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轉播車4K HDR制作方案探索與測試

本文基於蘇州臺4K IP轉播車現有系統,對臺內2000平米演播室現場制作節目,進行4K制作的探索與測試。主要目的在於探索轉播車4K HDR制作以及HDR推流的方案,其中涉及到很多參數和配置,並非標準或白皮書,只對實際制作效果進行說明。

目前國內4K制作,主要還是要保證高清SDR的播出,因此主要采用的方式是高清SDR調光,4K HDR和高清SDR同時輸出的方式,如下圖所示,具體參考王亞明老師之前關於HDR講課的PPT。 采用SDR調光HDR制作的優勢主要有:

提高調光精度,HLG參考白電平映射為SDR峰值白電平,在HLG圖像中不是最高亮度,如果采用HDR的調光,調整光圈在HDR監視器上亮度變化很小,而在SDR監視器上會很大,因此SDR調光更精準;

精準控制膚色曝光,HDR制作對於色溫和膚色的敏感度要低於SDR,用SDR調光能夠精確控制SDR和HDR的膚色電平;

確保SDR和HDR的質量,采用SDR調光,可以確保技術上正確曝光的4K HDR圖像;

減輕視覺疲勞,HDR監看整體亮度比SDR高很多,長時間要產生視覺疲勞;

節省成本,高質量的HDR監視器和波監成本會很高;

采用HDR調光制作的優勢主要有:

4K HDR畫面中,高動態部分得以體現,光看大型文藝晚會或者體育賽事時,高動態會帶來更震撼的表現,雖然看久了會視覺疲勞,但還是看著“很好看”;

為4K HDR播出,包括電視端和手機端探索解決方案,現在大部分的電視,甚至手機都支持HDR顯示,我們在制作端,可以嘗試為以後的4K播出做好準備;

原先制作純4K HDR的播出畫面,可能需要用到單機拍攝,加上後期高動態、高色域的處理;目前4K攝像機中,能夠支持高清HDR的輸出,並且很多高清監視器通過升級,都能夠提供高色域和對應的HLG GAMMA曲線設置,這為4K HDR的制作,提供了方案,可以在使用較低成本,完成4K HDR節目的生產制作;

央視和很多廠商也在測試並制定相應的標準,以後高清HDR節目的觀看也不是不可能,就像現在很多手機APP端支持HDR、杜比影音等;

本次節目測試借助臺內壹次2000平米演播的大型活動晚會,晚會配備有5臺4K攝像機,需要進行高清PGM信號推流、需要後期對高清素材進非編線進行剪輯、需要保留壹檔4K HDR的節目信號存入我臺媒資系統。

按照節目制作的優先級和重要程度,首先確保高清PGM流信號能夠正常推流,其次高清素材要保證正常錄制,並進入非編剪輯線,最後要盡量制作壹檔4K HDR節目,保留盡可能多的高動態範圍。

對原來SDR調光制作流程我們進行了調整,主要涉及到的設備有攝像機/CCU的輸出、技術調光區監視器、導演區多畫面輸入和輸出監看、HDRC4000主下變換、IP51備下變換、導演區電視機的設置、送演播室現場調光區和音控區的監看。

經過調整後的框圖如下圖所示:

攝像機/CCU端:CCU輸出的4K-HDR信號源(色彩空間BT2020),送給4K切換臺進行切換輸出;CCU輸出的HD-HDR信號源(色彩空間BT2020),送給多畫面和調光區的波形監視器,並輸出多畫面進行HDR監看;

測試中發現,CCU端支持HD-HDR(色彩空間BT709)的輸出信號源,但實際上監視器觀察後發現,HD信號BT709和BT2020在顯示上基本壹致,故推測CCU中實際出的HD的流,還是基於BT709的色域空間。

技術區下排監視器:CCU輸出HD-HDR信號源(色彩空間BT2020)給波形監視器,波形監視器再拼接4分割多畫面,輸出給技術區下排顯示器,下排顯示器設置色彩空間是BT2020,EOTF伽馬曲線為BT2100(HLG);

技術區上排監視器:技術區上排監視器主要監看主HD-PGM的信號源,主HD-PGM通過HDRC4000下變換得到,色彩空間是BT709,OETF伽馬曲線為HLG,因此上排監視器也設置成跟主HD-PGM對應的色彩空間和伽馬曲線;

多畫面輸入輸出:導演區的多畫面監看主要采用HD輸入,4K輸出;燈光去、舞美區等其他區域的多畫面采用HD輸入,HD輸出,輸入信號源包含CCU端的HD-HDR信號源,也包括下變換後的HD-SDR信號源;輸出為了統壹,均采用4K/HD-HDR的輸出模式,色彩空間為BT2020;

多畫面支持混合信號源監看,可同時監看SDR和HDR源,實際測試時發現,如果輸入源設置成HD-SDR,而輸出為4K/HD-HDR時,HD-SDR信號源的亮度為顯得特別暗,造成監看上出現明顯的反差,因此為了統壹監看,實際設置時,將HD-SDR的信號源,也設置成了HD-HDR(色彩空間為BT2020),實際監看時,並未出現特別大的顏色和亮度失真;

