12月7日，2016 NAB Show Shanghai在中国上海浦东嘉里大酒店已进入第二天。本次活动由国家对外文化贸易基地（上海）国际高科技文化装备产业基地（TCDIC）与美国国家广播电视业协会（NAB）联合主办，旨在为跨媒体行业奉上一场接轨国际智慧与创新的“盛宴”。在特色论坛——4K及超高清发展论坛上，国家新闻出版广电总局科技委员会副主任杜百川发表了主题为《4K的发展现状及前瞻》的演讲。
图：国家新闻出版广电总局科技委员会副主任杜百川
以下为演讲全文：
各位专家各位来宾，今天我要讲的题目是SDR和HDR兼容问题。大家都很关心4K，实际上我觉得4K这个名字是不对的，因为4K可能会引起不同的解释，电影也有4K，电影的4K跟我们4K不一样，所以标准名字是超高清，为什么大家不喜欢用超高清，而喜欢用4K8K，因为大家对4K8K比较容易理解，但同时忽略了超高清许多最重要的东西，比如说HDR，原因是HDR比较难以理解，所以要说清楚不是很容易，但是我尽量。超高清实际上不单单是清晰度，还包括了高的动态范围HDR，宽的色域，高帧率和高质量环绕声或者3D声音，HDR就是高动态范围，你要发展HDR就必须考虑和原有的SDR兼容，所以HDR和SDR如何兼容是一个非常关键的问题，尤其是在目前超高清推广初期，而且并不是那么简单，这个兼容的问题涉及到拍摄环节，编码环节，分配分发环节，接收环节，甚至包括显示器的连接环节，和显示环节，以往我们所说4K好像很简单，不会牵涉这么广，HDR已经牵涉到原来电视系统怎么形成的一些关键问题。
我稍微介绍一下HDR的系统特性的设计，实际上是重新定义光电转换函数和电光转换函数，很多人理解光电转换函数就是在拍摄端，而电光转换函数就是在终端，实际上不是这样的，也就是说经常在拍摄端也有这两个转换，在终端也可能也会有，所以这些问题都是目前大家要弄清楚的。为什么要重新定义，就是因为原来的电视，尤其是CRT一直是作为我们显示的主体，到后来有LCD，亮度有了很大提高。实际上对于终端的EOTF差不多是在CRT快要灭亡的时候才提出来的。原来定电视系统的亮度范围比较小，因为原来CRT本身亮度就比较低。这两个标准就是原来的标准，SDR的EOTF和OETF的标准，一个就是BT709标准，大家都知道这是OETF，BT1886就是EOTF，这两个就是我们目前高清晰度电视的转换函数的定义。
我们可以看一下这个定义，最上面这个红线就是709，到了白的时候就切掉，所以为什么到白的时候我们看到过亮的部分没有层次就是这个原因。后来尤其在摄像机里面，在略低的地方加一个拐点，拐点以上白的部分就会有层次，这就是现在目前来解决动态范围扩大的一个办法。原来系统实际上OETF是有的，就是伽玛，为什么要伽马是因为人对暗的噪声比较敏感，对亮的噪声不敏感，所以在拍摄的时候就把亮区压缩，然后到CRT显示的时候再把亮区扩展，噪声还是看不大出来，低端还可以看的比较好。这就是原来的伽玛，也有动态范围扩展的作用。伽玛一直起了非线压缩的作用，能够把动态范围扩大的因素，但是不管怎么说，原来电视系统的最大亮度只定到100nits，而新的标准定到1000，底下到0.01，甚至0.005，这个七次方的范围就会有比较高的动态范围。这时伽马就不够了，要采用新的方法。
或者我们可以看一下NTSC的伽马是2.2，PAL是2.8，MAC是1.8，PC没有，所以为什么用计算机做视频，不用PC因为PC没有伽玛，所以看起来PC的图像会非常非常灰和平就是这个原因。动态范围的单位是档，是最大亮度和最小亮度之比的对数。OETF关键在什么地方？一是要有较大的动态范围，而是要数字化后看不见两个量化级或亮度级之间的区别，根据实验，人眼睛对刚好能识别的亮度间隔阈值跟亮度成正比，比如上一级要比下一级宽2%，或是下一级的1.02倍，这个叫Weber定律或者0.02就叫Weber分数。