摘要：北京广播电视台冬奥纪实4K超高清频道采用超高清、高清和标清三同播的播出方式。本文主要就超高清节目采用的高动态范围和宽色域的相关内容加以阐述，同时针对冬奥纪实频道如何实现三同播的播出方式和在此过程中遇到的问题加以介绍与分析。

　　关键词：高动态范围标准动态范围BT.2020 BT.709 DCI-P3 HLG PQ

　　1．建设背景

　　4K超高清制播技术，是电视行业主流技术发展方向，是体育赛事转播、综艺娱乐节目制作、高品质纪录片拍摄等应用场景的基础性支撑技术，同时还有着强大的产业融合发展前景。为紧跟广电行业制播技术发展趋势，同时紧密结合北京冬奥筹备举办要求，进一步拓展技术应用场景丰富频道节目内容，北京广播电视台于2020年启动了BRTV冬奥纪实4K超高清频道的设计与建设工作，并于2020年12月30日正式开播。这是我国首个上星播出的省级4K超高清频道，也是国内第一个超高清、高清和标清同播频道。

　　2．实现方式

　　由于考虑到频道的特殊性和助力成功举办北京冬奥会的社会意义，本次频道建设采用了4K超高清、高清和标清电视节目同播的播出方式。与以往的高、标清同播方式不同，本次的4K超高清节目采用全新的制播方式，实现高动态范围（HDR）、宽色域（BT.2020）的视听效果，而同播的高、标清节目则依旧采用标准动态范围（SDR）、常规视频色域空间（BT.709）进行播出，这就产生了一个问题：4K超高清节目的动态范围HDR和色域BT.2020与高、标清节目动态范围SDR和色域BT.709如何转换。我们设计采用了将4K播出末级信号通过转换器做下转换处理形成高清信号，再通过下变换形成标清信号分别传输给下游单位的方式来实现4K超高清、高清和标清电视节目同播的目的（如图1）。

图1

　　1）高动态范围（HDR）和宽色域的基本介绍

　　HDR技术在以往电视节目还停留在高、标清视频的时代，并没有得到足够的重视，所以大家对它的了解还不太深刻，简单说它就是让图像无论高光还是阴影部分细节都更清晰，实现高光不过曝、暗调不欠曝的效果。让亮处的效果鲜亮，而同时黑暗保留更多的细节，能分辨物体的轮廓和深度，而不是以往的一团黑。比如说我们运用标准动态范围拍摄室内外的场景，拍摄的结果要么就是如图2，照顾室内的场景而使得室外场景过曝，一片白；要么就是如图3，照顾室外的场景而使得室内场景曝光不足，在较暗的部分看不到过多的细节内容。而如果运用了高动态范围来拍摄同样的画面，如图4，就可以正确再现高亮度景物与暗部景物的灰度层次和色彩，更为真实地还原当时的场景，给观众带来身临其境的视觉感受。

图2

图3

图4

　　2015年10月国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）颁布了面向新一代超高清UHD（Ultra-high definition）视频制作与显示系统的BT.2020标准（Parameter values for ultra-high definition television systems for production and international programme exchange，超高清电视系统节目制作和国际交换的参数数值），重新定义了电视广播与消费电子领域关于超高清视频显示的各项参数指标，促进4K超高清家用显示设备进一步走向规范化。国家广播电视总局也颁布了GY/T 307—2017《超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值》，为国内的超高清晰度电视系统节目制作提供了相应标准。

　　在上述一系列标准中提到，色域方面，4K频道的节目素材采用BT.2020的广色域范围，相比于传统的BT.709色域范围，新的BT.2020色域能够做到涵盖更多色彩，因此BT.2020色彩空间被ITU国际电信联盟组织定位为4K/8K时代的一个图像信号色域标准，也是超高清蓝光的标准之一。BT.2020色域，是目前显示设备中最大的色彩空间（如图5）。相对于BT.709标准，BT.2020标准大幅度提升了视频信号的性能规范，色彩深度方面提高至10bit或12bit,很大程度上增强了整个影像的色彩层次，色域的广度也大大增强。

