4K超高清時(shí)代HDR到SDR的轉(zhuǎn)換

張建強(qiáng) 劉洪春

【摘要】目前，主流的家庭電視機(jī)還是在65寸以下，受到顯示屏幕的限制，觀眾不能很好地感受到4K節(jié)目所帶來(lái)的視覺震撼。廣電行業(yè)在4K超高清時(shí)代，使用多種方式，實(shí)現(xiàn)HDR向SDR的變換，是一個(gè)行之有效的辦法，本文探討了其中的一種解決方案。

【關(guān)鍵詞】上下交叉轉(zhuǎn)換;幀同步;HDR到SDR轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.17.001

4K HDR技術(shù)作為4k超高清的最重要技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是對(duì)高清電視顯示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)顯示范圍有大幅改善和提升，觀眾們就終于可以真正得到技術(shù)更新后的"驚艷"感受。

1. HDR到SDR轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)目的

將HDR內(nèi)容轉(zhuǎn)換為SDR內(nèi)容，同時(shí)在SDR屏幕上保持盡可能好的影像質(zhì)量，這需要使用HDR到SDR的轉(zhuǎn)換，在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中保持亮度、對(duì)比度和顏色的參數(shù)貫徹始終地保持一致。

1.2 設(shè)計(jì)思路

HDR到SDR轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是一個(gè)功能強(qiáng)大的通用音頻和視頻處理設(shè)備，通過一種可用功能配置（功能組）來(lái)實(shí)現(xiàn)多種功能。每個(gè)功能組包括一個(gè)處理功能的組合，以執(zhí)行處理功能，包括幀同步，上下交叉變換和HDR等。

它是使用高級(jí)算法進(jìn)行分格動(dòng)態(tài)色調(diào)映射的系統(tǒng)，該算法可以自動(dòng)分析HDR流中圖像的不同部分，并逐幀實(shí)時(shí)應(yīng)用最佳校正。這種獨(dú)特的功能與當(dāng)今的其他解決方案不同，它是體育賽事或任何需要高品質(zhì)實(shí)時(shí)HDR到SDR轉(zhuǎn)換的現(xiàn)場(chǎng)直播的完美實(shí)時(shí)制作工具。

HDR到SDR轉(zhuǎn)換系統(tǒng)適合單一原生HDR工作流程，從而降低了設(shè)備和手動(dòng)操作的成本。系統(tǒng)提供1個(gè)4K/UHD處理通道，通過適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)動(dòng)態(tài)色調(diào)映射支持從HDR傳輸特性到SDR的下轉(zhuǎn)換。它滿足廣色域（WCG）需求以及專業(yè)的AV直播活動(dòng)要求。還包括用于靜態(tài)HDR與SDR相互轉(zhuǎn)換的HDR靜態(tài)配置，該配置執(zhí)行靜態(tài)色調(diào)映射以實(shí)現(xiàn)HDR和SDR之間的上/下/交叉轉(zhuǎn)換，適用于演播室或光線條件不會(huì)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境。

2. 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 HDR>SDR轉(zhuǎn)換

HDR>SDR轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是實(shí)時(shí)逐幀的高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）到標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍（SDR）轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，具有幀同步功能，支持高達(dá)4KUHD（3840x2160）的格式。它可以提供單個(gè)12G 4K-UHD處理通道，也可以提供4個(gè)獨(dú)立的SDI信號(hào)處理通道，最高可達(dá)1080p 3Gbit/s。

HDR為廣播和AV制作提供了全新的可能性，為觀眾提供了更大的動(dòng)態(tài)范圍，包括在黑暗區(qū)域圖像中的高亮度和更多細(xì)節(jié)，從而使圖像變得更明亮和逼真。在介紹HDR和其強(qiáng)大圖像增強(qiáng)功能時(shí)，我們必須要考慮的問題，是與現(xiàn)有的SDR顯示器和接收器保持良好的向下兼容性。

