近几年来随着影视行业4K 超高清技术的推进,影像基础参数从五个维度全面提升,带动全行业硬件设备系统更新换代。在分辨率(2K → 4K)、帧率(50i → 50p)、色域(BT.709 → BT.2020)、量化深度(8it → 10bit)、动态范围(10 档→ 14 档光圈)五个维度的扩展中,高动态范围HDR 技术在4K 分辨率的基础上,大幅提升图像呈现度,2016 年成为市场热点,从拍摄制作到显示传输广受关注,今年美国NAB 大会,高动态范围功能在系统设备中得到广泛支持,HDR 技术和工作流程走向实用。


HDR 与同期热点4K IP 技术不同,它不关乎系统构架、工作方式、交互方式的改变,相对于标准动态范围SDR 图像,是纯粹的画面品质的提升,HDR 明亮艳丽颠覆以往的视觉体验,带来一眼望去就难以忘怀的惊艳感受。


HDR技术与发展


显示


HDR 技术的驱动来源于显示终端技术的提升和市场的攀升,SDR 监视器亮度计量单位是尼特NIT=cd/m2,标准亮度为100 尼特,平板电视机最高亮度可达300 尼特。随着LED 背光技术、OLED、QD 量子点显示技术的不断成熟,显示器件的最高亮度从常态提升到1000、2000、10000 尼特,最低显示亮度从0.1 尼特拉低到0.005 尼特,将显示器件对比度从103 扩展到105,提高了2 个数量级。


标准

从2012 年国际电联颁布ITURBT .2020 超高清标准以来,4K 技术分别在几个维度上形成发展势头,2015 年3 月美国电影电视工程师协会SMPTE ST.2084 标准颁布,开启了HDR 高动态范围技术的产业化发展。2016 年7 月, 国际电联ITU R BT.2100 高动态范围电视图像参数标准颁布,将ST.2084 PQ(Perceptual Quantization)感知量化电光转换特性和日本电波产业会ARIB STD-B67 标准中BBC/NHK HLG(Hybrid-Log Gamma)混合对数光电转换特性,定义为两种HDR 播出格式 (见图1), 从而实现了HDR 核心技术的标准化,进一步促进了HDR 应用。

图1 PQ/HLG转换特性曲线【 由索尼( 中国) 提供】


OETF(Opto - Electrical Transfer Function光电转换特性)/EOTF (Electro-Optical Transfer Function 电光转换特性)本质上是电平量化比特资源的分配方案。标准动态范围Rec709 曲线用于高亮度HDR的电平资源仅为10%, 正常拍摄90%。高动态范围ST2084 和HLG 曲线用于高亮度HDR 的电平资源与正常拍摄各占50%,所以,如图2 所示,HDR 曲线可容纳更多的高亮度层次信息。

图2 HDR 转换曲线的电平资源分配【 由索尼( 中国)提供】


在消费端,2015 年美国CEA 消费电子产品协会发布了HDR 10 标准,超高清蓝光格式也扩充了HDR內容,标准中配置了ST.2086 Max FALL、Max CLL 两个静态元数据。


杜比公司发布了DOLBY VISION标准,包含了端到端系统解决方案,DOLBY VISION 配置的动态元数据使得不同亮度规格的图像映射还原更加精细。这些终端显示标准对应了不同的应用场景,结合IT URec.2100 的发布,打通了HDR 制作/ 传输/ 接收/ 显示全链路的技术环节。


HDR技术特点与制作


HDR技术特点一:与高亮度结合的色域空间


从图3 色域空间坐标图可见,水平XY 轴表示色域的相位和饱和度,当纵轴亮度100nit提升至10000nit时,Rec.2020 色域远超Rec.709 色域,扩展了景物色彩的立体空间。HDR 建立了一个比SDR 更大的色彩/ 亮度坐标体系并改变了系统的传输函数,以再现更大的色域和更高的亮度动态范围。

图3 Rec 2020/ Rec 709色域空间【 由索尼( 中国) 提供】


HDR技术特点二:高动态范围


HDR 技术的本质是还原更真实、更接近自然的图像。在丰富的自然场景中测量可得,月光下亮度可低到0.01尼特,晴天室外亮度会上百、上千、直至上万尼特级别,一直以来,为适配显示终端最高亮度100 尼特,影视制作的图像远不及临场观看感受。据统计,自然界景物的实际动态范围为1015 :1,高清影像制作的动态范围仅在103 以内;4K 电视系统采用了LOG 光电转换特性,将拍摄端的源图像动态范围扩展到105 ,这相当于人眼瞳孔无调节时观看的亮度范围。