1.02的233次方等于100，这就是说100nits用这样的233级量化就可以看不到亮度间的分界线，8比特256级，用其中的233级亮度，还要去掉上下几级，用8比特就刚好。这就是我们所说的感知量化级，用刚好能识别亮度电平差作为量化级的量化方法，这个方法称为感知量化，或者叫做PQ。为了提高动态范围克服709的局限性，大多数摄像机都有自己的特性，所有这些东西所得到的动态范围都是不一样的。除了PQ以外，还有一种叫做HLG，也就是混合伽玛。我们用下面几个曲线来解释，第一个曲线是Barten曲线，在曲线上是能够看到量化界线，曲线下看不到量化界线。下一个图是15比特的伽玛，在亮的区有浪费，而如果是13比特的LOG我们看到正好相反，在暗区有浪费，PQ曲线和Barten曲线拟合，而处理HLG在暗区用伽玛在亮区用LOG，这样跟PQ有异曲同工，还有它的其他好处我一会儿再说。
这个图可以把这四条曲线放在一起看的更清楚一点，这就是原来的709，这个就是加拐点，绿蓝的线就是PQ，这个线就是HLG，这个HLG我们可以看到，它在暗区是跟伽玛是一样，在亮区用的是LOG。它有个好处是暗区跟SDR是一样的，因此可以与SDR接收兼容，所以HLG就有这个好处。有一个公司对所有摄像机做出了测量，比如说对Arri、索尼、佳能一直到松下的动态范围都做了测量，这里面还是Arri最高，从这个角度看，OETF曲线是关键，也就是说你能不能得到比较高的动态范围，关键是OETF转换函数的曲线。这是索尼的S-LOG3和S-LOG2的比较，可以看到，除了动态范围，中部图像的亮度也很重要，所以S-LOG3会比S-LOG2亮一点，所以这个曲线的形状对我们的HDR有非常大的作用。EOTF最后从电转到光，实际上1886很晚才形成，当然EOTF不一定非要完全OETF的反函数。有一个关键因素是OOTF，也就是光到光的转换函数，很多人觉得OETF到EOTF当然就是OOTF，但是其实不然，如果你要把自然光线直接反射到你的电视机上确实是，但是大多数的节目制作，都有一个创作，尤其是搞电影的，希望我的图像系统体现某种创作意图，或者暖色调，灰色调，像这些来影响情绪的一些东西，我必须让能够从拍摄的前端一直能够保持到我的拍摄的终端，因此，通常首先决定的是OOTF，OOTF放在什么地方就是关键，要先确定什么样的创造意图，再确定在整个范围当中应该怎么办。
这就是HDR的关键参数OETF，系统伽玛和呈现意图OOTF。国际电联在今年七月份颁布了TT2100用于节目制作和国际节目交换的高动态范围图像参数值，这里面规定了一系列的参数，我们就不说了，看看这个要求背景和周围亮度，背景亮度是5个nits，周围亮度也是5个nits，最小的亮度是0.005，这个都是我们需要关注的，所以将来看超高清的电视，周围的亮度是不能高的，如果高那么你0.005根本看不见的。这个都是做了一系列实验才能得出来的，这个我不多说了。这个里面一个是PQHLG一个关键问题在于OOTF放在什么地方，对于PQ来说，原来设计的模式是把OOTF放在摄像机端，我们可以看到OO直接在摄像机里面就有OO，这个也就是说创造意图是用摄像机这边实现，这有什么缺点？就是你要使得OOTF能够保持到接收端，那么你中间必须精确的来重现，因此为什么PQ要求什么，要求绝对亮度，把绝对亮度规定了，最后要显示出来的图像跟绝对亮度是相关的，但是HLG跟传统的有相关，OOTF放在接收端，在这个阶段我们就发现，它可以允许一定偏差，这个允许偏差可以用最后的OOTF来完全的校正，这样一来就有一个好处，还有一个好处传输过程的兼容性就会比较好，它的要求就没那么严格，不是要求绝对亮度，没有跟绝对亮度完全在一起。