導演區多畫面電視機設置:參照多畫面的輸出,設置成4K-HLG,色彩空間為BT2020;

燈光、舞美區多畫面監視器:對應監視器在2000平米演播室內,轉播車送1路HD-HDR(色彩空間BT2020)的信號過去;現場燈光和舞美,參照4K-HDR的制作標準和要求,整體光照的亮度相對高清時有所提升,燈光、舞美區需要高清監視器支持HDR和BT2020,才能對現場的燈光和色溫,有壹個較好的把控;

4K多通道錄制服務器:錄制4K-HDR(色彩空間BT2020)的壹版PGM信號,節目制作時,充分應用到高動態範圍,節目中人臉的亮度保持在700~800nit時,在SONY HX310 4K監視器上(峰值亮度1000nit),能夠有壹個非常好的觀看體驗;

HDRC4000主下變換:節目主要保障HD信號能夠正常的推流,因此HRDC4000的主下變換信號,主要用於推流,同時進入錄制和多畫面系統;

測試時發現,如果HD信號色彩空間為BT2020,伽馬曲線為HLG時,推流信號碼率為2.4M,在手機端觀看推流的信號,為發現顏色整體偏淡(BT2020壓縮到了BT709播出),導致顏色失真;如果將色彩空間改成BT709,則手機端顏色顯示正常,高動態範圍也能得到很好的展現,如下圖所示,上側為手機端BT2020的色彩還原,下側為手機端BT709的色彩還原,這說明目前手機端的顯示,主要以BT709為主,如果將BT2020的色彩空間套到BT709上,將使得顏色表現的偏淡;

同時,在手機端,我們還對HLG和SDR的顯示進行了對比,當HDRC4000設置成HD-SDR時(色彩空間BT709,HDR-SDR增益差-7db),當4K HDR裏面高動態部分往上提亮度到800nit時,手機端會出現高清畫面過曝的情況;當HDRC4000設置成HD-HDR(色彩空間BT709)時,同樣4K HDR亮度到800nit,手機端觀看HD-HDR畫面時,仍舊能保持壹個較好的動態範圍,如下圖所示,上側為SDR顯示,下側位HDR顯示;RTMP編碼器端,沒有對信號能的HLG部分,做過多的運算處理,在手機解碼端,由於手機支持HLG,因此能夠有壹個較好的亮度色度還原;

IP51備下變換:IP51備下變換主要用於進入HD多通道錄制,之後進入臺內高清非編系統進行剪輯;目前臺內非編網只支持HD-SDR的制作和播出方式,因此我們錄制的信號源,需要滿足非編線的剪輯需求,設置成對應的HD-SDR(色彩空間BT709);與此同時,為了希望能夠在4K HDR制作裏面得到更好的高動態曝光,我們犧牲了壹些HD-SDR低動態的壹些數值,在IP51下變換設置裏將HDR-SDR Gain設置成了-11db,基本差了2檔光圈,同時將HDR-SDR的主黑電平降了-3db(根據實際情況定,也可以在RCP上進行對底電平進行操作);

通過提高HDR-SDR的增益差的方式,雖然使得高動態時,SDR不能的亮度不至於過曝,但缺點是畫面的細節會損失,底電平也會相應的太高,正常央視建議的增益差是-7db,這也是在臺內非編網不支持HDR制作時,所采取的折中的辦法。

此次4K節目制作過程中的實際測試,也是我們4K制作的壹個學習摸索階段, 目前節目制作首要保障的是高清的播出,尤其是HD-SDR還要進入非編系統,因此導致4K PGM下變換後會出現多個下變換方式,如果以後升級4K HDR制作,4K作為主,HD作為備,則可以統壹設置下變換為HD-HDR(色彩空間BT2020),這樣在導演區監看和技術區調光上,也能夠統壹。

4K HDR的制作,還有許多問題需要客服,首先,除了節目制作前端要升級4K制作、4K剪輯、4K編碼傳輸、4K播出以外,在節目播出端,也要有能夠支持4K播出的設備能將這些制作前端的信號準確還原出來;其次,4K HDR和HD SDR同步制作的模式將還會延續很長的壹段時間,具體要看播出平臺,如果是手機或者網絡電視端,可以嘗試側重4K HDR的制作,適當犧牲HD SDR,目前手機和網絡電視,大部分都支持HDR的顯示(有基於HDR10、HDR400、HLG等等),中高端的電視,峰值亮度基本能達到500nit,但對於色彩空間BT2020,目前市場上大部分的電視機和手機屏,還只能達到BT709的範圍;最後,最終還是要主流媒體起引領作用,如央視,對於4K HDR的制作和播出,之後壹定會出壹版可行性方案或者標準,然後制作端和播出端,按照給的標準進行統壹生產-制作-分發-播出。

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