图5

　　总之，运用了HDR和BT.2020宽色域后的4K节目在视觉效果上与以往采用传统技术手段制作的节目相比有了巨大的提升，但问题也随之而来，要想获得更好的观感，就需要对高动态和宽色域参数做更加精细的调整，尤其是高动态参数，任何一个细小的调整都有可能影响画面所呈现的效果，因此有必要对高动态（HDR）有一个深入的理解。

　　2）常用的两种HDR介绍

　　ITU-R BT.2100（Image parameter values for high dynamic range television for use in production and international programme exchange）和GY/T 315—2018《高动态范围电视制作和交换图像参数值》均定义了两种用于高动态范围（HDR）电视的伽马，一种是杜比（Dolby）推荐的HDR伽马—感知量化（PQ）；另一种是BBC和NHK推荐的HDR伽马—混合对数伽马（HLG）。PQ定义的是EOTF，它采用的是绝对亮度体系，由于PQ的EOTF曲线只有一条，所以在显示端画面的亮度只与电平有关，和显示端硬件的物理性能无关，无论显示端的峰值亮度是多少，它们在相同电平下显示的画面亮度都是相同的。HLG定义的是OETF，它采用的是相对亮度体系，与PQ不同，它的EOTF曲线会有多条，这主要取决于显示端画面的峰值亮度是多少，不同峰值亮度的终端显示器的EOTF各不相同，所以这就造成了采用HLG时，显示亮度不但与信号电平有关，还与显示设备有关，信号的最高电平对应显示设备的最高亮度。在显示终端设备和监看环境可控的情况下，应用绝对亮度体系的PQ可以获得最高质量的HDR影像，但困难也就在于此，要想做到可控，就需要在播出传输码流中添加大量的元数据，这里面的元数据有些是需要人为写入的，一旦元数据出错，终端的显示就会不受控，对安全播出造成巨大影响。

　　而现阶段如果应用相对亮度体系的HLG就不会出现这样的问题，配以显示屏可变伽马的配置可以对任何峰值亮度的显示屏进行调整，最终实现显示屏不同，在观看SDR内容时感官效果基本相同，尤其是人脸肤色差别不大的目的，加之HLG本身就与SDR有很好的兼容性，所以目前国内电视台的4K节目在制播时均采用的是HLG作为高动态范围的选项。

　　3）转换器选用的参考标准

　　在此次BRTV冬奥纪实4K超高清频道设计之初，为了实现4K超高清信号和高、标清信号同播的目的，我们在4K信号主备路的末级后分别添加了两台转换器，来实现4K信号到高清信号分别在高动态范围向标准动态范围和BT.2020色域向BT.709色域的下转换功能。此外考虑到频道的特殊性，会有大量体育赛事的相关直播工作，但直播的视源目前还是以高清信号为主，所以在台内的总控部分我们添加了主备两台转换器，主要完成将外来的采用SDR、BT.709色域的高清信号源上转换为HLG、BT.2020色域的4K信号作为信号源来使用。由于转换器的品牌不一，用途不同，转换器如何调整，阈值怎样设定才能保证输出画面质量就成为一个至关重要的问题。

　　目前北京台采用的映射关系是：以100%SDR为基准时，在SDR拐点KNEE关的情况下，79%HLG输入电平映射100%SDR输出电平；以75%HLG为基准时，在SDR拐点KNEE开的情况下，75%HLG输入电平映射90%SDR输出电平。但这个参数也不是一成不变的，在此之前，我们还曾使用过77%HLG输入电平映射100%SDR输出电平这个参数，但播出一段时间后发现4K画面的亮度效果有些偏暗了，原因在于4K画面中的SDR部分的内容还是居多的，原有参数给予这部分的电平较低，但如果提高这部分的电平就会相应降低动态范围，通过大量实验和慎重权衡，我们才选择了现在的参数。所以这也证明，我们转换器的参数设定并不是恒定不变的，伴随着大家对高动态范围不断深入了解，逐步在寻求一个4K HDR和高、标清SDR都合适的平衡点，所以今后关于变换器的参数还会不断改进。

　　4）转换器的调试方式

　　在设置转换器参数时我们主要使用的是这样的方法：

　　上转换时，我们使用的是RP219彩条作为测试信号源，将它输入给作为上转换使用的转换器，通过4K的波形监视器观看100%SDR白电平通过转换输出后的位置，调节相应参数，使其最终位于79%电平的位置，观察此时输出信号中的斜波应是一条曲线，不应是像原输入信号时的一条直线。

