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[【影视知识】]4K HDR高动态范围制作技术,是电影的未来?

楼主#
更多 发布于:2017-08-07 23:00

4K HDR高动态范围制作技术,是电影的未来?

近几年来随着影视行业4K 超高清技术的推进,影像基础参数从五个维度全面提升,带动全行业硬件设备系统更新换代。在分辨率(2K → 4K)、帧率(50i → 50p)、色域(BT.709 → BT.2020)、量化深度(8it → 10bit)、动态范围(10 档→ 14 档光圈)五个维度的扩展中,高动态范围HDR 技术在4K 分辨率的基础上,大幅提升图像呈现度,2016 年成为市场热点,从拍摄制作到显示传输广受关注,今年美国NAB 大会,高动态范围功能在系统设备中得到广泛支持,HDR 技术和工作流程走向实用。

HDR 与同期热点4K IP 技术不同,它不关乎系统构架、工作方式、交互方式的改变,相对于标准动态范围SDR 图像,是纯粹的画面品质的提升,HDR 明亮艳丽颠覆以往的视觉体验,带来一眼望去就难以忘怀的惊艳感受。[/p][/p][/p][/p][/p][/p]

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HDR技术与发展[/p][/p][/p][/p][/p][/p][/p][p][p][p]

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显示[/p][p][p][/p][p][/p][/p][/p][/p][/p][p][p][p]

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HDR 技术的驱动来源于显示终端技术的提升和市场的攀升,SDR 监视器亮度计量单位是尼特NIT=cd/m2,标准亮度为100 尼特,平板电视机最高亮度可达300 尼特。随着LED 背光技术、OLED、QD 量子点显示技术的不断成熟,显示器件的最高亮度从常态提升到1000、2000、10000 尼特,最低显示亮度从0.1 尼特拉低到0.005 尼特,将显示器件对比度从103 扩展到105,提高了2 个数量级。[/p][/p][/p][p][p][p]

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标准[/p][p][p][/p][p][/p][/p][/p][/p][/p][p][p][p]

从2012 年国际电联颁布ITURBT .2020 超高清标准以来,4K 技术分别在几个维度上形成发展势头,2015 年3 月美国电影电视工程师协会SMPTE ST.2084 标准颁布,开启了HDR 高动态范围技术的产业化发展。2016 年7 月, 国际电联ITU R BT.2100 高动态范围电视图像参数标准颁布,将ST.2084 PQ(Perceptual Quantization)感知量化电光转换特性和日本电波产业会ARIB STD-B67 标准中BBC/NHK HLG(Hybrid-Log Gamma)混合对数光电转换特性,定义为两种HDR 播出格式 (见图1), 从而实现了HDR 核心技术的标准化,进一步促进了HDR 应用。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图1 PQ/HLG转换特性曲线【 由索尼( 中国) 提供】[/p][/p][/p][p][p][p]

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OETF(Opto - Electrical Transfer Function光电转换特性)/EOTF (Electro-Optical Transfer Function 电光转换特性)本质上是电平量化比特资源的分配方案。标准动态范围Rec709 曲线用于高亮度HDR的电平资源仅为10%, 正常拍摄90%。高动态范围ST2084 和HLG 曲线用于高亮度HDR 的电平资源与正常拍摄各占50%,所以,如图2 所示,HDR 曲线可容纳更多的高亮度层次信息。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图2 HDR 转换曲线的电平资源分配【 由索尼( 中国)提供】[/p][/p][/p][p][p][p]

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在消费端,2015 年美国CEA 消费电子产品协会发布了HDR 10 标准,超高清蓝光格式也扩充了HDR內容,标准中配置了ST.2086 Max FALL、Max CLL 两个静态元数据。

杜比公司发布了DOLBY VISION标准,包含了端到端系统解决方案,DOLBY VISION 配置的动态元数据使得不同亮度规格的图像映射还原更加精细。这些终端显示标准对应了不同的应用场景,结合IT URec.2100 的发布,打通了HDR 制作/ 传输/ 接收/ 显示全链路的技术环节。[/p][/p][/p][p][p][p]

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HDR技术特点与制作

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HDR技术特点一:与高亮度结合的色域空间

从图3 色域空间坐标图可见,水平XY 轴表示色域的相位和饱和度,当纵轴亮度100nit提升至10000nit时,Rec.2020 色域远超Rec.709 色域,扩展了景物色彩的立体空间。HDR 建立了一个比SDR 更大的色彩/ 亮度坐标体系并改变了系统的传输函数,以再现更大的色域和更高的亮度动态范围。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图3 Rec 2020/ Rec 709色域空间【 由索尼( 中国) 提供】[/p][/p][/p][p][p][p]