然而SDR 制作中光电/ 电光曲线转换,会将动态范围压缩到103 以内显示,即便器件显示亮度提升,也不能还原出源图像105 的动态层次变化。所以,采用HDR 技术拍摄制作,经过独特的OETF/EOTF 压缩转换,可以不丢失动态信息,完全再现源图像105,见图4。

图4 影视制作过程中动态范围变化


综上所述,现阶段4K 拍摄系统完全支持HDR 影像所需要的高动态范围;通过完善后期4K 色彩分级处理(Color Grading)系统,嵌入相应的转换曲线和监测方式,实现HDR內容制作和输出。


4K HDR 技术生态环境是与高清、4K SDR 共存的时代,在当前以高清内容为主、兼容4K 制作阶段,HDR 技术在适配时效性强的现场电视转播流程中,需要同时兼容高清直播、4K HDR 录制功能,为此,索尼提出了SLOG3 母版制作流程,使得HDR 制作技术不仅满足高品质电影图像制作,也满足电视现场转播的场景,实现重大赛事/ 活动的直播与高动态范围HDR 记录并行,为推进HDR 应用开辟了新途径。SLOG3 曲线如图5 所示。SLOG3 转换曲线预留了4000nit 的图像亮度空间,成熟的SLOG3 4K 工艺流程,对应现阶段兼容多种格式的需求是很好的选择。

图5 SLOG3 转换特性曲线


4K HDR 拍摄、制作、显示生态环境已初步形成,并不断涌现出新的产品支持HDR 功能。4K 拍摄系统如索尼、阿莱、松下等主流4K 摄像机,通过RAW、LOG格式,均可实现HDR 源图像采集;后期Color Grading调色系统包括达芬奇DAVINCI RESOLVE、Autodesk

Luster、Filmlight Baselight、Nucode FilmMaster 等,已经支持HDR 多种曲线、色域输出和元数据制作。以利达示波器为代表的监测仪器也具备了HDR 参数和图像特性监测能力。HDR 显示设备中嵌入了HDR 多种标准特性曲线,索尼OL ED 监视器最高亮度达到1000 尼特,索尼LED 背光LCD 电视机最高亮度达到2000 尼特,LG、海信、创维的OLED 电视机最高亮度达到500 尼特,杜比Vision HDR 电视机最高亮度达到4000 尼特,创造了HDR 制作监看条件。


兼容性传输

4K HDR 技术是在高清、4K SDR 并行的环境下实施的,在平衡质量、资源、效率的情况下,希望传送一路节目信号或一个节目文件,经过后处理环节,就可以面对不同终端HDR、SDR、HD 的显示,兼容性成为实现HDR传输显示的重要条件。以Dolby、Philips、Technicolor、BBC/NHK 等公司为代表,在內容传输方案中,采用单层传输或双层传输技术,通过加入静态、动态元数据,实现与SDR、HD 的兼容显示,其中HLG 曲线以无条件兼容彰显优势。HDR 传输解决方案仍处于不断优化、改进中。


PQ 和HLG 曲线具有不同的终端显示特点。HLG 图像接入HDR、SDR 终端,不需要做任何处理,就可以显示出各自正常的图像,HDR 终端最亮可以显1000nit,而SDR 终端最亮显示100nit。PQ 图像携带元数据信息,分别接入HDR、SDR 终端,经过映射处理,显示出适合该显示设备的最高亮度,如2000、1000、500、100nit 等。


国内外的HDR技术发展与应用

2015 年以来,欧美日韩纷纷展开HDR 制作传输显示的测试与试验。


卫星运营商SES、与LG、三星演示高动态范围超高清电视DVB 传输,发布UHD 混合对数伽马HDR 测试频道。


美国亚马逊、NETFLIX、VUDU 公司已提供在线HDR 內容服务。美国电影服务商Kaleidescape、环球、米高梅、日本NTT Plala's 等公司提供HDR 超高清数字下载、“Dolby Vision”家庭內容分发和点播服务。杜比影院在全球推广HDR 影片放映环境。


美国“NBC”、加拿大“ROGERS”、日本“沃沃”等机构也纷纷开展体育赛事实况转播的试验和HDR 电视剧制作的尝试。


以韩国LG 、三星、美国Vizio、日本索尼、英国等UHD电视机厂商为代表,已有几十个品牌电视机支持“HDR10” 或“ Dolby Vision”标准,整机亮度达到 500 ~ 4000尼特。