　　下转换时，我们使用的是BT.2111彩条作为测试信号源，将它输入给作为下转换使用的转换器，通过高清的波形监视器观看75%HLG电平下转换输出的SDR电平应为90%，如有误差需要，对相应参数进行调整，使其位于90%电平的位置，观察此时输出信号中的斜波应是一条曲线，不应是像原输入信号时的一条直线。此外由于BT.2111彩条还包含了BT.709彩条通过SR上转换后的内容，所以我们可以观察运用SR下转换后的BT.709彩条部分高清矢量是否正常来判断参数设置是否合适。

　　相比于动态范围来说，色域方面就要容易一些了。在转换器的设置上只要做好相应的对应关系大的方向就不会有错，在此基础上也可以做一些微调，4K信号均采用BT.2020色域，高清信号均采用BT.709色域即可，无论输入还是输出信号都遵循这个原则，色域转换方面就不会出现重大问题。但必须强调的是无论是哪种色域，必须和实际信号内容信息相符，否则在转换过程中势必会出现问题。

　　在上述的设置方式中，我们主要是将测试信号作为输入源，现实中，我们还需要结合一些实际的画面来验证或修改相应的参数，毕竟我们日常播出的是有内容的画面而不是测试图，所以结合频道的特性，我们选取了一些有代表性的画面作为测试的素材，例如室内外进行的赛事、演播室的画面等。在测试的过程中我们也参考了央视给出的相关资料，经过反复调整与实验，最终确定了目前正在使用的这版参数。

　　5）4K节目的质量评判

　　4K节目虽然采用了高动态范围，但北京台毕竟涉及需要下转换做同播处理，而且画面的主体内容还是集中在标准动态范围内，例如人物画面时的肤色等，高动态范围部分主要是用作高光部分的处理，展示高亮部分的细节，所以在观看效果时，我们不应该以高动态范围部分所占比例多少来衡量这个素材的好坏。换言之，高动态范围的部分并不是越多越好，一个合格的4K HDR的节目既要照顾高光部分，同时也要满足暗部细节显示的需求，目前参考央视提供的标准，将HDR高光控制在5%至20%效果会比较理想。

　　3.当前4K节目面临的问题与对今后的展望

　　4K节目相比于传统的高、标清节目来说还是个新生事物，自身还有一些问题需要改进，例如，由于4K视频采用的动态范围和色域与如今常常看到的高、标清视频完全不一样，这就需要观众家中的4K电视机、4K机顶盒（有线电视、IPTV等）能够匹配4K频道播出的HDR类型和色域，如果不匹配势必会造成收看效果大打折扣，给观众一种4K效果还不如高清的错觉，严重时甚至会出现色块、色斑等大面积色彩失真。但目前，匹配的这一操作还是需要观众手动调节支持HDR的电视菜单来实现（有的电视终端还没有可以调整菜单的功能），可这并不是每个人都有意识去做的，而且也十分不方便，我们更希望实现的是当看普通节目的时候电视机自动选用SDR和BT.709色域显示，而当看4K节目时电视机自动选用HDR和BT.2020色域显示。此外环境亮度对显示器的显示效果也有巨大的影响，如果想得到一个好的视觉效果，就要根据当时的环境光实时调整电视的峰值亮度，而上文所谈到的HLG属于相对亮度体系，根据显示端峰值亮度的不同系统伽马也不同，这就需要电视要能够做到伽马自动调节。试想未来家中的电视如果能够做到根据节目自动调节动态范围和色域，根据环境自动调节峰值亮度和伽马，那将会大大提升观众的视觉效果。

　　在BT.2100推荐规范中，我们可以清晰地看到并非只有4K才能够支持HDR，1080P与8K的内容同样也可以制作成HDR的内容，这就意味着未来HDR相关的影视节目制作是多样化的，会根据当地的信号传输条件与要求进行相应的调整，也有专家提出加强HD HDR的研发力度。

　　需要留意的一点是，BT.2100规范中对于系统制作所采用的色域标准是与BT.2020规范相一致的，这样就对HDR的显示设备有相当高的要求。当HDR的显示设备本身色域不能达到BT.2020要求，而所播的内容在制作过程中，色域使用范围超过终端能够呈现的色域时，就会造成终端无法正确还原节目效果这一问题。原因在于从色域图可以看出，BT.2020色域采用了比BT.709更宽广的色域空间，在橙色与绿色有更大的显示范围，能显示更丰富的色彩。

