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中央电视台HDR测试片《光影可鉴》拍摄与制作

中央电视台王珮彭飞杨辰

2016年初,为了配合高动态范围(HDR)广播电视行业标准制定的技术测试工作,我们接到了HDR测试序列拍摄和制作任务。该任务最大的挑战是其未知性,对于HDR拍摄制作、测试提案要求、显示终端的适配性,没有清晰的轮廓,为此,我们从标准、测试需求、典型场景、技术条件几方面进行了调研,HDR测试片《光影可鉴》的制作就是一个学习、研究、实践,对HDR技术不断认识的过程。

高动态范围(HDR)广播电视行业标准采用AVS2视频编码标准,涉及广播电视采集、制作、播出、分发、接收、显示等处理各相关环节,面向超高清电视、大尺寸显示终端的应用,HDR测试序列为端到端的指标测试和主观评价方案提供源图像。

 

 

测试图像序列应满足ITU 20167月颁布的ITU RBT.2100高动态范围电视图像参数数值标准。BT.2100定义了HDR图像的分辨率、帧率、BT.2020色域,吸纳了两种电光转换特性,为PQPerceptual Quantization)感知量化曲线和HLGHybrid-Log Gamma)混合对数伽玛曲线。PQ曲线源自美国电影电视工程师协会SMPTE ST.2084标准,描述图像绝对亮度值,并携带元数据作为终端显示控制,PQ曲线比特深度12bitHLG Avarible曲线源自日本电波产业会ARIB STD-B67标准BBC/NHKHLG,描述图像相对亮度,与现有广播电视兼容性好,无需元数据,HLG曲线比特深度10bit

端到端HDR传输显示提案方对PQ源图像格式要求是:分辨率3840×2160,彩色类型RGB444,比特深度12bit文件,无压缩DPX/TIFF

 

HDR技术特点和典型场景

1. HDR技术特点

1HDR高动态范围

自然景物的实际动态范围为1015:1,影视制作不能完全再现。目前4K电视系统能够把动态范围保持在105以内,相当于人眼瞳孔无调节时相当的程度。

在拍摄端,4K摄像机通过采用LOG光电转换特性,扩展了源图像动态范围,达到了HDR图像制作要求。

现行标准4K SDR制作环节中动态范围的变化:

拍摄端105:1,制作转换为103:1,显示:LCD103:1 OLED LCDLED: 105:1

场景中高亮部分在制作环节被压缩丢失,显示端扩展开也无法还原。

4K HDR标准制作环节中动态范围的变化:

拍摄端 105:1,制作 105:1,显示端 HDR 105:1

场景中高亮部分在制作环节经过OETF/EOTF被压缩转换而无丢失,在显示端扩展映射,采用HDR拍摄的影像动态信息可完全再现,忠实还原。

2HDR色域空间

Rec.2020/Rec.709色域空间如图3所示。从立体坐标图可见,水平XY轴表示色域的相位和饱和度,纵轴亮度从100nit提升为10000nit,亮度的提升扩展了景物彩色的范围。HDR使得2020色域相对于709色域有大幅提升。

HDR建立了一个比SDR更大的色彩/ 亮度坐标体系并改变系统的传输函数,以再现更大的色域和更高的亮度动态范围。直观来说,HDR带给我们更高的对比度、更高亮度彩色的图像。

 

2. 典型场景

4K HDR测试图像的几种主要特征如下:

以暗部层次为主附有高亮层次的场景;

以亮部层次为主附有暗部细节的场景;

高对比度场景;

大面积漫射白场景;

点光场景;

层次丰富场景;

高饱和度场景;

肤色素材;

亮度动态变化场景;

●R2020色彩组合。

主要考察属性:暗部层次,亮部层次,高对比度范围层次,高饱和度,高光点,色彩失真。

HDR拍摄工艺和技术要点

1. 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RAWXAVCR709格式,满足PQHLG标准HDR制作,并可与R709 SDR进行比较。

摄像机镜头采用了ARRI/ZEISS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RAWSLOG3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R709R2020色域图,实现对拍摄图像的精确监控。

