原创《如何实现视频图像高动态范围？》
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摘 要：各种类型的广播应用（特别是直播）的图像捕获需要考虑众多变化和新的因素,确保设备可以显示HDR高动态范围的影像.
随着广播行业转向4K UHD广播,许多话题都围绕如何最好地传输和展现4K信号,使得高动态范围功能在第一代4K显示器上实现最大化利用.毕竟,HDR是关于增加图像中的亮度范围,以提高最白和最黑的元素之间的对比度.
然而,在获得具有最大动态范围的图像方面,从方程式的前端开始,然后保持它一直向下行链路,也正在演变.事实上,随着UHD的出现,用于各种类型的广播应用（特别是现场广播）的图像捕获正被迫考虑众多变化和新的考虑因素.其中 - 如何最好地捕获,艺术性地利用,然后最大化动态范围的影响,以及如何最好地结合更高的动态范围能力与其他UHD改进,包括更宽的色域,更高的帧速率,新的扫描格式和其他考虑因素.
这种模式说明了媒体技术开发如何运作的根本性转变.在20世纪90年代初,我们有了第一台高清电视（广播）摄像机,但整个世界都是标准清晰度,在NTSC和PAL.我们都在讨论4×3和16×9,世界并没有在一夜之间发生改变.大约花了10到15年的时间,至少在16×9的宽高比的情况下,高清传输开始崭露头角.
现在,突然间,我们有了4K,主要是因为显示器制造商看到了市场对高清显示器的需求下降,而他们向前发展的最简单的一步是复制和粘贴更多的像素,因为如果你做四个象限的高清,那么你就有超高清.另一个选择是将更高的动态范围（HDR）,但这不是由显示器制造商随随便便就能做成的,因为这意味着他们必须采取措施,以从显示器获得更多的光,以更好地进行对比.在我看来,在人眼锐度的感觉方面,如果他们这样做,人们会在这样的显示器中感觉到对比度,类似于我们现在称为的4K,即使它仍然是高清而不是4K.
现在,你看到人们希望在一年内做出这样的改变,那是很难跟上这种步伐的.这符合我们目前所处的社会 – 事物更加个人性化,人们想要更迅速获知一切.我们从一个变化不定的技术世界走向一个瞬息万变的技术世界.
然而,具体到广播摄像机成像系统中的HDR,在某种意义上,范例已经被打开,因为长期以来,来自主要制造商的高端HD广播摄像机系统已经能够支持更高的动态范围,但当时的HD显示器无法应对.
在过去,屏幕有有限的光输出,首先约100尼特,然后200或400尼特,但最大亮度总是有限.因此,观看者观看的显示器亮度是有限的,并且对图像感到满意,因为[内容创作者]以这样的方式或者在色彩师的调色下调整他们的摄像机,使他们对这些显示器感到满意,确保黑色,高光和中间色调是正确的.
现在,新的UHD显示器能够在动态范围领域做得更好.内容创作者了解到新的2/3英寸有很大的空间.CMOS成像器,与CCD传感器不同,可以超过1000尼特.CMOS成像器可以达到更高的像素计数和更高的帧速率,并且仍然获得良好的信噪比和对于令人满意的图像的良好灵敏度.
由于我们现在有4K显示器支持至少1000尼特,有时4000尼特,甚至可能有一些甚至10,000尼特,我们可以更好地支持这些显示器,而不必限制我们的成像器的能力.因此,成像器制造商正在努力确保他们的相机可以捕获适合新显示器的动态范围.
尤其是对于直播,这很重要,因为你只是捕捉图像,进行传输,如果你有方法来传输它.当然,在电影院应用中,他们记录所有的比特深度,然后,后来,以任何他们想要的方式去准备材料,在这之间他们总是有一个存储阶段和延迟阶段.但对于直播应用,我们必须实时地应对颜色和亮度的生成方式,颜色空间应该是什么样的,以及该颜色应如何映射到我们的成像器中的UHD显示器.
因此,摄像机制造商已经开发了传感器和相应的软件,以确保他们的系统不仅可以解决标准Rec709视频色彩空间如何产生颜色的问题,例如称为“正确的伽马定义的非线性曲线,补偿显示器中的非线性曲线,增加的转移曲线或伽马拐点强加在较高的水平,以帮助应付亮点,而且它们如何能够在UHD图像更宽的标准Rec. 2020色彩空间中完成相同的事情.
Rec. 2020相比Rec.709两个标准在摄像机中基本上意味着你得到更明亮的颜色.因此,它更饱和,令人观感更好,并在人工照明的工作室环境中提供更多的可能性,而不产生伪彩色.注意,当一些摄像机以Rec. 709[操作],而其他以[操作]2020运行时,使用Rec. 2020标准范围内（而非Rec. 709）的人工照明将会带来问题.目前有一个由BBC分享的研究这个主题的EBU工作组.
近年来,已经开发了新的电子到光学传递函数,用于允许系统以人眼和大脑可以理解的方式将光学数据转换为更高亮度动态范围的数字（尽可能少的数据损失）.例如,杜比公司开发了所谓的PQ曲线或感知量化器,其已经演变成用于高动态范围显示器的PTE动态范围电光传递函数ST 2084,以使得能够实现比传统伽马曲线更宽范围的亮度值,同时最大限度地减少绘制现代10位或12位显示器轮廓的影响.
