4K超高清和高清电视同播系统的下变换技术探讨
时间：2023-07-01 09:50:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王 伟
（天津海河传媒中心，天津 300221）
目前，我国广播电视技术发展日新月异，超高清电视正快步走来，国内多家电视台正在大力推进4K超高清制播体系的建设。然而，由于我国绝大多数电视观众的电视机和机顶盒还是高清制式的，因此在今后相当长的一段时期内，超高清和高清电视频道将会共存。2022年，广播电视行业被纳入“特困”行业名单。各家电视台为了节约资金，对于同一套电视节目，基本上不会建设两套播出系统：一套用于4K超高清信号对外播出，另一套用于高清信号对外播出。因此，现在各电视台在建设4K超高清电视频道时，仍要兼顾高清信号的播出，也就是要建设4K超高清和高清电视同播系统。
4K超高清节目画面明暗细节更加丰富，明亮处效果鲜亮，黑暗处能够保留更多细节，体现出高动态范围（High Dynamic Range，HDR）画面的高动态范围优点，同时，下变换后的高清信号要符合高清电视节目播出技术质量的要求。现在，4K超高清转播车、4K超高清演播室、4K超高清制作网越来越多，超高清电视剧、电影等节目资源越来越丰富，因此，超高清和高清同播系统在设计时应依据“就高”原则，即整个播出流程均采用4K超高清信号，包括外来线路信号、文件化推送播出、台标叠加以及图文字幕包装等。另外，在建设4K超高清和高清电视同播系统时，整个系统所有设备都应该采用4K超高清设备，这样可以避免反复进行节目素材的上、下变换，因为每变换一次就会对原图像质量造成一次损失[1]。
无论是采用12G-SDI传统基带信号的播出系统，还是基于SMPTE ST2110的IP播出系统，4K超高清和高清同播系统结构大致如图1所示。
图1 4K超高清和高清同播系统结构简图
信号源部分包括主备视频服务器信号、系统公共信号、总控调度矩阵信号以及异构的第二备通路信号等。信号源尽可能使用4K超高清信号，如果转播外台的节目，只有高清线路信号，则需要使用上变换器把外来信号转变为4K超高清信号，然后进入矩阵开关。多个4K超高清频道同时用高清信号直播的可能性很低，为了避免上变换器的浪费，可用总控调度矩阵环接两台上变换器，供多个频道共用[2]。
总控调度矩阵接收到需在4K超高清频道播出的高清外来信号后，把信号切换到上变换器。上变换器输出符合标准的4K超高清信号，环接送回总控调度矩阵。最后，总控调度矩阵把上变换后的4K超高清外来信号送4K超高清分控播出。通过键控器叠加上台标、字幕、时钟信号。主通路、备通路、异构的第二备视频服务器、循环垫片信号进入末级4选一切换开关，之后进入视频分配放大器，其中一路输出4K超高清信号对外播出，视分输出的另一路经过下变换器，对外输出高清信号。这样，通过一套播出系统，实现同时播出4K超高清和高清两套电视节目，在保证4K超高清图像质量指标满足要求的同时，也确保转换后的高清信号图像质量足够好[3]。这样的系统结构简单，安全性高，人员和设备成本显著降低，同时也最大限度地减少反复上变换和下变换带来的画面亮度过低或过高、色彩失真等问题，信号质量最好。
实际上，建设4K超高清和高清电视同播系统，用同一套播出设备，既要保证4K超高清电视节目的技术指标，又要确保高清节目的技术质量，这样做难度非常大，甚至远远超过了高清和标清电视节目同播的要求。与高清信号相比，4K超高清电视信号除了16∶9的宽高比没有改变，在量化深度、色域范围、扫描方式、帧率和亮度显示方面都不一样，因此要实现相互兼容，问题更加复杂。4K超高清电视信号和高清电视信号的主要技术参数比较如表1所示。
表1 4K超高清和高清电视信号主要技术参数比较
4K超高清和高清电视同播系统的技术难点在于，4K超高清（4K HDR）电视相对于高清（HD SDR）电视，分辨率提高了整整4倍，亮度指标更是增强了10倍，色彩丰富度也增加了1.5倍。HDR建立了一个比标准动态范围（Standard Dynamic Range，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，如图2所示。图2中，空间是色域和亮度（伽玛）构成的立方体，小立方体是传统高清SDR电视空间（100 nit、电视伽玛），小立方体底面积是传统的高清SDR电视BT.709的色域；