2016 年5 月,第二代数字视频编码AVS2 颁布为广电行业标准,标志着我国影视产业进入4K 超高清时代,随之,基于AVS2 压缩的HDR 技术工作展开,杜比、飞利浦、华为等国内外知名企业积极参与提案和技术测试,目前,中国HDR 标准制定进入实质性阶段。


HDR 拍摄工艺


拍摄系统

HDR 拍摄系统主要由4K 摄像机、HDR 监视器、HDR 示波器、色彩亮度计、高清便携监视器组成。采用索尼4K 摄像机PMW-F55/ AXS-R5 记录RAW、XAVC、R709 格式,满足PQ、HLG 标准HDR制作,并可与R709 SDR 进行比较。


摄像机镜头采用了ARRI/ZEI-SS 定焦镜头Master Prime 组,具有超高解析力和优质光学传输性能。手持单反型点式色彩亮度计CS-100,用于现场测量亮度尼特值和色彩XY 坐标,定位实拍场景的亮度环境和色域空间。


索尼4K OLED 监视器BVM-X300 支持HDR显示,可正确还原RAW、SLOG3 多种格式高动态范围图像的色彩亮度,对于现场正确曝光、获得优质HDR图像起到重要作用。


利达LV-5490 可选择颜色显示方式,直观标注摄像机信号在HDR范围的分布,显示图像内任意点的亮度数值,以及亮度最高、最低和平均值, 显示R709、R2020 色域图,实现对拍摄图像的精确监控。拍摄系统图如图6 所示。

图6 HDR拍摄系统框图


HDR拍摄工艺

 记录格式:(以F55 为例)


RAW: 16bit 线性 RGB 444 S-Gamut 3.cine,2Gbps


XAVC:10bit SLOG3 YUV422S - Gamut 3.cine,500Mbps


XAVC : 10bit Gamma 2.4,YUV 422R .709 500Mbps( SDR)


如何选择记录格式:


* 在母版制作层面,选择RAW 和XAVC SLOG3格式均可。


* 制作PQ 或st2084,选择RAW 格式,色彩类型RGB444、量化16BIT,此次测试PQ 传输要求源图像输出格式为RGB444 /12bit/TIFF。


* 制作HLG,一般10b i t / YUV422 即可, 优选XAVC 格式制作,更简单有效。


* 拍摄的格式要与后期需要相匹配,因为制作流程不同,若无需要就不必使用RAW 格式。


* SLOG3 至HLG、PQ 可以转换。


现场操作步骤:


(1)根据机位测量现场在构图图像內的景物尼特值。


(2)根据现场亮度测量值,参照亮度表,估算现场动态范围。


(3)摄影师设定光圈,监测波形幅度,确定曝光正确。


拍摄监看环境


拍摄现场监看方式:


采用手持彩色亮度计CS-100取得实景现场內景物和屏幕上画面的尼特值:


采用CS-100 测量现场景物主要亮部暗部层次的尼特值,判定是否满足场景设计要求。场景1 亮度测量值见图7。

图7 场景1现场亮度测量值


采用CS-100 测量被摄物色彩XY 坐标值,标注到色域图定位,见图8。

图8 彩色条亮度值和对应的色度值


采用B-X300 监视器、LV 5490示波器对摄像机记录的信号进行监控。


采用B- X300 监视器,设置色彩空间、EOTF 曲线对应摄像机输出参数(如S LOG3),正确还原实景亮度和色彩。见图9、图10。

图9 X300设置参数值

图10 拍摄现场监看设备


采用LV 5490 读取画面任意一点数值,对光圈和布光提出建议。


移动光标选择画面中任意点,显示亮度值(尼特值或百分数),最多可选3 个点,取值区域可设定为(1x1,或3x3, 或9x9 像素),见图11。

图11 LV 5490读取的任意点亮度值截图


采用L V 5490 观察图像在HDR 区域分布,对光圈和布光提出建议。不同颜色代表不同亮度值区域,如100 尼特以下显示黑白,蓝绿黄橙红品色显示由100 向更高亮度区域分布的情况,见图12。