然后,BBC和NHK共同开发了称为HLG的另一种方法,其已经被无线电工业和商业协会（ARIB）形成标准ARIB STD-B67.该方法假设基于预期动态范围和峰值白基准值的相对亮度值,并且能够用作图像捕获曲线.
我们称这种方法在广播中如何定义伽玛曲线和如何定义拐点之间的桥梁,以及如何感知曲线需要被调整以一方面实现标准动态范围,另一方面在更高的动态范围显示器实现高动态范围.但是该曲线没有针对最小数量的代码值进行优化以允许最大对比度范围,意味着该函数覆盖比ST 2084稍微更窄的动态范围.
这两种方法现在由杜比,BBC和NHK联合开发,用于国际电联的HDR标准提案.
然而,对于摄像机制造商来说,其广播成像系统最好必须支持所有这些方法,使得用户创造性地可以在获取时选择他们想要的任何曲线,然后“能够告诉广播链中的所有系统元件他们使用了什么曲线,以及如何为此做出颜色校正.
当然,考虑到技术的复杂性与内容制作者的创造力相平衡,更多的是因为越来越多,尤其是在UHD时代,电影制片人和广播公司想要创造性地尝试更多的事情,而不是标准的解释.因此,在所捕获的图像和内容创建者将如何将其亮度和其他特性映射到4K监视器之间将不总是存在一一对应的关系.
从艺术的角度来看,或从观看者体验来看,在光输入和光输出之间没有完全线性的一对一对应可能更好.所以,无论您是否为PQ或HLG设置了摄像机,您可能仍需要在摄像机中添加一条曲线以允许实现艺术意图.
摄像机需要额外的光学传输曲线,以便可以根据这些特性进一步解决[前端]艺术意图.在摄像机中有一个附加曲线的另一个原因是,当你选择黑色时,PQ和HLG在一个小信号上,一点噪声都会被放大很多.对于高动态范围,这些特殊曲线的差分增益可能会导致更大的差分增益[超过所需],您必须能够稍稍进行修正.
然而,现代广播摄像机不仅必须捕获并支持更高的动态范围和这些其它改进的图像特性,还必须能够有效地适应于传输链,用于捕获之后以更好的动态范围传递UHD广播图像,使得捕获的内容被正确地传输到观看者的4K显示器,具有尽可能少的错误,代表内容创建者想要的内容.因此,制造商需要考虑的另一个重要特性是适应作为杜比Vision UHD标准基础的新色彩空间.
该格式称为ITP-PQ.ITP-PQ本质上是一组新的色差方程,不同于传统的YCbCr色空间,并且建立在人眼视网膜的LMS长-中-短锥颜色响应上.
其他方法在景观上用于颜色空间变换.当与HDR组合时如何获得最佳颜色性能的一些结论,一般的想法是,一旦你从摄像机传输图像到广播链,包括高动态范围曲线内的误差,减少传输信号中存在的误差量.
输出基于成像器的输出信号,然后该信号进入传输链.这意味着在信号中存在光学放大,并且对于亮度信号,色差-YCbCr是标准动态范围的标准清晰度,其可以将小误差引入到传输中.这些是你通常不会看到的错误,因为传统的显示器只能达到100尼特.
但是,如果你使用4K显示器,你会发现那些小的误差是固有可见的,因为系统已经从光学上增加它们.所以,为了解决这个问题,我们在摄像机中添加了一个功能,在与Rec. 709相关的正常YCbCr和与Rec.2020相关的正常YCbCr之间切换.这是一个新的颜色空间,你在摄像机中选择LMS设置,所以它会自动选择ITP,并减少了传输系统的错误,所以,如果你坚持采用Rec2020和具有规则的高动态范围曲线的YCbCr,本来会有的伪影将不复存在.它是关于改变比色和传输的矩阵.
由于新的ATSC 3.0广播标准的到来,传输链的问题在今天尤为重要.行业目前正在测试在新标准试验过程中的数据传输的各个方面,其中一个关键问题是4K / HDR内容可以通过ATSC 3.0传输链调整和运行.新4K摄像机在发布期间被预定,被用于ATSC 3.0测试.
有许多其他选项可用或在作品中,以帮助提高在4K显示器上观看的图像中增加动态范围可见性的能力.正如有各种软件技术将内容升级到4K,有可用于从SDR升级到HDR的技术.标准动态范围材料可以转换,反之亦然.有几家公司正在研究这个问题,在这方面一切皆有可能.
该行业还可以选择将更大的35mm大小的电影式传感器从电影世界移植到广播世界,Ikegami和Arri2013年在推出HDK-97ARRI时就采用了这种传感器,基本上将摄像头放入了广播相机机身.然而,这种方法适用于某些应用,而不适用于实况运动型应用.
电影摄影机都需要大格式成像器,这意味着你总是有浅景深,这是你在电影摄影中所喜欢的.但对于有很多运动的现场直播体育赛事,将很难相当难以保持焦点.但对于工作室工作或情景喜剧或单集电视,与电影应用程序更兼容,这将是一个有趣的用途.
视频论文参考资料：
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