大立方体是超高清HDR电视空间（10 000nit、对数伽玛），大立方体底面积是超高清HDR电视BT.2020色域。该图直观地描述出超高清HDR、高清SDR彩色、亮度和对比度的区别。
图2 4K超高清和高清电视的亮度、色域比较
建设4K超高清和高清同播系统时，通过下变换器实现4K HDR到HD SDR信号的转换，这一过程会涉及动态范围HDR和SDR、色域BT.2020和BT.709之间的映射关系。HDR建立了一个比SDR更大的亮度和色度坐标体系，并改变了系统的传输函数，用以再现更高亮度动态范围和更大色域。因此，HDR和SDR的OETF（光电转换特性）和EOTF（电光转换特性）有很大的不同。国家广播电视总局规定了HLG伽玛曲线，色域也从Rec.709扩展到了Rec.2020。Rec.2020的色域，大约是Rec.709色域面积的两倍，所以对于4K超高清HDR的图像，色彩超出SDR范围的那部分，SDR的显示器无法正确还原。
4K超高清信号下变换到高清信号，第一步是要完成分辨率和帧率的变换。分辨率从3 840×2 160下变换到1 920×1 080，帧率从50场逐行扫描下变换到50场隔行扫描。这一过程相对简单，目前已经能够通过软件实现并迭代了多代算法，并获得了良好的主观评测。
难度最大的是要完成HDR到SDR的变换，包括电平、伽玛、色域的映射。色域从BT.2020下变换到BT.709，量化深度从10 bit下变换到8 bit，亮度范围从HDR（HLG）下变换到SDR。这一过程简单来说就是利用算法对4K超高清电视画面进行分析，自动计算出动态元数据，并依据该元数据进行亮度映射算法生成观看舒适的SDR信号输出。为了保证4K超高清播出信号经过下变换器后输出的高清信号符合国家广播电视总局在清晰度、动态范围、色域等性能指标方面的相关规定，要对下变换器的相关参数设置进行测试、调整。下变换最重要的是亮度转换曲线的问题。HDR能够呈现100 000∶1的动态范围，为了用10 bit或者12 bit的数据来表示100 000个灰度级，HDR采用非线性曲线转换图像的高亮度部分，来获得更好的图像显示效果，其中HLG曲线应用最为广泛[4]。HLG以1 000 nit作为峰值亮度的基准，定义了一个相对的亮度转换曲线。因此，下变换器的工作参数和显示参数设置要审慎，需合理处理灰度层次、色彩、峰值亮度与动态范围的关系，减小灰度层次和色彩的损失。
实现4K超高清电视信号下变换为高清电视信号的设备就是下变换器。下变换器可以分为固定参数变换器（技术类型变换器）和动态参数变换器（艺术类型变换器）两种。
固定参数下变换器的转换方法是基于OETF、EOTF、映射的方法以及色域的转换公式开发的，采用技术逻辑为主，艺术逻辑为辅助，所有的变换都是根据显示参考、场景参考、色域转换、色调映射的计算公式完成的。根据实际需求设置好相应的参数后，就可以得到下变换后的高清信号。“固定参数”下变换这种方式比较简单，缺点是亮度映射曲线是“固定亮度值”的简单映射关系，很难适配各种各样的电视节目类型。当采用固定参数下变换时，在画面主体亮度超过1 000 nit时，下变换后的高清图像会出现大块的白限幅，会严重影响图像的质量[5]。
动态参数下变换器是以人眼睛的视觉感受为基础，变换得到的结果也是基于艺术体验得到的。“动态参数”变换的亮度映射采用的是动态方式，在变换过程中，亮度映射曲线依据每一帧图像的亮度值信息计算得出。下变换器的参数是从调色师的角度处理动态范围、色域和伽玛的转换，艺术逻辑为主，技术逻辑为辅助，不再需要进行参数的设置，就能够在设备的输出端得到变换后的高清信号。目前，动态参数下变换器还处于试验阶段，输出效果还不能完全符合国家相关技术要求。
此外，客观测试也并不能完全反映下变换后信号的质量，还需要对其进行主观评价测试，比较下变换器的性能，应对清晰度处理能力、画面层次处理能力、色彩还原能力、运动特性等进行综合的考虑。按照国家广播电视总局《4K超高清视频图像质量主观评价用测试图像》的相关规定，根据实际的使用需要，选用一定数量具有不同图像特性的测试图像，找一个相对兼顾的参数值[6]。
选购下变换器时，需要特别关注以下功能要求。
