
开发一套单一工作流,向BBC UHD HDR iPlayer试播以及传统SDR服务交付惊艳图像。
BBC首三部UHD HDR剧集(《地球脉动》第二季、《蓝色星球》第二季和《王朝》)均由BBC自然历史组使用混合对数伽玛(HLG)高动态范围(HDR)格式制作,可在BBC iPlayer上点播。但从一开始,HLG就是为了电视直播的制作而开发的——它可实现稳定的直播电视相关视频处理(如mezzanine压缩、图像滤波和大小调整),并且不需要元数据。

但是,让电视直播制作变复杂的可不仅是视频处理链。大型体育活动常要用到大约40台摄像机,而BBC对2018年萨塞克斯公爵和萨塞克斯公爵夫人(哈里王子和梅根·马克尔)的婚礼直播动用了76台摄像机,另外还有天空电视台的额外30台摄像机。体育项目还十分依赖特种摄像机,比如netcam(安装在球门门柱里的摄像机),robocam(有限空间内的小型机器人摄像机),spidercam(依靠索道穿越赛场的摄像机)以及超慢和极慢动作摄像机。那些特种摄像机预计在未来几年中仍会保持为标准动态范围(SDR)和标准色域(ITU-R BT.709)。
为了将这些特种摄像机无缝集成到HDR制作中,高品质的SDR到HDR格式转换是关键。而HDR电视可用的更广色域将情况进一步复杂化。
对于大部分广播电视方,由于绝大部分观众仍以SDR进行观看,因此SDR画质绝不能受到拍摄制作的HDR方面的任何影响。于是,对于2018年的皇室婚礼、国际足联世界杯和温布尔登中心球场的试验,我们运用了一种HDR/SDR并行的工作流。HDR摄像机提供HDR和SDR输出,各发送至一个专用的HDR或SDR制作切换器(图像混合器),两者是从属关系。
但是,这样的并行工作流是复杂而昂贵的,因为它们需要大量设备,并且可能难以同步各种信号路径。要让UHD HDR的拍摄制作成为主流,只部署一套UHD HDR工作流至关重要,高品质SDR输出是自动从UHD HDR节目中衍生出来的。于是我们2019英格兰足总杯的试验聚焦于开发一套单一的UHD HDR工作流,它可将惊艳的图像既交付给我们的UHD HDR iPlayer服务,又交付给传统广播电视和流媒体SDR服务。
拍摄BBC 2019英格兰足总杯
在2018年的欧洲杯上,EBU发现,使用HDR监视器来调试匹配摄像机亮度,会创造难以转为SDR的HDR图像,因为它们利用的曝光范围过宽。于是,对于英格兰足总杯的试验,BBC的SDR和HDR摄像机都以SDR监视器来调试匹配亮度。
四分之一决赛——米尔沃尔 vs 布莱顿和霍夫阿尔比恩

我们的英格兰足总杯初试验是2019年3月17日在尼尔球场举行的米尔沃尔对阵布莱顿的四分之一决赛。尽管SDR BBC One信号是从UHD HDR拍摄得来的,但为这场初试验而拍摄的UHD信号并未向公众播出。然而,在米尔沃尔我们认识到,我们想交付既能满足我们又能满足视觉总监的惊艳HDR和SDR图像的目标,可能比预期更难实现。
我们没有通过HDR到SDR转换器来调试匹配HDR摄像机的亮度,而是为了减少HDR到SDR转换器的总数量,我们试着使用摄像机专门的SDR输出来调试匹配摄像机亮度——就跟我们去年拍摄皇室婚礼和温布尔顿中央球场的做法一样。但是,跟那些活动不同的是,足球赛的拍摄需要大量使用到摄像机的艺术“绘画”控制,以呈现特有的“有冲击力的”和“多彩的”足球赛“风格”。为了在SDR图像中增加对比度,阴影细节时常被压黑,高光细节又会被裁切。还可能需要应用一些额外的色彩饱和度。而人造对比度在明亮的HDR屏幕上是不必要的,所以SDR足球赛“风格”几乎跟HDR电视的设计初衷完全相悖!