　　但是，目前市场上销售的主流4K电视机所能支持的色域还都集中在DCI-P3色域的范围内（DCI-P3是电影行业制定的标准，BT.2020色域要比DCI-P3色域大得多）。市面上目前几乎没有一台家用设备能达100%BT.2020色域覆盖。售价8万余元人民币的8K HDR 85英寸商用电视机在开启色彩增强模式下也只覆盖了100%的P3色域。即使是广电专业主监视级和参考级4K监视器均不支持完整的ITU-R BT.2020色域。售价8万余元人民币的85英寸8K国产电视仅能达到150%BT.709色域（远达不到100%BT.2020色域覆盖）。BT.2020色域要比DCI-P3色域大得多，这就造成如果在制作时使用了超过DCI-P3色域的部分在接收端的电视上无法正确还原色彩效果。显示色域比拍摄色域小时直接表现就是显示的彩色饱和度比实际景物彩色饱和度低，显示色域比拍摄色域大时显示的彩色饱和度比实际景物彩色饱和度高，只有拍摄与显示色域相同时显示的彩色饱和度才与实际景物的彩色饱和度相同，因此有专家提出目前以DCI-P3色域来进行超高清电视制播。

　　上述这些问题还需要我们媒体技术工作者和众多相关厂家的联合努力，相互促进，才能不断将新技术向前推进。

　　4.总结

　　此次4K超高清、高清、标清电视节目同播的技术难点在于4K超高清电视相对于高清电视，基带信号的码率提高到8倍，亮度指标增强到10倍，色域范围也有大幅度扩展。在4K超高清、高清和标清同步播出时，主要由转换器负责进行4K HDR和HD SDR、色域BT.2020和BT.709之间相互转换，在转换过程中既要保证4K超高清和高、标清节目的画面视觉效果，还要避免由于上、下转换带来的亮度过高或过低、彩色失真等一系列安播隐患，正是如此，才使得4K超高清、高清和标清节目的同播难度远高于高、标清节目同播的难度。

　　北京广播电视台（BRTV）冬奥纪实4K超高清频道（4K超高清、高清、标清电视同播）作为我国首个上星播出的省级4K超高清频道，担负着不断满足人民日益增长的美好生活需求和向世界展示2022年冬奥会风采的历史使命，我们一定会紧紧抓住这次的发展机遇，继续深入探索相关技术，通过制作、播出、传输等各环节不断完善，最终将频道打造成体现首都水准的4K超高清频道品牌，为广大电视用户提供更加优质的超高清视音频体验。

　　（文章发表在《现代电视技术》2022年8月刊上）

　　参考文献

　　（1）全国广播电影电视标准化技术委员会.中华人民共和国广播电影电视行业标准GY/T 315—2018高动态范围电视节目制作和交换图像参数值[S].北京:中央电视台,国家新闻出版广电总局广播科学研究院，国家新闻出版广电总局广播电视规划院,2018:1-2[2022-01-01].

　　（2）全国广播电影电视标准化技术委员会.中华人民共和国广播电影电视行业标准GY/T 307—2017超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值[S].北京:中央电视台,国家新闻出版广电总局广播电视规划院,中国电影电视技术学会,2017:11-9[2022-01-01].

　　（3）王亚明.影视制作专业问答[EB/OL].(2021-03-25)[2022-01-01].https://www.imaschina.com/article/56832.html.

　　（4）中央广播电视总台.中央广播电视总台HDR视频制作白皮2021[R].(2021-01-14)[2022-01-01].

　　【作者】：

　　官健，北京广播电视台高级工程师。

　　程宏，程宏,北京广播电视台教授级高级工程师，北京市宣传思想文化系统“四个一批”人才，广播电视和网络视听行业领军人才。北京市智慧广电重点联合实验室创始人、首席创新官。国家广电总局安全播出技术质量一等奖获得者，国家广电总局科技创新奖一等奖获得者，国家行业技术标准制定者。正高级和高级专业职称的评审专家。中国电影电视技术学会网络视频专业委员会委员、媒体传播技术与应用专委会委员。

责任编辑：房家辉