兼容的问题有很多的方案，比如说单一的HDR制作，所有的东西转成HDR，再转成我想要的东西，这是一种方法。还有一种分两层，一个是HDR和，SDR同时传输，还有一种就是我只传输一个信号，或者传输SDR，或者传输HDR，但是另外一个信号都是从这个信号提取出来的，单一信号传输，两种办法里面，HDR直接传输的和SDR直接传输的都必须跟元数据相关，也就是说剩下的部分都放在元数据，所以如果单层兼容系统，必须要有元数据来支持，而元数据的支持就必须是端到端是系统。我们可以看到目前来说有这两大类的方法，一大类就是单层，一大类就是双层，单层目前HEVC是可以的，用main10，显示可以用一般的HDR显示，如果用HLG，HDR信号可以直接在SDR电视机上显示，也不需要元数据。或者你用专有的编码器，或者SHVC的编码方式，这个方式目前用单层的传输，现在只有Technicolor，传送用SDR加表示HDR的元数据，接收端普通SDR电视机直接可以收看，HDR接收机将元数据中的HDR信息加上SDR成为HDR信号。也就是说Technicolor是能够以单层SDR的传输方式，能够兼容HDR，也就是说HDR信号我可以从SDR的原数据再重新恢复。所以这个就是分单层还是双层的问题。
元数据也有制作元数据还有分发元数据，还分为动态元数据和静态元数据，静态原数据不逐帧变化，动态原数据的元数据逐帧变化，HLG系统不需要任何内容相关的原数据，一个超高清的显示只需要知道出现在其输入端的是HLG的信号就可以，从这个角度说兼容性是比较好。因为时间关系我就不多说了，目前大概有四种不同的系统，一个是系统HDR10，第二是Dulby，第三就是BBC/NHK，前面三种不多说了，最后说一下Technicolor和飞利浦的HDR，是因为目前这个已经成为ETSI的标准，单层直接与SDR兼容的HDR系统，它有非常具体的节目制作和显示的规定，标准号是今年八月份通过的。这个说明要使HDR要能够在我们现在的环境当中顺利推广，一个关键的问题不在于4K8K，而在于你怎么能够做到现有的系统更好的兼容，谢谢。还有一些观看条件系统和显示器标定等等，我就不详细说了。
这里面的关键感知量化，也就是说OETF关键在什么地方？我要变成数字的时候，我最好能看不到这个档之间的差别，根据外部的实验，人眼睛对门线预示的亮度差别的预值跟亮度成正比，这个叫Weber定律或者Weber分数。如果用8比特256级，用其中的233级亮度还要去掉，用其中的233正好能够表达我看不见两边有差别的这样一个结果，这就是我们所说的感知量化级，用刚好能识别亮度电平差作为量化级的量化方法，这个方法称为感知量化，或者叫做PQ。为了提高动态范围克服709的局限性，大多数摄像机都有自己的特性，所有这些东西所得到的动态范围都是不一样的。除了PQ以外，还有一种叫做HLG，也就是混合伽玛。为什么这么说，如果从人的眼睛曲线来说是这样的曲线，也就是说在这上面是可以看到两个级别之间有界限的，而在这下面是看不见的，如果是15比特的伽玛是这样的线，在亮的区有浪费掉了，而在如果是13比特的LOG我们看到正好，按照在暗区有浪费，处理办法叫做混合，也就是说在暗区用伽玛在亮区用LOG，这样跟PQ有异曲同工，还有它的好处我一会儿再说。
可以看到这张图，把这三张图放在一起，15比特的伽玛和12比特的PQ，这就是HLG。这个图可以把这四条曲线看的更清楚一点，更明显这张就是原来的709这个就是加拐点，绿蓝的线就是PQ，这个线就是HLG，这个HLG我们可以看到，它在暗区是跟伽玛是一样，在亮区用的LOG它有个好处跟SDR接收器完全兼容，所以HLG就有这个好处。有一个公司对所有摄像机做出了测量，比如说对Alexa索尼，一直到松下的动态范围做了测量，这里面还是Alexa最高，从这个角度看，这个曲线是关键，也就是说你能不能得到比较高的动态范围，关键是OETV访问函数的曲线。这是索尼的LOG3和LOG2的比较，这个曲线可以做很多的调整，所以会比SLOG亮一点，上面比较缓一点，所以这个曲线的形状对我们的HDR有非常大的作用。OETF最后从电转到光，实际上1886很晚才形成，当然EOTF不一定非要完全OETF的反函数，当然还有一个OOTF，也就是光到光的转换函数，很多人觉得OETF到EOTF当然就是OOTF，但是其实不然，如果你要把自然光线直接反射到你的电视机上确实是，但是大多数的节目制作，都有一个创作，或者说我希望尤其是搞电影的，希望我的图像体现某种我的创作议题，或者暖色调，灰色调，像这些来影响情绪的一些东西，我必须让能够从拍摄的前端一直能够保持到我的拍摄的终端，这种OOTF放在什么地方就是这两个其中的一个关键，光转到电电转到光就是OO，实际上OO是创作意图，要先确定什么样的创造意图，再确定在整个范围当中应该怎么办。
