王亞明

什么是DCI放映機(jī)顯示伽瑪？

DCI（數(shù)字影院倡導(dǎo)聯(lián)盟）是好萊塢幾大電影制作、發(fā)行公司為推動(dòng)電影放映數(shù)字化成立的公司。為規(guī)范數(shù)字電影放映市場，DCI制定了數(shù)字母版（DCDM）、發(fā)行拷貝（DCP）和放映機(jī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，沿用了膠片電影的48尼特放映亮度和發(fā)行放映拷貝的伽瑪值2.6。影院的黑暗環(huán)境、大尺寸放映銀幕和觀眾注意力的高度集中需要顯示圖像有更高的量化精度，因此DCI的發(fā)行拷貝和放映機(jī)采用了12比特量化。

不過，數(shù)字電影的制作流程與膠片電影、電視不同，與顯示伽瑪匹配的對數(shù)特性拍攝伽瑪并不是在前期拍攝時(shí)處理的，而是在后期的調(diào)色和數(shù)字母版制作時(shí)完成的，因此DCI只定義了放映機(jī)的顯示伽瑪，不像電視那樣還需要定義拍攝伽瑪。

電影與電視對動(dòng)態(tài)范圍的表達(dá)方式有什么差別？

由于歷史原因，電視與電影行業(yè)采用不同的方式表達(dá)動(dòng)態(tài)范圍。首先是用詞不同，電視用動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic Range），電影用寬容度（Latitude）。其次是基準(zhǔn)不同，SDR電視時(shí)代，行業(yè)慣例是以90%反射率白為基準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)范圍用百分比表示，電影以18%反射率灰為基準(zhǔn)，寬容度用光圈檔數(shù)表示，兩者的詳細(xì)比較和換算見表1。

SDR攝像機(jī)的伽瑪特性與理論值有什么差別？

理論上，用百分比計(jì)量視頻信號(hào)電平時(shí)，100%電平代表100% SDR動(dòng)態(tài)范圍。SDR時(shí)代并未定義測試攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍使用的測試卡類型，行業(yè)慣例是拍攝包括90%反射率白在內(nèi)的灰階卡，調(diào)整曝光量使90%反射率白的輸出電平為100%（700mV），對應(yīng)亮度信號(hào)的100%動(dòng)態(tài)范圍，在監(jiān)視器上顯示100尼特峰值白亮度。這就意味著如果完全按理論值處理，SDR攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍只有100%，沒有電平和亮度資源表現(xiàn)超過100%動(dòng)態(tài)范圍的高光。

對傳輸來說電平是資源，100%電平是上限，對顯示來說亮度是資源，100尼特是上限，100%電平對應(yīng)100尼特亮度。電視只能再現(xiàn)100%動(dòng)態(tài)范圍當(dāng)然是不夠的，比照膠片電影，在有限的電平和亮度資源范圍內(nèi)，電視系統(tǒng)希望能夠再現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍是300-600%，即能夠再現(xiàn)超過測試白卡3至6倍亮度的灰度層次。

受限于電視信號(hào)的幅度和顯像管亮度，只能在這個(gè)有限的范圍內(nèi)再現(xiàn)大于100%的動(dòng)態(tài)范圍。SDR電視處理這個(gè)問題的方法是拐點(diǎn)和斜率，即用90%左右的大部分信號(hào)電平表現(xiàn)100%動(dòng)態(tài)范圍以內(nèi)的灰度層次以正確再現(xiàn)人臉面部或拍攝對象主體，剩余10%左右的少量電平表現(xiàn)100-600%動(dòng)態(tài)范圍的高光層次，使其被拐點(diǎn)和斜率壓縮在很小的電平和亮度范圍內(nèi)。

模擬電視發(fā)射機(jī)對信號(hào)電平有嚴(yán)格要求，電視信號(hào)電平不允許超過1V，否則發(fā)射機(jī)就會(huì)面臨過載的風(fēng)險(xiǎn)。為了在輸出電平不超限的情況下提高動(dòng)態(tài)范圍，攝像機(jī)都采用了這種伽瑪+拐點(diǎn)的處理方式。因此，在模擬電視時(shí)代攝像機(jī)的伽瑪特性與理論值略有不同。

從圖8和圖9可以看到，SDR攝像機(jī)分配給高亮度部分的電平資源只有10%左右，由于顯示伽瑪?shù)姆蔷€性指數(shù)特性，位于高電平端的10%電平對應(yīng)的亮度資源大于10%，但對于100-600%的亮度動(dòng)態(tài)范圍來說亮度資源仍然非常有限。在實(shí)際的產(chǎn)品上不同攝像機(jī)廠商對拐點(diǎn)和斜率的處理并不相同，很多型號(hào)的攝像機(jī)允許用戶對拐點(diǎn)和斜率在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，所以10%電平只是個(gè)大致的范圍。