图12 LV 5490显示HDR区域分布


采用高清监视器自带波形显示,监看输出信号幅度值。


拍摄RAW 格式时, 摄像机F55 仅能输出高清信号用于监看,SLOG3 伽玛。


拍摄XAVC SLOG3 格式:摄像机F55 输出4K 信号用于监看,SLOG3 伽玛。


拍摄现场亮度尼特值举例:


高对比度室内场景,动态范围14 档光圈。最低0.36nit,最高6000nit,见图13。

图13 高对比度室内场景亮度测量值


高亮度高饱和度场景,动态范围5 档光圈。最低344nit,最高9600nit,见图14。

图14 高亮度高饱和度场景亮度测量值


HDR 制作工艺


制作系统构成

后期制作设备/ 调色软件:


以达芬奇4K 调色系统为例。采用达芬奇4K 调色系统DaVinci Resolve Studio 作为HDR 制作系统,DaVinci软件版本V.12.5。连接HDR 示波器LV 5490、30 吋4K OLED HDR 监视器(最高亮度1000nit)、LG OLED 电视机LG-OLED65G6P(最高亮度500nit)、索尼LED 电视机KD-65Z9D(最高亮度2000nit),作为不同亮度版本的监看环境。对应PQ 曲线,以网线、视频两种方式,将杜比內容映射单元Dolby Vision CMU(Content Mapping Unite)接入系统,完成低亮度版本的映射和杜比ST.2084 元数据制作。达芬奇系统接入杜比CMU 之后,激活了镜头分析功能,可得到杜比元数据XML文档。


PQ、HLG、SLOG3 

HDR后期制作流程

HDR 拍摄制作工艺流程图如图15 所示。

图15 HDR 拍摄制作工艺流程图


HDR 图像制作的核心是后期调色系统。在编辑、调色技法上与SDR 没有大区别,只是在更大对比度空间创作,调色基本原则是发挥HDR 优势,还原真实世界。制作中,设定图像最大值小于主显示器最高亮度。


采用达芬奇调色系统制作PQ、HLG、SLOG3 格式HDR 图像的一般方法:


(1)将拍摄素材文件导入到达芬奇系统,根据不同格式分别建立工程。


(2)设置:输入色彩空间/ 伽玛曲线、时间线色彩空间/ 伽玛曲线、输出色彩空间/ 伽玛曲线,主显示器最高亮度值,选择彩色管理系统RCM(或ACES),选择输出图像的量化范围full range 或 limited range。彩色空间设置图例如下,见图16。

图16 彩色空间设置图例


(3)将素材放置在时间线进行调色,还原正常彩色和亮度。


(4)在调色过程中,使用达芬奇内置示波器波形显示界面,根据输出格式选择显示标尺(尼特值、编码值),监看调整画面,最高亮度不超过主显示器最高亮度设定值,调整中要避免噪波增加。PQ 格式:波形对应的亮度标尺是尼特值;HLG\SLOG3 格式:波形对应的亮度标尺是编码值。


(5)制作输出不同亮度版本:HLG 格式和SLOG3 格式为相对亮度,仅制作1000nit 最高亮度版本,自动映射显示器最高亮度。


PQ 格式为绝对亮度,需要制作不同亮度版本,如PQ 500、PQ1000、PQ2000 版本,采用两种方法:第一种是接入杜比CMU 映射单元设备,自动映射输出较低亮度值的各种版本(包括SDR 版本)和元数据文件。第二种是不需要接入CMU 设备,分别建立不同亮度值设置的工程完成制作,此时不能获取元数据。


(6)显示:制作HLG 可同时监看HDR、SDR 效果亮度层次都能正常显示,HDR 监视器图像明亮,SDR 监视器上图像较暗。系统连接图如图17 所示。

图17 HLG制作系统连接图


未完待续......



2018年02月07日

三大块讲明你所需要的LUT知识
4K HDR高动态范围制作技术(下)

上一篇

下一篇

4K HDR高动态范围制作技术(上)

转载自影视制作微信公众号,作者:陈红(中央电视台)
  • 1

地址:北京经济开发区文化园西路林肯公园C区39-1304


电话:400-696-5191

            010-57270277

            010-57270377

传真:010-87520978


  QQ:939464612 

            1452498361


邮箱:yhtckj@126.com


    北京的客户可以直接来公司看产品实体展示,共同探讨您在影像后期及色彩管理方面的各种问题,如有需要也可以按您的需求为您提出解决方案,期待您的光临。

全部
  • 全部
  • 新闻
  • 产品
本网站由阿里云提供云计算及安全服务 Powered by CloudDream