通常，整個(gè)制作中HDR到SDR的轉(zhuǎn)換是使用單一靜態(tài)校正來(lái)完成的，現(xiàn)在可以通過HDR>SDR靜態(tài)轉(zhuǎn)換解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于類似體育演播室制作這種固定的、可預(yù)測(cè)的應(yīng)用而言，是非常有效的。然而，對(duì)于類似現(xiàn)場(chǎng)體育或新聞廣播這種更多動(dòng)態(tài)要求和非可測(cè)的內(nèi)容而言，分析和校正必須在逐幀基礎(chǔ)上調(diào)整，來(lái)應(yīng)對(duì)具有挑戰(zhàn)性的照明條件，亮度水平和圖像組成。直到今日，“逐幀”校正只能通過手動(dòng)，將校正元數(shù)據(jù)用于每一幀，然后在實(shí)時(shí)回放中使用;一個(gè)非實(shí)時(shí)的處理過程，既耗費(fèi)時(shí)間又價(jià)格昂貴。

該系統(tǒng)還包括適用于4K UHD的上/下/交叉轉(zhuǎn)換，音頻處理和重組，色彩校正，時(shí)間調(diào)整，元數(shù)據(jù)處理，自定義控制還包括提供簡(jiǎn)化的屏幕面板，可以直接訪問用戶選擇的參數(shù)。如圖1所示。

2.2 HDRSDR轉(zhuǎn)換

HDRSDR轉(zhuǎn)換是一個(gè)全功能的廣播級(jí)品質(zhì)HDR到SDR，SDR到HDR或跨標(biāo)準(zhǔn)HDR到HDR轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，帶一路幀同步和上/下/交叉轉(zhuǎn)換功能，支持格式高達(dá)4KUHD（3840x2169）。HDRSDR轉(zhuǎn)換在整個(gè)特定內(nèi)容中均等地應(yīng)用顏色和對(duì)比度參數(shù)，即在整個(gè)程序中確定平均亮度和顏色范圍。

HDRSDR轉(zhuǎn)換它可以提供單個(gè)12G 4K-UHD處理通道，或者四個(gè)獨(dú)立的SDI處理通道，信號(hào)高達(dá)1080p 3Gbit/s。

HDR為觀眾提供了更大的動(dòng)態(tài)范圍，包括在高亮度和黑暗區(qū)域圖像中顯示更多細(xì)節(jié)，從而產(chǎn)生更鮮艷逼真的圖像。在介紹HDR和其強(qiáng)大圖像增強(qiáng)功能時(shí)，所面臨的主要挑戰(zhàn)之一是與現(xiàn)有的SDR顯示器和接收器保持良好的向下兼容性。

HDRSDR轉(zhuǎn)換是一個(gè)處理動(dòng)態(tài)范圍和色彩色域的強(qiáng)大工具，即使沒有最新的HDR顯示器，也能為觀看者提供比以前更多的動(dòng)態(tài)圖像。它提供轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)結(jié)合靜態(tài)（實(shí)時(shí)）色調(diào)映射算法。該應(yīng)用程序允許用戶在常用輸入和輸出曲線（包括Gamma，PQ，HLG和slog3）之間實(shí)現(xiàn)上、下和交叉轉(zhuǎn)換，并通過適當(dāng)?shù)撵o態(tài)色調(diào)映射在全域和窄域之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。色彩空間之間的轉(zhuǎn)換支持包括Rec.601，Rec.709和Rec.2020。

自定義LUT功能允許用戶上傳多達(dá)20個(gè)用戶LUT，以獲得所需的對(duì)比度，顏色，飽和度，黑白電平。

HDRSDR轉(zhuǎn)換還包括高達(dá)4K UHD的空間上、下和交叉轉(zhuǎn)換，音頻處理和重組，色彩校正，定時(shí)調(diào)整，元數(shù)據(jù)處理。

2.3 4KUHD上/下/交叉轉(zhuǎn)換

4KUHD上/下/交叉轉(zhuǎn)換是一個(gè)全功能廣播級(jí)品質(zhì)的上/下/交叉轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，支持格式高達(dá)4K UHD（3840x2169）。