綜上所述，SDR電視必須用大部分電平和亮度資源再現(xiàn)人臉面部或拍攝對象主體，用拐點(diǎn)和斜率給高亮度區(qū)域分配較少的電平和亮度資源，實(shí)際上膠片電影對畫面中高亮度部分的處理也是這樣的。

圖10是柯達(dá)底片和放映拷貝的感光特性，分別對應(yīng)拍攝和顯示。因?yàn)閳D中水平軸是對數(shù)坐標(biāo)，而且膠片密度與顯示亮度是倒數(shù)關(guān)系，所以曲線形狀看起來與電視的伽瑪不太一樣。盡管如此從右圖仍然可以看到，放映拷貝在高亮度區(qū)域?qū)?dòng)態(tài)范圍的壓縮處理與攝像機(jī)的拐點(diǎn)和斜率幾乎是一樣的，只不過膠片電影是在放映拷貝上對高亮度區(qū)域進(jìn)行了壓縮，而電視是在拍攝時(shí)處理。

電視技術(shù)從模擬過渡到數(shù)字后在很長時(shí)間內(nèi)兩種信號(hào)形態(tài)是并存的，因此必須考慮模擬與數(shù)字信號(hào)互轉(zhuǎn)時(shí)的誤差問題。電視行業(yè)制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)量化電平采用了有限域（Limited range，或稱為窄域Narrow range），為用數(shù)字信息表達(dá)模擬電視信號(hào)電平保留了適當(dāng)?shù)挠嗔?。有限域?yàn)椤氨群谶€黑”的低電平預(yù)留了7%余量，為“比白還白”的高電平預(yù)留了9%余量，實(shí)際可用的電平范圍是-7%至109%，如圖11所示。

數(shù)字傳輸不存在信號(hào)電平超限引起的電視發(fā)射機(jī)過載問題，因此進(jìn)入數(shù)字時(shí)代后超過100%的電平資源是可用的。由于顯示技術(shù)的發(fā)展，高于100尼特的亮度資源也是可用的。在實(shí)際的攝像機(jī)產(chǎn)品上可用電平資源為109%，如果仍然把10%的電平資源用于拐點(diǎn)和斜率，用于100%動(dòng)態(tài)范圍的電平就是98%。目前，大部分?jǐn)z像機(jī)都把拐點(diǎn)的起始點(diǎn)設(shè)置在98%左右，而不是模擬時(shí)代的90%。如果不考慮拐點(diǎn)和斜率部分，現(xiàn)代SDR攝像機(jī)的伽瑪特性與理論值幾乎是一樣的。

ITU定義的兩種HDR伽瑪有什么差別？

ITU-R BT.2100定義了兩種用于高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）電視的伽瑪，感知量化（PQ）定義了EOTF，混合對數(shù)伽瑪（HLG）定義了OETF，ITU建議目前制作這兩種伽瑪?shù)腍DR節(jié)目時(shí)使用峰值亮度1000尼特的監(jiān)視器。由于HDR的亮度范圍比SDR大得多，因此需要表達(dá)更多灰階的量化資源，傳輸時(shí)8比特量化是不夠的，需要10-12比特。

PQ是杜比推薦的HDR伽瑪，其OETF曲線完全模擬人眼靈敏度。PQ采用絕對亮度體系，顯示亮度只與信號(hào)電平有關(guān)，與設(shè)備無關(guān)，信號(hào)電平與顯示亮度有一一對應(yīng)的關(guān)系：51%電平對應(yīng)100尼特，58%對應(yīng)203尼特，70%對應(yīng)600尼特，75%對應(yīng)1000尼特，83%對應(yīng)2000尼特，89%對應(yīng)4000尼特，100%對應(yīng)10000尼特。

用1000尼特監(jiān)視器制作的PQ HDR母版稱為PQ1000，2000尼特監(jiān)視器制作的稱為PQ2000，其余以此類推。與此對應(yīng)，PQ1000的最高電平為75%，PQ2000的最高電平為83%，其余以此類推。電視機(jī)的峰值亮度低于制作母版時(shí)不能顯示母版中高于電視機(jī)亮度的灰度層次和彩色，而高于制作母版峰值亮度的電視機(jī)只能顯示與母版相同的最高亮度。

因此，采用PQ制作HDR節(jié)目時(shí)，監(jiān)視器的亮度越高制作出的HDR母版亮度越高，如果節(jié)目母版是用高亮度監(jiān)視器制作的，電視機(jī)的亮度越高，能夠顯示HDR節(jié)目中高亮度層次和彩色的內(nèi)容就越多。由于PQ對顯示設(shè)備精度要求很高，必須在播出碼流中加入控制顯示設(shè)備性能的元數(shù)據(jù)形成完善的HDR方案才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

HLG是BBC和NHK推薦的HDR伽瑪，其OETF曲線50%以下電平的部分與現(xiàn)有攝像機(jī)伽瑪幾乎是一樣的，50%以上為對數(shù)伽瑪，是兩種伽瑪?shù)幕旌?，這也是HLG混合對數(shù)伽瑪名稱的由來。HLG采用與現(xiàn)有電視一樣的相對亮度體系，顯示亮度不但與信號(hào)電平有關(guān)，還與顯示設(shè)備有關(guān)，信號(hào)的最高電平對應(yīng)顯示設(shè)備的最高亮度。