为了在(从HDR信号链衍生出来的)SDR节目输出中实现理想风格,我们需要大量使用摄像机的HDR绘画控制。但跟许多其他摄像机相同的是,那些控制在摄像机的HDR和SDR输出上效果不同。所以,视觉工程师们不得不努力确保SDR观众所看到的图像跟他们在自己的SDR亮度调试监视器上看到的类似。
半决赛——曼城 vs 布莱顿和霍夫阿尔比恩
我们的第二次试验是4月6日在温布利举行的英格兰足总杯曼城对阵布莱顿和霍夫阿尔比恩的半决赛。为了这次试验,我们大大改进了摄像机亮度调适匹配工作流,而比赛在BBC iPlayer上以UHD播出。
为了避免我们在米尔沃尔见过的亮度匹配问题,这一次,HDR摄像机以SDR进行亮度调适匹配,但使用的是SDR BT.2020(伽玛2.2)监视器上显示的HLG向下兼容图像;由此让视觉工程师们得以监看摄像机的HDR输出,从这个HDR输出衍生出了BBC One SDR信号。尽管所得图像与为主BBC One传输输出提供信号的专用HDR转SDR转换器的图像高度匹配(当在参考级伽玛2.2显示设备上观看时),但在SDR高光中,两者之间仍有微小但可见的差别。那些差别限制了视觉工程师们觉得舒服的曝光范围。所以,到英格兰足总杯总决赛时,我们尽了极大努力,动用了足够的转换器来让所有摄像机可以通过一个专用的HDR转SDR转换器来调适匹配亮度。
总决赛——曼城 vs 沃特福德
我们的最后一次试验是5月18日在温布利举行的英格兰足总杯曼城对阵沃特福德的总决赛。本次大赛的每个阶段,拍摄的复杂性都在增长,而我们基于此前的经验教训改进了工作流。英格兰足总杯总决赛尤其复杂,那是因为BBC是主转播机构,负责为其他转播机构提供主要的赛事拍摄。
下图是我们为总决赛开发的拍摄构架简图。BBC的拍摄设施实际上分为了两辆实况转播(OB)车,它们由Arena Television提供;一辆支持主要的比赛摄像机,第二辆支持BBC的演播室解说设施。为了清晰起见,此图将那两个操作结合为了一个制作流程,就好像只有单一一个UHD HDR制作切换器。

你会看到不同类型的转换用在了不同地方:
•直接映射指的是,纯粹将SDR内容以正确的信号水平放到HDR信号封装格式内的流程。通常,100%的SDR信号被映射为“HDR参考白”,这在ITU-R Report BT.2408中被定义为75%的HLG信号。
•上映射是类似意思,只不过上映射中SDR信号里的高光会得到一个小“提升”,这样SDR信号就能更好地匹配原生HDR信号呈现的样子。
•下映射即反向过程。压缩HDR信号高光,一个HDR信号被转换为SDR。对于HDR高光中要保留多少细节,以及SDR图像(包括任何内嵌图形)的整体亮度,我们会做出艺术选择。
•硬裁切也可以用于HDR向SDR转换。硬裁切可以带来更亮的SDR图像和图形,但HDR摄像机采集的一切高光就会在转换中丢失。
场景光转换 vs 显示光转换
此图还显示了进行格式转换的两种不同方式——黄色为显示光,蓝色为场景光。对于一次成功的HDR拍摄,理解两种转换的差别以及何时使用它们至关重要。最简单的解释就是想想理论上的端到端的电视链,如下图所示。

摄像机镜头所收集的光线聚焦到摄像机传感器上,并转换为3种线性光信号:RS、GS和BS。这些线性光线信号与落到摄像机传感器上的红绿蓝光线成正比,所以它们被称为场景光信号。利用摄像机的光电转换函数(OETF),场景光信号随后被转换为非线性信号R’、G’、B’。