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HDR技术特点二:高动态范围

HDR 技术的本质是还原更真实、更接近自然的图像。在丰富的自然场景中测量可得,月光下亮度可低到0.01尼特,晴天室外亮度会上百、上千、直至上万尼特级别,一直以来,为适配显示终端最高亮度100 尼特,影视制作的图像远不及临场观看感受。据统计,自然界景物的实际动态范围为1015 :1,高清影像制作的动态范围仅在103 以内;4K 电视系统采用了LOG 光电转换特性,将拍摄端的源图像动态范围扩展到105 ,这相当于人眼瞳孔无调节时观看的亮度范围。

然而SDR 制作中光电/ 电光曲线转换,会将动态范围压缩到103 以内显示,即便器件显示亮度提升,也不能还原出源图像105 的动态层次变化。所以,采用HDR 技术拍摄制作,经过独特的OETF/EOTF 压缩转换,可以不丢失动态信息,完全再现源图像105,见图4。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图4 影视制作过程中动态范围变化[/p][/p][/p][p][p][p]

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综上所述,现阶段4K 拍摄系统完全支持HDR 影像所需要的高动态范围;通过完善后期4K 色彩分级处理(Color Grading)系统,嵌入相应的转换曲线和监测方式,实现HDR內容制作和输出。

4K HDR 技术生态环境是与高清、4K SDR 共存的时代,在当前以高清内容为主、兼容4K 制作阶段,HDR 技术在适配时效性强的现场电视转播流程中,需要同时兼容高清直播、4K HDR 录制功能,为此,索尼提出了SLOG3 母版制作流程,使得HDR 制作技术不仅满足高品质电影图像制作,也满足电视现场转播的场景,实现重大赛事/ 活动的直播与高动态范围HDR 记录并行,为推进HDR 应用开辟了新途径。SLOG3 曲线如图5 所示。SLOG3 转换曲线预留了4000nit 的图像亮度空间,成熟的SLOG3 4K 工艺流程,对应现阶段兼容多种格式的需求是很好的选择。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图5 SLOG3 转换特性曲线[/p][/p][/p][p][p][p]

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4K HDR 拍摄、制作、显示生态环境已初步形成,并不断涌现出新的产品支持HDR 功能。4K 拍摄系统如索尼、阿莱、松下等主流4K 摄像机,通过RAW、LOG格式,均可实现HDR 源图像采集;后期Color Grading调色系统包括达芬奇DAVINCI RESOLVE、Autodesk

Luster、Filmlight Baselight、Nucode FilmMaster 等,已经支持HDR 多种曲线、色域输出和元数据制作。以利达示波器为代表的监测仪器也具备了HDR 参数和图像特性监测能力。HDR 显示设备中嵌入了HDR 多种标准特性曲线,索尼OL ED 监视器最高亮度达到1000 尼特,索尼LED 背光LCD 电视机最高亮度达到2000 尼特,LG、海信、创维的OLED 电视机最高亮度达到500 尼特,杜比Vision HDR 电视机最高亮度达到4000 尼特,创造了HDR 制作监看条件。[/p][/p][/p][p][p][p]

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兼容性传输[/p][p][p][/p][p][/p][/p][/p][/p][/p][p][p][p]

4K HDR 技术是在高清、4K SDR 并行的环境下实施的,在平衡质量、资源、效率的情况下,希望传送一路节目信号或一个节目文件,经过后处理环节,就可以面对不同终端HDR、SDR、HD 的显示,兼容性成为实现HDR传输显示的重要条件。以Dolby、Philips、Technicolor、BBC/NHK 等公司为代表,在內容传输方案中,采用单层传输或双层传输技术,通过加入静态、动态元数据,实现与SDR、HD 的兼容显示,其中HLG 曲线以无条件兼容彰显优势。HDR 传输解决方案仍处于不断优化、改进中。

PQ 和HLG 曲线具有不同的终端显示特点。HLG 图像接入HDR、SDR 终端,不需要做任何处理,就可以显示出各自正常的图像,HDR 终端最亮可以显1000nit,而SDR 终端最亮显示100nit。PQ 图像携带元数据信息,分别接入HDR、SDR 终端,经过映射处理,显示出适合该显示设备的最高亮度,如2000、1000、500、100nit 等。[/p][/p][/p][p][p][p]

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国内外的HDR技术发展与应用[/p][p][p][/p][p][/p][/p][/p][/p][/p][p][p][p]

2015 年以来,欧美日韩纷纷展开HDR 制作传输显示的测试与试验。

卫星运营商SES、与LG、三星演示高动态范围超高清电视DVB 传输,发布UHD 混合对数伽马HDR 测试频道。

美国亚马逊、NETFLIX、VUDU 公司已提供在线HDR 內容服务。美国电影服务商Kaleidescape、环球、米高梅、日本NTT Plala's 等公司提供HDR 超高清数字下载、“Dolby Vision”家庭內容分发和点播服务。杜比影院在全球推广HDR 影片放映环境。