（1）输入、输出接口。对于传统的12G-SDI基带信号系统，需要有支持12G-SDI输入、输出的接口。对于IP系统，需要有支持10GE光接口、25GE光接口、40GE光接口或者100GE光输入、输出接口。
（2）映射模式。支持DR模式或者SR模式，或者两种模式都支持。
（3）同步锁相。支持黑场BB信号或者三电平同步信号。如果是IP系统，需要支持高精度时间同步协议（Precision Time Protocol，PTP）同步信号。
（4）操作控制和参数设置。能通过控制面板或者遥控面板对下变换器进行操作控制和参数配置，最好能通过网管对设备进行操作控制和参数配置。
（5）信号输出。输出的高清晰度信号格式应符合高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值（GY/T 155—2000）和演播室高清晰度电视数字视频信号接口（GY/T 157—2000）中的有关规定。
不同品牌的下变换器有各自的特点。例如，SONY公司在4K超高清下变换高清信号研究上起步比较早，技术比较成熟。本文选择SONY HDRC-4000下变换器进行实测。
6.1 关键亮度指标要求
HDR参考白电平为203 nit，75%HLG；
主持人肤色电平参考值为100 nit，63%HLG；
底电平参考值为2.2 nit，13%HLG。在1 000 nit监视器上显示的77% HLG的HDR参考白基准亮度为230 nit。将230 nit作为SDR与HDR内容的分界线，高于230 nit的高光部分是HDR内容，只有HDR电视才能正常再现。下变换到高清SDR后，这些高亮信息被压缩到只占用了很少电平和亮度资源的拐点部分，低于230 nit的部分都能够在SDR电视上展现。
6.2 映射关系参数设置测试
鉴于4K超高清电视画面中，大部分对象还是SDR范围内的亮度，最大亮度大多不超过1 000 nit，如果参数值过低，则4K超高清电视画面偏暗；
如果参数设置过高，则4K超高清电视画面动态范围就会缩小。经过大量的测试和综合比较，本文确定了对4K HDR和高清SDR都能够兼顾的平衡点。当使用100%的SDR为基准电平时，在SDR拐点KNEE关闭的情况下，79%的HLG的输入电平映射为100%的SDR输出电平。当使用75%的SDR为基准电平时，在SDR拐点KNEE打开的情况下，75%的HLG的输入电平映射为90%的SDR输出电平。
6.3 输入信号源
输入信号源选用BT.2111的标准彩条，经过下变换器输出信号，输入到高清波形监视器。观测75%HLG电平下变换输出的SDR电平，微调相应参数值，使其位于90%电平位置。
6.4 转换增益参数调整
转换增益是下变换器最重要的参数之一，用来调整4K HDR到高清SDR亮度的映射关系。根据实测验证，对于HLG-LIVE，Air Matching设置为ON时，采用79%的HLG的输入电平映射为100%的SDR输出电平，下变换增益设置为-7 dB时，综合效果最好。
6.5 色 域
在色域方面，尽管4K超高清的BT.2020比BT.709要大一些，能够涵盖多一些的色彩，但是下变换器的参数设置却相对简单一些。当KNEE功能打开，有些高亮画面的色饱和度会明显下降，因此拐点饱和度的功能要设置为ON。在下变换器的GAMMA设置为0.5时，图像看起来更加自然流畅。但是要注意，参数设置后，要结合一些实际的景物进行验证，最好是选取一些具有代表性的画面作为测试素材，反复测试，精心微调，最后选择一个兼顾性比较好的参数，这样一般就不会出现色彩失真的问题。
当前，下变换器大多只支持“固定参数”下变换方式，下变换后的效果，目前还不能尽如人意。即使是能够支持“动态参数”的下变换器，也需要进一步测试实际效果。对于4K超高清和高清同播系统来说，为同时保证4K超高清电视节目和高清电视节目的技术指标和主观观看效果，还需要电视技术工作者进行大量的相关科研工作。现阶段4K超高清和高清同播系统的下变换技术仍然存在一定的不足，参数设置和算法有待进一步优化，相信通过不断的测试优化，在广电同仁和各厂商的共同努力探索下，会有更好的解决方案。随着动态参数下变换器的技术不断更新迭代，相信很快会达到令人满意的效果。
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