轉換方法外，基於人工智慧（AI）的轉換技術也在不斷的被提出，但國內外都還沒有完全滿足需求的可商用產品。

從市場應用情況來看，裝置廠商主要採用的仍然是ITU-R BT。2087和ITU-R BT。2390提出的基於直接對映的轉換方法（也稱為基於固定引數的轉換），配合藝術性調整或動態檢測來獲得最佳轉換效果。為了實現方便，大部分裝置支援查詢表（LUT，LookUp-Table）的方式，可以同時包含多套轉換引數。

本文重點介紹基於直接對映的SDR和HDR轉換方法，包括場景參考對映和顯示參考對映，分析SDR到HDR轉換、HDR到SDR轉換和SDR-HDR-SDR往返轉換流程，對比評估場景參考對映和顯示參考對映的轉換效果，給出不同應用場景轉換方法的選擇建議。

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場景參考對映和顯示參考對映

對於一個電視系統，攝像機利用感測器對自然場景的場景光進行拍攝，並透過光電轉換函式（OETF）將光訊號轉換為電訊號進行傳輸，顯示終端透過電光轉換函式（EOTF）將接收到的電訊號轉換為用於顯示的顯示光。對於整個系統而言，可以看作是場景光透過光光轉換函式（OOTF）轉換為顯示光。

對於SDR系統，拍攝採用BT。709［6］規定的OETF（拍攝伽瑪近似為0。5），顯示採用BT。1886［7］規定的EOTF（顯示伽瑪為2。4），因此OOTF的系統伽瑪近似為1。2，顯示光比場景光的對比度和飽和度更高。對於HLG系統，最高亮度為1000 cd/m2時，OOTF對應的系統伽瑪為1。2，顯示光與場景光的對比度和飽和度也不一致。

因此，轉換過程中，需要根據實際應用場景選擇是基於場景光進行轉換還是基於顯示光進行對映。

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SDR到HDR轉換流程及測試

3。1 基於場景參考對映的轉換

基於場景參考對映的SDR到HLG轉換流程見圖1。

3。2 基於顯示參考對映的轉換

基於顯示參考對映的SDR到HLG轉換流程見圖2。

3。3 SDR到HDR訊號轉換測試

為了驗證SDR到HLG的轉換前後效果差異，採用10bit的100% BT。709 SDR彩條訊號進行測試。當高畫質SDR攝像機與4K攝像機共同進行4K節目拍攝製作時，為確保影象效果的一致性，高畫質SDR攝像機訊號建議採用基於場景參考對映的上轉換，相當於用HDR攝像機直接拍攝SDR場景，轉換後圖像的觀感與HLG攝像機拍攝的效果一致；但HDR製作流程中如果使用SDR圖文，如國旗、廣告等時，建議採用基於顯示參考對映的轉換，使得這些圖文顯示效果與高畫質SDR保持一致。另外，如果4K HDR製作時採用了已調色的SDR內容，也建議採用基於顯示參考對映的轉換。

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HDR到SDR轉換流程及測試

基於場景參考對映的HLG到SDR轉換流程見圖3。

基於顯示參考對映的HLG到SDR轉換流程見圖4。

為了驗證HLG到SDR的轉換效果，採用10bit的50% BT。709 SDR彩條訊號利用上述轉換流程進行測試。SDR和HDR同時製作時，如果只有HDR攝像機，採用SDR調光製作HDR時一般攝像機內建的下轉換採用場景參考對映下轉換，為了使調光師看到的影象與播出一致，高畫質播出時也要採用相同的場景參考對映下轉換；如果採用HDR調光製作HDR時，高畫質播出時可以根據需要選擇採用場景參考對映還是顯示參考對映進行下轉換，場景參考對映下轉換保留了SDR影象觀感，顯示參考對映下轉換則保留了HLG影象觀感。

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SDR-HDR-SDR往返轉換流程及測試

在某些場景下，需要將SDR訊號轉換為HDR，然後再轉換回SDR。SDR轉換為HDR有場景參考對映和顯示參考對映兩種，HDR轉換為SDR也有場景參考對映和顯示參考對映兩種，所以可能的往返轉換有四種：場景參考對映上轉換+顯示參考對映下轉換（SR上轉+DR下轉）、顯示參考對映上轉換+場景參考對映下轉換（DR上轉+SR下轉）、顯示參考對映上轉換+場景參考對映下轉換（DR上轉+DR下轉）、場景參考對映上轉換+場景參考對映下轉換（SR上轉+SR下轉）。

為了驗證往返轉換的的實際轉換效果，採用10bit的100% BT。709 SDR彩條訊號利用上述轉換流程進行測試，測試結果見圖5，與理論分析結果一致。

為了在HDR與SDR混合製作時確保往返轉換後的SDR訊號與未經轉換的原SDR訊號相同，應儘量避免在往返轉換時混合使用場景參考對映與顯示參考對映。

如果HDR製作時混合使用HDR攝像機和SDR攝像機，為了保證HDR觀感，建議採用場景參考對映上轉換將SDR轉換為HDR，高畫質SDR播出時採用對應的場景參考對映下轉換將HDR轉換為SDR。

如果HDR製作時使用了SDR圖文，建議採用顯示參考對映上轉換進行轉換，高畫質SDR播出也要採用對應的顯示參考對映下轉換，才能保持SDR圖文轉換前後效果一致。

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總結

在SDR和HDR轉換的具體實踐過程中，如何在對技術理論全面瞭解的基礎上，綜合藝術效果的考量，是目前應用的一個難點。基於直接對映的轉換方法實現簡單，能適用於大部分節目，是現階段的最佳選擇，但無法保證部分超亮或超暗畫面的轉換質量。實際應用中，應根據具體應用需求，選取合適的轉換方法，確保轉換後的內容質量。

參考文獻

［1］Report ITU-R BT。2390-7（07/2019）， High dynamic range television for production and international programme exchange［R］。

［2］ Report ITU-R BT。2408-3（07/2019）， Guidance for operational practices in HDR television production［R］。

［3］ Report ITU-R BT。2446-0（04/2019）， Methods for conversion of high dynamic range content to standard dynamic range content and viceversa［R］。

［4］ Recommendation ITU-R BT。2087-0（10/2015）， Colour conversion from Recommendation ITU-R BT。709 to Recommendation ITU-R BT。2020［R］。

［5］ Report ITU-R BT。2407-0（10/2017）， Colour gamut conversion from Recommendation ITU-R BT。2020 to Recommendation ITU-R BT。709［R］。

［6］ Recommendation ITU-R BT。709-6（06/2015）， Parameter values for the HDTV standards for［R］。

［7］ Recommendation ITU-R BT。1886-0（03/2011）， Reference electrooptical transfer function for flat panel displays used in HDTV studio production［R］。

【來源：省廣電局】

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