拍摄系统简图如图4所示。

 

2. HDR拍摄工艺

  记录格式:(以F55为例)

 ●RAW16bit线性RGB 444 S-Gamut 3.cine2Gbps

 ●XAVC10bitSlog3YUV 422 S-Gamut 3.cine500Mbps

 ●XAVC10bitGamma2.4YUV 422 R.709 500Mbps(SDR)

  如何选择记录格式:

 ●在母版制作层面,选择RAWXAVC SLOG3格式均可。

 ●制作PQst2084,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10bit/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。

 ●在后期PQHLG可以转换。

 ●在后期SLOG3HLGPQ可以转换,但要注意RGB444/12bit的要求。

 现场操作步骤:

 ●根据机位测量现场在构图图像内的景物尼特值。

 ●根据现场亮度测量值,参照亮度表,估算现场动态范围。

 ●摄影师设定光圈,监测波形幅度,确定曝光正确。

 ●通过监视器保证画面中最高亮度区域有层次,确定曝光正确。

 ●按照需要对图像适当补光。

 ●保证暗部有层次。

 ●通过示波器保证图像内高亮度区域在HDR范围有较好的分布,作为曝光参考。

3. 拍摄要点

 ●曝光值高出正常拍摄1~1.5档光圈,希望足量曝光,且高亮部分不出现限幅。

 ●大光比场景要同时兼顾高亮区和暗部区的亮度层次。

 ●为了整体图像层次丰富,光线不生硬,需要按照场景进行适当补光。

 ●暗场景拍摄,景深超小,要特别注意画面主体清晰度。

 ●暗部区域的杂物会显出来,瑕疵会较明显,现场要注意细节,避免穿帮。

三拍摄监看环境

 现场监看方式:

 ●采用手持彩色亮度计 CS-100 取得实景现场内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。

 

 ●采用CS-100测量被摄物色彩XY坐标值,标注到色域图定位。

 ●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SLOG3),正确还原实景亮度和色彩。X300设置参数值如图7所示。

 

 

 ●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(1×1,或3×3,或9×9像素)。

 

 ●采用LV 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。

 

 

 ●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。

 下文所述为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。如图10所示。

 

 高亮度高饱和度场景,动态范围5档光圈。最低344nit,最高9600nit。如图11所示。

 以亮部层次为主的场景、高点光场景,动态范围9档光圈,最低55nit,最高23000nit。如图12所示。

 

HDR制作工艺

1. 制作系统构成

4K HDR制作从拍摄、制作、显示生态环境已初步形成。拍摄系统包括索尼、阿莱、松下等4K摄像机,记录RAWLOG格式文件;后期制作系统包括达芬奇DaVinciRESOLVEAutodesk LusterFilmlight BaselightNucodeFilmMaster等调色系统,支持HDR曲线输出,图像监测,制作元数据。显示设备包括OLED监视器、OLED电视机、LED背光LCD电视机,最高亮度可达到1000nit2000nit500nit,最低亮度可显示0.001nit0.01nit,对比度最高达到200,000:1

HDR内容母版制作流程已经建立,HDR制作、分发、传输、显示全链路技术正在逐步走向应用。

后期制作设备/调色软件:本次HDR制作尝试了SLOG3PQHLG多种曲线格式,打通了不同的制作流程。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 5490304KOLED 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,将杜比内容映射单元Dolby Vision CMUContent 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。

2. PQHLGSLOG3 HDR后期制作流程

HDR拍摄制作工艺流程图如13所示。

 

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PQHLGSLOG3格式HDR图像的一般方法:

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。

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 rangelimited range。彩色空间设置图例如图14所示。ACES色域具有全彩色空间,包含全部自然界和各种工业色域,是业界规范性的调色工作空间。ACES色域图如图15所示。

 

将素材放置在时间线进行调色,还原正常彩色和亮度。

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。

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PQ500PQ1000PQ2000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。

显示:制作HLG可同时监看HDRSDR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16所示。

 