從HDR的角度看，可以認(rèn)為SDR攝像機(jī)拐點(diǎn)和斜率處理的高亮度內(nèi)容就是“HDR”，只不過SDR電視分配給拐點(diǎn)/斜率的電平和亮度資源比HDR電視少得多。換言之，可以把HLG伽瑪曲線高于100%動(dòng)態(tài)范圍的HDR部分看作是SDR電視拐點(diǎn)/斜率的升級(jí)和擴(kuò)展。HLG在兼容現(xiàn)有SDR電視的基礎(chǔ)上提升了動(dòng)態(tài)范圍，因此更適合廣播電視行業(yè)應(yīng)用。

從圖14不同伽瑪?shù)腛ETF曲線可以看到，在SDR和HDR電視體系中，以100%動(dòng)態(tài)范圍為分界點(diǎn)，低于100%動(dòng)態(tài)范圍的是SDR內(nèi)容，高于100%動(dòng)態(tài)范圍的是HDR內(nèi)容。SDR電視用于SDR內(nèi)容拍攝的電平資源為98%，HDR為11%，只占可用電平資源的10%；PQ和HLG用于SDR的電平資源分別為58%和75%，只是SDR電視的60-70%左右，而用于HDR的電平則占可用資源的30-40%，比SDR電視的10%多了幾倍。

圖15是不同峰值顯示亮度時(shí)PQ與HLG的EOTF特性。PQ采用絕對亮度體系，其EOTF曲線是唯一的，顯示設(shè)備峰值亮度不同時(shí)在PQ曲線上只是改變了上截止點(diǎn)的位置，而采用相對亮度體系的HLG則分別表現(xiàn)為不同的EOTF曲線，因此HLG定義了OETF而不是EOTF，因?yàn)镠LG的EOTF不是唯一的。

在不同峰值亮度的監(jiān)視器上，58% PQ電平表現(xiàn)的SDR亮度都是203尼特，而75% HLG電平表現(xiàn)的SDR內(nèi)容在不同峰值亮度監(jiān)視器上是不一樣的，1000、800、600和400尼特監(jiān)視器顯示的SDR亮度分別為203、172、138和101尼特，這就是絕對亮度與相對亮度體系的差別。

在亮度資源方面，S D R電視分配給H D R的資源不到20%，而HDR電視的大部分資源都用于HDR。絕對亮度體系的PQ用于SDR的亮度資源是固定不變的203尼特，顯示峰值亮度越高HDR比例越大，相對亮度體系的HLG峰值亮度不同時(shí)，用于HDR的亮度資源大約是SDR的4至5倍，這也是絕對亮度與相對亮度體系的差別。

雖然ITU只定義了PQ和HLG兩種HDR電視伽瑪，但從技術(shù)角度來看，包括BT.1886在內(nèi)，所有類型的對數(shù)伽瑪都可以用于HDR拍攝、制作和顯示。

HLG可變伽瑪?shù)淖饔檬鞘裁矗?/p>

在傳統(tǒng)電視的相對亮度體系中，母版亮度電平與顯示亮度是全部映射關(guān)系，不同亮度顯示設(shè)備的伽瑪值相同，當(dāng)顯示設(shè)備亮度改變時(shí)暗部、中部和亮部同比變化，由于不同顯示設(shè)備的最高亮度不同制作端無法控制顯示端的亮度。HLG也是相對亮度體系，與現(xiàn)有電視系統(tǒng)的區(qū)別是引入了可變伽瑪。

HLG的系統(tǒng)伽瑪不是固定值，而是依據(jù)顯示屏的亮度可變，其計(jì)算公式為：

γ = 1.2 + 0.42 Log10 （L /1000）

式中，L為顯示屏最高亮度。

根據(jù)公式計(jì)算，顯示屏亮度為333尼特-5200尼特時(shí)對應(yīng)的系統(tǒng)伽瑪值為1.0-1.5，顯示屏亮度1000尼特時(shí)系統(tǒng)伽瑪值1.2，600尼特1.11，2000尼特1.33，4000尼特1.45。

HLG對不同亮度顯示屏設(shè)置不同的系統(tǒng)伽瑪值，電視機(jī)亮度與制作監(jiān)視器不同時(shí)可變伽瑪自動(dòng)調(diào)整電視機(jī)100尼特以下的亮度，使不同亮度電視機(jī)顯示的膚色亮度基本相同。

HLG的可變伽瑪無需元數(shù)據(jù)，自動(dòng)適應(yīng)，雖然沒有絕對亮度體系那么精確，但簡單有效。如果不用可變伽瑪，HLG就像現(xiàn)有的SDR電視一樣，電視機(jī)亮度不同時(shí)膚色亮度也不同。