通过更好地匹配拍摄链中量化所带来的噪点与人眼视觉系统,OETF改善了端到端链的噪声表现。R’、G’、B’信号随后传至显示设备,显示设备上的电光转换函数(EOTF)将非线性的信号转换为线性的显示光信号RD、GD、BD,这些信号传输至显示设备面板。
整体来看,电视系统有一套非线性光光转换函数(OOTF),它是摄像机的OETF和显示设备的EOTF的串联。人眼在适应周围环境和显示设备时,人类视觉系统敏感度会发生变化,OOTF旨在通过对此进行补偿,来确保显示出来的图像在主观上看起来类似摄像机前的场景。最常用到的是一个“伽玛守则”——所显示的光与相对场景光乘幂数(伽玛)成正比:

每个HDR或SDR格式都有自己的OETF和EOTF函数对。所以,所得到的决定一个给定场景显示效果(或“风格”)的OOTF对于每种格式都是不同的。
一次显示光格式转换会使用相关格式的EOTF,而一次场景光转换会使用对应的OETF。
显示光SDR/HDR转换
显示光转换通过获取参考级显示设备所产生的光来计算。在转换为新格式后,它们会保留内容的原始显示“风格”(色彩和色调)。所以,这种转换通常用于已调色的内容和图形,因为保持它们的已调色状态十分重要。
显示光SDR向HDR转换器的一个例子如下图所示。
场景光SDR/HDR转换
场景光转换通过获取一个给定信号会落到摄像机传感器上的光来计算。这种转换用于匹配以不同格式工作的摄像机,因为无论拍摄格式是什么,落到摄像机传感器上的光本就是一样的。但因为每种格式的显示“风格”不一样,场景光转换会更改场景中物体所显示的色相、色调和饱和度。
BT.709信号向BT.2100 HLG的场景光转换例子如下图所示。

在实践中,人们会在摄像机内应用艺术调整(称为“绘画”)和摄像机白平衡与锐度(细节)补偿来修饰场景光信号。所以,格式转换实际上作用于“类场景光”信号,它代表的是本需要落到摄像机传感器上来呈现理想图像的光。
ITU-R的“HDR电视制作操作指南”BT.2408当中有更多细节内容。BBC研发部的格式转换LUT用到了英格兰足总杯试验的所有转换中,运行于不同厂商的硬件中。
拍摄架构
由于BBC是英格兰足总杯总决赛的主转播机构,除了主UHD HDR输出,我们还必须提供两路额外的SDR节目输出,如图所示:
•一路“脏”输出给到我们的BBC One SDR服务。(“脏”的意思是信号内嵌有BBC图形。)因为BBC图形与我们的UHD HDR和SDR服务保持相同色彩和饱和度十分重要,因此运用了显示光转换。
•一路“干净”的“世界信号”输出给到其他转播此赛事的转播机构。(“干净”的意思是信号不带图形。)由于那些转播机构当中至少有一家在赛场有他们自己的SDR摄像机,因此这个转换匹配那些摄像机也很重要。因此运用了场景光转换。
我们追求的是,HDR拍摄同样有益于SDR观众,所以我们对这两路SDR输出的转换都使用了下映射(这样能保留一些HDR高光)而没用硬裁切。

BBC对赛事的拍摄共动用了41台摄像机,其中12台为SDR摄像机,其余都是HDR摄像机。从SDR摄像机得到的信号先转为HDR,再使用场景光上映射通过切换器传输,以确保信号很好地匹配原生HDR摄像机。然而,全部41台摄像机还需要作为独立的SDR ISO(单独的)信号提供给其他转播机构。为确保HDR和SDR摄像机相匹配,我们为HDR摄像机应用了从HDR向SDR的场景光下映射。