美国“NBC”、加拿大“ROGERS”、日本“沃沃”等机构也纷纷开展体育赛事实况转播的试验和HDR 电视剧制作的尝试。

以韩国LG 、三星、美国Vizio、日本索尼、英国等UHD电视机厂商为代表,已有几十个品牌电视机支持“HDR10” 或“ Dolby Vision”标准,整机亮度达到 500 ~ 4000尼特。

2016 年5 月,第二代数字视频编码AVS2 颁布为广电行业标准,标志着我国影视产业进入4K 超高清时代,随之,基于AVS2 压缩的HDR 技术工作展开,杜比、飞利浦、华为等国内外知名企业积极参与提案和技术测试,目前,中国HDR 标准制定进入实质性阶段。[/p][/p][/p][p][p][p]

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HDR 拍摄工艺[/p][/p][/p][/p][/p][/p][/p][p][p][p]

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拍摄系统[/p][p][p][/p][p][/p][/p][/p][/p][/p][p][p][p]

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RAW、XAVC、R709 格式,满足PQ、HLG 标准HDR制作,并可与R709 SDR 进行比较。

摄像机镜头采用了ARRI/ZEI-SS 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RAW、SLOG3 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R709、R2020 色域图,实现对拍摄图像的精确监控。拍摄系统图如图6 所示。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图6 HDR拍摄系统框图[/p][/p][/p][p][p][p]

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HDR拍摄工艺[/p][p][p][/p][p][/p][/p][/p][/p][/p][p][p][p]

记录格式:(以F55 为例)

RAW: 16bit 线性 RGB 444 S-Gamut 3.cine,2Gbps

XAVC:10bit SLOG3 YUV422S - Gamut 3.cine,500Mbps

XAVC : 10bit Gamma 2.4,YUV 422R .709 500Mbps( SDR)

如何选择记录格式:

* 在母版制作层面,选择RAW 和XAVC SLOG3格式均可。

* 制作PQ 或st2084,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10b i t / 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。

* SLOG3 至HLG、PQ 可以转换。

现场操作步骤:

(1)根据机位测量现场在构图图像內的景物尼特值。

(2)根据现场亮度测量值,参照亮度表,估算现场动态范围。

(3)摄影师设定光圈,监测波形幅度,确定曝光正确。

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拍摄监看环境[/p][/p][/p][/p][/p][/p][/p][p][p][p]

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拍摄现场监看方式:

采用手持彩色亮度计CS-100取得实景现场內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。场景1 亮度测量值见图7。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图7 场景1现场亮度测量值[/p][/p][/p][p][p][p]

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采用CS-100 测量被摄物色彩XY 坐标值,标注到色域图定位,见图8。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图8 彩色条亮度值和对应的色度值[/p][/p][/p][p][p][p]

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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S LOG3),正确还原实景亮度和色彩。见图9、图10。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图9 X300设置参数值[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图10 拍摄现场监看设备[/p][/p][/p][p][p][p]

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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(1x1,或3x3, 或9x9 像素),见图11。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图11 LV 5490读取的任意点亮度值截图[/p][/p][/p][p][p][p]

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采用L V 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,见图12。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图12 LV 5490显示HDR区域分布[/p][/p][/p][p][p][p]

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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。

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,见图13。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图13 高对比度室内场景亮度测量值[/p][/p][/p][p][p][p]

高亮度高饱和度场景,动态范围5 档光圈。最低344nit,最高9600nit,见图14。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图14 高亮度高饱和度场景亮度测量值[/p][/p][/p][p][p][p]

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HDR 制作工艺[/p][/p][/p][/p][/p][/p][/p][p][p][p]

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制作系统构成[/p][p][p][/p][p][/p][/p][/p][/p][/p][p][p][p]

后期制作设备/ 调色软件:

以达芬奇4K 调色系统为例。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 5490、30 吋4K OLED 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,将杜比內容映射单元Dolby Vision CMU(Content 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。[/p][/p][/p][p][p][p]

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PQ、HLG、SLOG3

HDR后期制作流程[/p][p][p][/p][p][/p][/p][/p][/p][/p][p][p][p]

HDR 拍摄制作工艺流程图如图15 所示。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图15 HDR 拍摄制作工艺流程图[/p][/p][/p][p][p][p]

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PQ、HLG、SLOG3 格式HDR 图像的一般方法:

(1)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。

(2)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 range 或 limited range。彩色空间设置图例如下,见图16。

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图16 彩色空间设置图例[/p][/p][/p][p][p][p]

(3)将素材放置在时间线进行调色,还原正常彩色和亮度。

(4)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。

(5)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PQ 500、PQ1000、PQ2000 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。

(6)显示:制作HLG 可同时监看HDR、SDR 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17 所示。[/p][/p][/p][p][p][/p][/p][p][p][p]

图17 HLG制作系统连接图[/p][/p][/p]

总有一天会让我的名字,响彻整个天堂~~~
游客

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