也就是说我们说的呈现意图，系统伽玛和OOTF，这个我们就不多说了。国际电联在今年七月份颁布了TT2100用于节目制作和国际节目交换的高动态范围图像参数值，这里面规定了一系列的参数，我们就不说了，看看这个要求背景和周围亮度，背景亮度是5个nits，周围亮度也是5个nits，最小的亮度是0.005，这个都是我们需要关注的，所以将来看超高清的电视，周围的亮度是不能高的，如果高那么你0.005根本看不见的。这个都是做了一系列实验才能得出来的，这个我不多说了。这个里面一个是PQHLG一个关键问题在于OOTF放在什么地方，对于PQ来说，原来设计的模式是把OOTF放在摄像机端，我们可以看到OO直接在摄像机里面就有OO，这个也就是说创造意图是用摄像机这边实现，这有什么缺点？就是你要使得OOTF能够保持到接收端，那么你中间必须精确的来重现，因此为什么PQ要求什么，要求绝对亮度，把绝对亮度规定了，最后要显示出来的图像跟绝对亮度是相关的，但是HLG跟传统的有相关，OOTF放在接收端，在这个阶段我们就发现，它可以允许一定偏差，这个允许偏差可以用最后的OOTF来完全的校正，这样一来就有一个好处，还有一个好处传输过程的兼容性就会比较好，它的要求就没那么严格，不是要求绝对亮度，没有跟绝对亮度完全在一起。
兼容的问题有很多的方案，比如说单一的HDR制作，所有的东西转成SDR，再转成我想要的东西，这是一种方法。还有一种分两层，一个是HDR和SDR同时传输，还有一种就是我只传输一个信号，或者传输SDR，或者传输HDR，但是另外一个信号都是从这个信号提取出来的，单一信号传输，两种办法里面，HDR直接传输的和SDR直接传输的都必须跟原数据相关，也就是说剩下的部分都放在原数据，所以如果单纯兼容机构，必须要有原数据来支持，而原数据的支持就必须是端到端是系统。我们可以看到目前来说有这两大类的方法，一大类就是单层，一大类就是双层，单层目前SHVC是可以的，显示可以用一般的HDR显示，如果用HLG的就可以大家它的SDR，在我们SDR的电视机上存放。或者你是用专有的，或者SHVC的编码方式，这个方式目前用单层的传输，现在只有Technicolor，原数据提取出来变成SDR不提取直接可以在SDR上面观看，这是它的一种兼容方式，也就是说Technicolor是能够以单层DSR的传输方式，能够兼容HDR，也就是说HDR信号我可以从SDR的原数据再重新恢复。所以这个就是分单层还是双层的问题。
原数据也有制作原数据还有，一大类是静态原数据，还有动态原数据，这两种HLG系统不需要任何内容相关的原数据，一个超高清的显示只需要知道出现在其输入端的是HLG的信号就可以，从这个角度说兼容性是比较好。因为时间关系我就不多说了，目前大概有四种不同的系统，一个是系统HDR10，第三就是BBT，前面三种不多说了，最后说一下Technicolor和飞利浦的HDR，是因为目前这个已经成为ETSI的标准，单层直接与SDR兼容的HDR系统，它有非常具体的节目制作和显示的，它的标准号是今年八月份通过的。这个说明SDR和HDR，或者HDR要能够在我们现在的环境当中顺利推广，一个关键的问题不在于4K8K，而在于你怎么能够做到现有的系统更好的兼容，谢谢。还有一些观看条件系统的标定等等，我就不详细说了。
责任编辑：方珍
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