3. 几种格式HDR/SDR比较

 

 

根据杜比PQ编码/尼特值换算表,得知:50%编码资源用于SDR部分,即100nit及以下亮度层次的编码,50%编码资源用于100nit~10000nitPQ)或100nit~2000nitHLG)。在高动态范围图像中,SDR部分依然是呈现的最重要部分。

五杜比DOLBY VISION制作

关于监视器、电视机等终端显示最高亮度:监视器亮度计量单位是尼特NIT=cd/m2,影院亮度的计量单位是PL福特朗德。HD现行标准Rec.709/100nit亮度,现行影院建造标准是14PL48nits亮度。现行SDR监视器100nit,平板电视机300nitHDR杜比Vision电视机1000nit,影院激光放映机108nit。目前海信、创维的HDR电视机在600nit亮度值以下,索尼监视器1000nit,索尼电视机2000nit亮度值。

一部影片在制作域调色,具有标准的监视器、光环境,然而家庭观看环境是可变的,在最后观影环节效果不可控。使用元数据的目标是控制终端显示,达到制作端的呈现效果。在制作中产生的元数据由节目图像信号携带,贯穿传输、机顶盒到终端显示器,不同亮度的显示设备通过芯片读出元数据,控制屏幕显示,保证放映质量。

1. DOLBY VISION调色系统

调色系统基本构成:调色系统+ HDR监视器+ CMU内容映射单元(Content Mapping Unit)。杜比内容映射单元CMU与工作站之间采用两种通讯,通过SDI视频线和IP网线与调色工作站连接。系统连接图如图18所示。

 

2. DOLBY VISION制作流程

制作流程分为四步:

第一步:色彩调色,创建HDR 1000尼特图像版本。

利用文件导入素材成片及XMLAAF

●HDR 图像中间、暗部与SDR差不多,只把高层提升上来,表现更多层次。

●HDR调色时的环境光与SDR相同。

●DOLBY VISION改变色彩体系:亮度100nit→1000nits,色域Rec.709→Rec.2020/P3,伽玛2.4 → PQ,最低亮度0.1→0.01nit

 

第二步:镜头分析,得到每帧信息,创建杜比元数据。

设置主监视器亮度、EOTF曲线、色域方式,如图20所示。

 

设置CMU输出的版本亮度、EOTF曲线、色域方式,如图21所示。

 

选择镜头分析,自动创建元数据,不需要人工干预。可以选择分析一帧、一个镜头或全部。创建速度为实时,如图22所示。

 

调色师要对CMU输出的SDR版本进行检查。确认元数据正确。

元数据跟随节目内容至电视机,在机顶盒或芯片做映射,使得图像显示出来。

第三步:由CMU得到SDR和较低亮度值版本。

在镜头分析之前,设置了CMU输出SDR选项。

●HDR图像和元数据MetadataCMUCMU完成由HDRSDR的展现。杜比DOLBY VISION不同版本制作:

杜比DOLBY VISION亮度值为绝对值,在制作时,先完成最高亮度版本。

●CMU接收到 HDR信号和元数据信息,自动转换SDR709色域,100尼特亮度),也可自动转换其他低亮度版本,如600nit亮度版本。

第四步:使用TRIM功能人工干预,按照需要精细调整SDR

对输出画面进行调整的界面如图23所示。

 

输出的元数据中有最高、最低亮度版本信息,如1000nit100nit版本,也含有中间值默认版本(如600nit),终端芯片会据此自动适应电视机显示。

 

第五步,DOLBY VISION MASTERING母版制作分发:

将母版TIFF格式输出,使用杜比提供软件工具,做中间格式打包。或使用ClipsterTranscoder等硬件产品。

中间格式打包包括内容转码和封装,元数据也一同打进包中。如Tiff序列→ JPEG 2000

第六步,多版本派生:

采用杜比多版本分发软件派生其他HDR格式。如,HDR 10HLG,流媒体编码。含图像+元数据(picture +metadata)。

HDR制作监看监测方法和依据

1. HDR亮度值和亮度范围检测和统计方法

HDR制作中,采用HDR监视器和电视机监测输出的图像效果;采用达芬奇软件内置波形示波器、利达示波器LV 5490检测HDR亮度值和亮度范围。根据达芬奇软件镜头分析获得元数据,并换算为尼特值,也可得到最小、最大和平均亮度值。

2. 采用HDR监视设备显示输出图像效果

采用索尼BWM-X300 OLED监视器、LG OLED电视机LG-OLED65G6P、索尼LED电视机KD-65Z9D,监看最高亮度值1000nit500nit2000nit HDR画面,获得最佳视觉效果。注意色彩空间/EOTF设置与输入信号的一致性。

3. 采用达芬奇软件内置波形示波器显示尼特值、编码值

使用达芬奇软件内置示波器,对于PQ格式制作使用设置st2084,标尺显示0~10000nit尼特值。制作时应注意图像最高亮度值不超过主显示器设置的最高亮度值,如设置为2000版本时,最高值不超过2000bit标尺线。

 

达芬奇内置示波器,对于HLGSLOG3格式10比特输出,可选择0~1023编码值显示。

 

4. 采用利达示波器LV 5490监看输出HDR波形图

显示PQ曲线尼特值与编码值的对应关系,如图27所示。

 

5. 采用利达示波器LV 5400读取亮度关键值

利达示波器可读取一帧画面的亮度最高值、平均值、最小值。制作中,可使用此功能确认镜头亮度不超过最高设定值。

 

6. 采用利达示波器显示色域坐标图

如图29所示。

 

7. 采用利达示波器波形界面可监测量化范围fullrangelimit range图像的亮度值

输出full range设置时,10bit PQ编码时,0~1023对应0~10000尼特值。768对应1000尼特值。

输出limit range设置时,10bit PQ编码时,64~940对应0~10000尼特值。如图30所示。

 

8. 采用利达示波器,读取画面中任意点亮度值以及不同亮度区域分布

采用利达示波器,可移动光标读取画面中任意点亮度值;可监看HDR 画面在不同亮度区域的分布。

七制作过程中的质量控制

在实践过程中,我们对影响制作质量的问题进行了深入的分析和探讨,得到了正确的取向:彩色RGB444YUV422空间的转换不可逆向,调色系统工作色彩空间不能小于输出的色彩空间。在制作中,通过波形监测确认全画幅不超过设定的主显示器亮度最大值,可避免在传输、前后处理过程中的质量损失,保证图像正确还原。

HDR技术带来亮度大幅提升,4K超高清采用2020色域,远大于高清709色域,使得显示的图像更加明亮而艳丽。在拾取和表现BT.2020色彩方面,我们采用美能达彩色亮度计,对自然景物进行亮度值和色彩坐标XY值测量标定,实现全过程监控。

我们熟悉的709色域包含了自然生活中常见的基本色彩,在拍摄过程中,我们发现了很多花色、颜料、涂料、自发光体的色彩超过709色域,还有大型光照环境下如舞台、赛场等人为场景下的视频影像,由于显示亮度的提升,可以呈现出更丰富的层次、更艳丽、更明亮的效果。

八小结

2016年,我们对4K热点技术高动态范围HDR 进行了初步的探索,透过测试片《光影可鉴》的应用实践,在北京、云南、上海摄取了典型的高动态范围自然场景,创建了HDR PQ/HLG/SLOG3几种曲线模式的制作流程,从中选取的图像序列,作为源图像提供给几家不同的HDR传输处理提案,并通过了第一阶段测试,实现了4K HDR采集、制作、分发、传输、显示端到端的工艺流程,达到了预期考察目的。测试片《光影可鉴》获得了第四届索尼“4K&HDR优胜奖。

在制作过程中,我们与索尼、利达、杜比、欧特克、filmlightBMD、飞利浦等技术公司密切合作,发现问题,分析问题,解决问题,反复探讨实践,不断加深认识HDR,了解2020,从而摸索出切实可行的摄制方法,确立了检测依据,为下一步工作打下了基础。