超高清与高清节目同播关键技术研究

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：《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HLGSDR 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。