該系統(tǒng)是專為需要可靠的廣播級(jí)品質(zhì)上/下/交叉轉(zhuǎn)換和具有全音頻處理能力的幀同步應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)包括強(qiáng)大的掃描功能，具備萬(wàn)能的感興趣區(qū)域（ROI）選擇。包括3G Level A/B和3G去隔行掃描，使系統(tǒng)兼容高達(dá)3G的SDI標(biāo)準(zhǔn)（Level A或Level B）。

該系統(tǒng)也支持適用于4KUHD信號(hào)的4x3G SDI（2SI四鏈路）或12GSDI（單鏈路）輸入和輸出。2SI四鏈路<>單鏈路轉(zhuǎn)換信號(hào)能在單鏈路和2SI四鏈路之間互相轉(zhuǎn)換。

擴(kuò)展的音頻處理功能解嵌入所有音頻，并提供支持一路MADI輸入和輸出，四路外部音頻輸入或輸出，能單獨(dú)配置到模擬（平衡）或數(shù)字（AES）接口。多樣的內(nèi)部矩陣可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展音頻重組，包括MADI流。它也提供兩路Dolby E?解碼器，Dolby E?同步，全音頻處理以及適用于音頻和視頻的多種用戶可調(diào)節(jié)延時(shí)。

該系統(tǒng)配備全功能本地控制界面，除了圖形用戶界面，液晶顯示屏可以顯示圖像預(yù)覽和處理視頻路徑的音頻電平表。

2.4 幀同步

4x3Gbit/s幀同步系統(tǒng)是一個(gè)全功能視頻格式高達(dá)3Gbit/s SDI的幀同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)是為了滿足廣播級(jí)品質(zhì)幀同步，具有全音頻處理功能。一個(gè)雙電平標(biāo)清參考信號(hào)以及一個(gè)三電平高清參考信號(hào)能被用于同步視頻信號(hào)。也提供定時(shí)參考輸出（SD或HD）。輸入可以是BNC，光纖或HDMI。輸出也可以是BNC，光纖或HDMI（可選光纖SFP，單獨(dú)訂購(gòu)）。多個(gè)額外的處理功能，可調(diào)節(jié)視頻內(nèi)容，例如：增益，色度等。每個(gè)通道提供一個(gè)基本測(cè)試圖型發(fā)生器，提供常用的線和全域圖型，如彩色條，病態(tài)測(cè)試圖形，全域色彩等。

擴(kuò)展的音頻處理功能解嵌入所有音頻，并提供支持一路MADI輸入和輸出，四路外部音頻輸入或輸出，能單獨(dú)配置到模擬（平衡）或數(shù)字（AES）接口。多樣的內(nèi)部矩陣可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展音頻重組，包括MADI流。它也提供兩路Dolby E?解碼器，Dolby E?同步，全音頻處理和適用于音頻和視頻的多種用戶可調(diào)節(jié)延時(shí)。

4x 3Gbit/s幀同步系統(tǒng)配備了一個(gè)功能齊全帶有LCD的本地控制界面，除了圖形用戶界面外，LCD還顯示已處理視頻路徑的圖像預(yù)覽和音頻電平表。

3. 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)時(shí)靜態(tài)HDR到SDR的轉(zhuǎn)換非常適合于演播室環(huán)境或可預(yù)測(cè)的閃電環(huán)境。然而，對(duì)于光照條件動(dòng)態(tài)變化的戶外環(huán)境，靜態(tài)HDR到SDR的轉(zhuǎn)換可能會(huì)導(dǎo)致曝光不足或過度曝光，動(dòng)態(tài)HDR到SDR的轉(zhuǎn)換實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地改變每一幀的亮度、對(duì)比度和顏色參數(shù)，為觀眾制造一個(gè)充滿活力和真實(shí)感的圖像。

參考文獻(xiàn)：

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