那些相同的SDR ISO信号也用于为两个导播室里的多视图监视器提供信号。但是,我们给切换器的节目和预览输出准备了大型消费级UHD HDR电视,这样就能让导演以最高质量的HLG HDR看到他们的输出。
因为我们需要同时录制这么多摄像机信号(包括为慢动作而用到的高帧率摄像机),因此录制/重播服务器限制为8-bit SDR录制。若对它们进行10-bit HDR重配置会极大影响可用的录制/重播通道数量。
为确保SDR动作重播完全匹配直播摄像机,我们对服务器输出应用了辅助性的场景光上映射(那跟HDR摄像机SDR下映射的处理完全相反)。为进一步确保在正确的信号路径部署正确的转换器,我们在切换器上设置了一个划像功能,以对照查看直播摄像机输出及其通过录制/重播服务器路由得到的同个画面。当所有一切正确运行时,两个信号路径之间唯一可见的差别就是在极端的HDR高光中,这些高光通过服务器进行了裁切——整体上实现了绝佳的色彩与色调匹配。
跟任何大型体育赛事的拍摄一样,英格兰足总杯总决赛包含了经过调色的SDR节目插片,比如片头和档案素材。在四分之一决赛和半决赛中,这些都通过一个专用的显示光上映射器在制作切换器中进行重播;由此在主HDR和SDR节目的两路输出中保留它们的“风格”。但是,这极大地增加了操作复杂性,因为要为已调色的节目插片(显示光)和动作重播(场景光)选择不同的重播行。我们所使用的显示光和场景光上映射器之间的差别很小——为了匹配摄像机,场景光上映射在整体上会稍微欠饱和,最大的差别体现在红色里。因此,为了在总决赛过程中降低操作失误的风险,所有重播行都切换为场景光转换。那个操作上的变化并未体现在架构图中。
为保留SDR图形的色彩,在输入信号上,我们给制作切换器中的图形抠像运用了显示光直接映射,将信号映射为HLG HDR。对于图形,最好使用直接映射,以确保它们不会在HDR屏幕上看起来过亮。若图形过亮,通常就会让包含图形的HDR视频在对比之下显得暗淡。
图形直接映射的一个缺点在于,在为主输出下映射回SDR之后(即往返转换-round-tripping),SDR图形白色的信号水平常会降到SDR信号的85%到90%之间。图形信号水平的降低为压缩的HDR高光创造了余量,但并不符合SDR拍摄当前的惯例。作为一种替代方式,可以对节目输出应用从HDR到SDR的硬裁切,这能让HDR图形处于100% SDR信号。但SDR观众会丧失HDR拍摄所带来的大多数好处,因为HDR摄像机采集的高光会被裁切和丢失。
最后,示意图显示了SDR亮度调试监视器通过一个专用的HDR向SDR下映射器传输信号。在直播传输期间,HDR监视器仅用作一台偶尔用到的“检查监视器”。显示光下映射用于支持BBC解说(简称“解说”)演播室的实况转播车的摄像机亮度调试中,因为提供给BBC One的显示光HDR向SDR转换被当成其主SDR输出。场景光下映射用于支持主比赛(简称“比赛”)拍摄的实况转播车的亮度调试中,因为提供给全球传输的场景光HDR向SDR转换被当成其SDR主输出。实践中,两者差异相当小,并且不会超出对足球赛的常规艺术容差,因此两者用哪个都可以。
SDR摄像机始终通过一个上映射器和下映射器进行亮度调试匹配,如图所示。这样视觉工程师们才能再次看到跟转播车的主SDR输出完全一致的图像。
主要收获与未来工作

摄像机亮度调试匹配
