超高清与高清节目同播关键技术研究

摘要：通过对超高清和高清同播的可行性及关键技术的研究，确定了超高清和高清节目同播流程以及HDR-SDR映射关系，首次提出“窄范围+超白”电平的应用，研发了“CMG LUT”等。研究成果成功应用于多项重大活动的制播中。

作者：中央广播电视总台周立
来源：选自2022年第12期《现代电视技术》

一、项目研究背景

中央广播电视总台在2018年10月1日开播4K超高清公共频道，带动了超高清技术的发展与普及。2019年2月，工信部、广电总局、总台联合发布了《超高清视频产业发展行动计划》，加快推进超高清视频产业发展。从专业设备到民用设备，支持超高清的产品越来越多，满足了广大观众对高质量视频内容的需求。

在制播系统完成超高清过渡之后，如何利用超高清系统同时完成超高清和高清制播的集约化生产；如何解决同一显示终端在显示超高清和高清内容时在高动态范围、色域等方面可能产生的差异及劣化问题；如何确保播出的超高清和高清节目均能够符合安全播出要求，同时满足节目图像质量要求，都需要进行深入研究与探索。

二、技术路线

关于超高清与高清节目同播研究的技术路线分为五个阶段，首先对超高清技术标准和基础理论进行研究与验证，如：对ITU-R BT.2408报告书中的基础参数进行验证；调研国内外电视台超高清节目的制播以及国际体育赛事超高清节目的转播情况；对总台超高清和高清同播系统流程以及同播关键设备进行测试分析；梳理系统和设备关键参数，解决同播环节中的问题与难点；科研成果在建党百年大型宣传报道活动和奥林匹克超高清和高清频道同播中得到实践；制定并发布相关技术规范，逐步完善总台超高清和高清同播的技术理论体系。

三、关键技术

1. 确定并验证超高清和高清电视节目同播流程

（1）明确同播方式分为频道级同播和节目级同播

频道级同播指的是超高清频道和高清频道同时播出相同的内容，超高清节目信号直接用于超高清频道播出，高清频道的播出是超高清频道信号在播出端采用固定参数下转换而来，如：奥林匹克4K超高清频道和高清频道同播。

节目级同播指的是超高清节目文件进入媒资备播，超高清节目通过媒资系统直接播出，高清频道的播出是超高清节目在媒资系统通过动态参数下转换的高清节目播出。

a. 直播流程

直播节目制播流程为：前期制作采用高清SDR调光，对于高清信号或素材，要在前期系统或总控系统进行固定参数上转换后进入制作系统，超高清成品节目信号直接用于超高清频道播出，高清频道的播出信号是超高清频道信号在播出端或总控采用固定参数下转换而来。

b. 录播流程

录播节目制播流程为：前期制作采用高清SDR调光，记录超高清HDR文件，对于高清信号或素材在前期系统固定参数上转换后进入制作系统，后期只制作超高清HDR版本，但要参考固定参数下转换的高清图像。超高清成品节目文件进入媒资备播，超高清节目通过媒资系统直接播出。对于高清频道的播出，有两种方式：一是超高清频道信号在播出端采用固定参数下转换高清信号播出；二是超高清节目在媒资系统通过动态参数下转换转的高清播出。

（2）规范以SDR调光进行HDR前期视频制作的流程

在前期制作系统中，明确了以SDR调光，即以4K摄像机的HD SDR输出信号在HD监视器及HD示波器上显示的高清图像为基准进行4K摄像机曝光控制。

（3）首次提出超高清视觉质量管控理念及方法

质量管控理念贯穿超高清制播全流程，并在关键环节增加质量管理措施及手段。研究项目以大型活动为契机，首次在前期制作系统中设置了总的视觉质量控制岗位，全程参与彩排与直播，对节目信号、图像质量、肤色还原等做实时控制，及时与前方各分系统沟通，确保系统间的一致性，并将质量控制理念推向日常工作，使质量管理常态化和规范化。

2. 明确超高清和高清映射关系为79%HLG对应100%SDR

参考白电平是HDR制作中重要的基础概念，以参考白为基础的映射关系，也是同播流程中超高清和高清相互转换的关键技术指标。ITU-R BT.2408推荐的HDR参考白亮度为203cd/m²，HDR基准信号电平为75%HLG。2022年度发布的《中央广播电视总台HDR视频制作白皮书》（以下简称“HDR白皮书”）中规定了HDR参考白亮度为260cd/m²，基准信号电平为79%HLG，HLG-SDR信号转换电平映射关系为79%HLG对应100%SDR，比ITU推荐的参数值有较大不同。总台HDR白皮书中规定HLG-SDR电平映射关系如下：

第一，HLG信号下转换为SDR信号时的电平映射关系如表1。

第二，SDR信号上转换为HLG信号时的电平映射关系如表2。

提升映射关系主要基于以下考虑：

第一，提升超高清节目平均亮度。通常节目画面中主体部分是人物肤色，在超高清节目制作的初期，可以参考的是ITU-R BT.2408推荐的常见拍摄对象亮度、信号电平，其中推荐的亚洲人肤色亮度为40cd/m²~85cd/m²。2022年总台HDR白皮书推荐的亚洲人肤色亮度为52cd/m²~109cd/m²，超高清节目中的人物肤色和节目平均亮度都有较大提升。总台HDR白皮书推荐的常见拍摄对象的亮度、信号电平如表3。

第二，精准映射关系易于操作实践。同播流程基于SDR调光，对于摄像机高清信号来说，拐点基本在95%亮度电平以上，而映射关系非常受拐点的影响。由于不同品牌摄像机拐点位置不一致，拐点之上的处理也不尽相同，在实际操作中会存在较大偏差，所以在操作层面上提出了映射关系为90%SDR对应75%HLG。取90%SDR这个点的时候，无论哪个品牌摄像机的拐点都不受影响，映射关系就会更加准确。实际上90%SDR对应75%HLG即100%SDR对应79%的HLG。

3. 首次提出HDR视频制作使用“HLG（窄范围）+超白”电平

目前4K超高清节目制作使用的是ITU-R BT.2100建议的窄范围10比特编码，其量化值范围是64~940，940对应100%HLG，亮度值为1000cd/m²；941~1019是超白部分，1019对应109%HLG，画面峰值亮度达到1809cd/m²。将HDR部分扩展到“超白”区域，可以充分地展现HDR信号高亮度层次。

项目组验证了同播流程设备对“超白”信号的支持程度，在前期流程中的切换台、EVS、解嵌器、字幕包装机等设备均支持“超白”信号的输入输出。在后期流程中不同品牌的工作站也支持“超白”信号。

因此建议在制作超高清节目时使用“HLG（窄范围）+超白”电平，即10比特量化时黑电平为64，可用电平为64~1023，其中941~1023为“超白”电平。实际使用中，为保证视频文件与SDI一致（10bit SDI信号允许使用的电平为4~1019），电平范围统一为64~1019。使用“HLG（窄范围）+超白”电平有利于提高HLG信号的动态范围，特别是在大动态范围的场景下，可保留更多的HDR信息，更好地呈现超高清HDR节目的特点。

总台的科学纪录片《飞向月球》即运用了“HLG（窄范围）+超白”电平，如宇航服和探测器的高光以及火箭发射的火焰部分都充分应用了“超白”电平，画面峰值亮度达到1809cd/m²，其与宇宙的幽深静默形成强烈反差，增加了画面的冲击力，为观众带来了鲜活的视觉体验。

总台HDR白皮书中的“窄范围”视频信号主要参数如表4。

4. 研发CMG LUT集，实现HDR-SDR转换的一致性

在同播流程中，HDR-SDR的转换器起到了重要的作用，但不同品牌、不同型号，甚至不同版本的转换器在转换过程中的电平关系、色相、饱和度、图像观感等都不尽相同，为了解决这个问题，项目组研发了CMG LUT集，用于适配不同品牌型号的转换器及不同信号类型的转换，实现设备之间上下转换的一致性。

目前发布的CMG LUT集为3组，包含场景光参考上转换、场景光参考下转换和图文信号显示光参考上转换，每组LUT包含两个类型，其中A型用于处理窄范围信号但不支持“超黑”及“超白”的转换器或软件，B型用于支持带“超黑”及“超白”的窄范围信号的转换器或软件。常规信号或素材的上、下转换的映射关系为79%HLG对应100%SDR；对于SDR图文信号，上转换的映射关系为100%SDR对应77%HLG。

当前发布的3组LUT如表5。

四、研究成果

1. 修订并发布《中央广播电视总台HDR视频制作白皮书》（2022版）

随着总台超高清制作技术的发展演进，依据项目科研成果，发布了《中央广播电视总台HDR视频制作白皮书》，主要修订了HDR参考白电平、增加了新的HDR与SDR映射关系、“超白”资源使用、CMG LUT集应用等方面的技术要求，同时针对总台超高清制播流程中主体设备，推荐了参数集和系统设置、操作流程建议等，提高了超高清和高清节目同播的图像技术质量。

2. 同播实践报告在ITU-R BT.2408-5报告书中发布

科研项目组在2021年11月ITU SG6秋季会议，提交了修订ITU-R BT.2408-4《Guidance for operational practices in HDR television production》的提案，在提案中对原有文稿增加了介绍总台在4K/8K UHD HDR和HD SDR同播实践的报告。

在2022年ITU SG6春季全会上，与会者一致通过在ITU-R BT.2408-5报告书中增加介绍总台超高清和高清同播实践的附录《4K/8K UHD HDR and HD SDR simul-production and simulcast practice in China》，并已于2022年3月发布。增加的附录推广了中国在超高清和高清同播的成功经验，并对国际上具有同播需求的广播电视及媒体机构具有重要的借鉴作用。

五、成果应用

1. 建党百年系列庆典

在建党百年系列庆典的转播中建立了总视觉质量控制岗位，全程参与彩排与直播，对节目信号、图像质量、肤色还原、系统间一致性做到实时控制；使用了100%SDR对应79%HLG的映射关系，规范了全系统HDR制作；制定了操作规范和关键设备参数集，对多系统协同工作起到了重要作用。

2. 奥林匹克超高清频道和高清频道同播

总台奥林匹克超高清频道和高清频道同播采用了科研项目确定并验证的同播流程，新的超高清和高清映射关系，以及关键设备参数集等。

超高清与高清节目同播关键技术研究成果已应用于总台超高清节目制作前后期、外场及演播室制作、文件及信号转换、播出等全链路，确保了节目质量；项目成果的国际化也为国外制播机构提供了同播技术的经验与借鉴。