在实践中,HDR摄像机的HDR和SDR摄像机输出很少会在所有设置上相互精确吻合。因此对于很有挑战性的拍摄,比如足球赛,很难实现令人满意的结果,除非HDR摄像机通过专门的HDR向SDR下映射器进行亮度调试。下映射器是场景光还是显示光的变体几乎没差别,但为避免操作人员之间混淆,如果亮度调试下映射器跟实况转播车的主SDR输出所使用的为相同类型,那会比较好。
混用HDR和SDR摄像机
默认情况下,SDR BT.709会呈现比自然状态更多彩的图像,同时阴影细节会稍被压黑——初衷是为了掩盖摄像机传感器噪点。我们已经习惯了标准BT.709的风格,很多人觉得它在艺术上很美观。对于足球赛等节目,通过使用摄像机的绘画控制,色彩饱和度和阴影细节会进一步增加。
在设计HLG HDR时,我们采取了不同的办法,部分原因在于,不同地区的艺术偏好有所不同。因此,正如我之前所写的,HLG旨在呈现接近自然状态的非常“自然的”HDR图像。可以之后再利用摄像机的“绘画”控制,或者对于非直播类项目可以在调色过程中,添加艺术调整。但是,如前面提到的,我们发现,当前的HDR与SDR摄像机绘画控制的执行效果大不相同。因此,如果大量使用这些控制,比如足球赛就会常用,那么就会更难以在整个曝光范围内匹配HDR和SDR摄像机。视觉工程师们发现,他们不但要担心色彩平衡,还要担心曝光问题。
HDR向SDR转换
当从HDR转换为SDR时,图像中的对比度会下降。那导致SDR图像有显著柔化,因为边缘所显示的亮度(比如亮度灰阶)的变化率降低了。一些硬件转换器可以通过在SDR图像中加回“细节”或锐度来进行补偿,但并非所有转换器都能提供那个有用的功能。因此,有可能需要在信号链的其他地方补偿图像中的锐度主观丢失。
对齐信号
彩条常用于在直播传输前检查端到端信号链的完整性。通常会把彩条连带唇形同步测试传入制作切换器中,并在整个信号链的多个点上进行测量。
遗憾的是,就算是ITU-R BT.2111 HDR彩条测试图里的BT.709彩条也会被多个HDR向SDR下映射器扭曲,因为它们的信号水平过高。所以很难预测SDR输出上应该测出什么值。为了解决那个问题,我们现在正在测试一组特殊的彩条,它们专为抵御格式转换而设计。
HDR监看
最后,我们发现在实况转播车受限的空间中,有时无法在视觉工程区实现SDR和HDR监视器的完全分离。
因为关键监看还是以SDR进行,为避免摄像机调试人员受到来自HDR检查监视器的眩光的影响,HLG HDR监视器的名义峰值亮度可能要降低,比如降至600 cd/㎡(需要显示设备伽玛1.10),以降低干扰。600 cd/㎡的HLG显示设备上的HDR参考白为138 cd/㎡。所以一台600 cd/㎡的HLG监视器可以在亮度上更合理地匹配典型的SDR制作监视器。
总结
通过我们的3场UHD英格兰足总杯试验,我们已经测试并提炼出了一套HDR工作流,既可以交付令人惊艳的UHD HDR图像,又可以交付高品质SDR图像,且这样得到的SDR图像甚至优于原生SDR拍摄工作流所生成的图像。似乎观看BBC One HD(SDR)转播的观众没有谁注意到那个信号是来自于UHD HDR拍摄,这恰恰是我们想达到的效果。
基于我们从最近几场试验中得到的经验教训,我们仍有一些工作要做——处理信号对齐;在其他制造商的摄像机上证明这套工作流;以及对我们自己的格式转换LUT进行一些小优化。但在BBC Sport以及我们的拍摄合作伙伴的帮助下,我们已经建立了一套可靠的UHD HDR直播拍摄工作流,它可以为家庭观看体验带来巨大的提升。
出处:Andrew Cotton | BBC
翻译:LorianneW | 盖雅翻译小组