登录本文为论文精要，原文刊发于《广播与电视技术》2021年第1期。
在高清SDR向4K HDR过渡阶段，系统还存在大量的SDR和HDR转换需求，涉及多种复杂的SDR和HDR转换场景，包括SDR到HDR转换、HDR到SDR转换、SDR-HDR-SDR往返转换等。本文基于对当前SDR和HDR转换技术发展现状的跟踪研究，梳理场景参考映射和显示参考映射两类转换的转换流程，并采用测试信号对转换效果进行评估，给出实际应用中转换方法的选择建议，可供从事SDR和HDR转换应用相关工作时参考。
本文作者
周芸，女，1988 年生，硕士，广播电视科学研究院电视技术研究所工程师，主要从事视音频编码、超高清电视等研究。
0 引言
我国4K超高清视频采用HDR技术来获得比SDR更好的视觉体验，而传统的高清电视系统则采用SDR技术。因此，在高清SDR向4K HDR过渡阶段，系统还存在大量的SDR和HDR转换需求，如4K节目制作时将高清SDR素材上变换为4K HDR进行制作（SDR到HDR转换）、4K HDR节目下变换成SDR节目在高清频道播（HDR到SDR转换）、制作过程中将SDR信号转换为HDR进行制作最后再转换回SDR进行播出（SDR-HDR-SDR往返转换）等。SDR和HDR转换不仅仅是转换曲线的简单映射，还可能涉及基准信号电平的映射、色调映射等处理。处理不好很容易引入色偏、层次丢失等问题，无法满足应用需求。
实际应用测试发现，不同厂家的转换设备转换方法各异，不同配置下转换效果也存在很大差别，因此需要对各环节的转换过程谨慎处理，确保多次转换后仍然能保证质量。本文在对当前SDR和HDR转换技术发展现状跟踪的基础上，梳理场景参考映射和显示参考映射两类转换的转换流程，并采用测试信号对转换效果进行评估，给出实际应用中转换方法的选择建议。
1 SDR和HDR转换技术发展现状
国际电联（ITU）针对SDR和HDR转换，发布了相关标准和报告。ITU-R BT.2390[1]和ITU-R BT.2408[2]提出了基于直接映射的SDR到HDR转换方法，由于SDR范围小于HDR范围，这种转换是把小容器里的内容放在大容器中，转换后不会损失信息，转换前后动态范围不会发生改变。
ITU-R BT.2446[3]给出了三种基于动态转换的SDR和HDR相互转换方法，转换前后动态范围会有所改变。SDR和HDR转换过程中可能还会涉及到BT.709色域和BT.2020色域的转换。除了基于信号处理的SDR和HDR转换方法外，基于人工智能（AI）的转换技术也在不断的被提出，但国内外都还没有完全满足需求的可商用产品。
从市场应用情况来看，设备厂商主要采用的仍然是ITU-R BT.2087和ITU-R BT.2390提出的基于直接映射的转换方法（也称为基于固定参数的转换），配合艺术性调整或动态检测来获得最佳转换效果。为了实现方便，大部分设备支持查找表（LUT，LookUp-Table）的方式，可以同时包含多套转换参数。
本文重点介绍基于直接映射的SDR和HDR转换方法，包括场景参考映射和显示参考映射，分析SDR到HDR转换、HDR到SDR转换和SDR-HDR-SDR往返转换流程，对比评估场景参考映射和显示参考映射的转换效果，给出不同应用场景转换方法的选择建议。
2 场景参考映射和显示参考映射
对于一个电视系统，摄像机利用传感器对自然场景的场景光进行拍摄，并通过光电转换函数（OETF）将光信号转换为电信号进行传输，显示终端通过电光转换函数（EOTF）将接收到的电信号转换为用于显示的显示光。对于整个系统而言，可以看作是场景光通过光光转换函数（OOTF）转换为显示光。
对于SDR系统，拍摄采用BT.709[6]规定的OETF（拍摄伽玛近似为0.5），显示采用BT.1886[7]规定的EOTF（显示伽玛为2.4），因此OOTF的系统伽玛近似为1.2，显示光比场景光的对比度和饱和度更高。对于HLG系统，最高亮度为1000 cd/m2时，OOTF对应的系统伽玛为1.2，显示光与场景光的对比度和饱和度也不一致。
因此，转换过程中，需要根据实际应用场景选择是基于场景光进行转换还是基于显示光进行映射。
3 SDR到HDR转换流程及测试
3.1 基于场景参考映射的转换
基于场景参考映射的SDR到HLG转换流程见图1。
3.2 基于显示参考映射的转换
基于显示参考映射的SDR到HLG转换流程见图2。
3.3 SDR到HDR信号转换测试
为了验证SDR到HLG的转换前后效果差异，采用10bit的100% BT.709 SDR彩条信号进行测试。当高清SDR摄像机与4K摄像机共同进行4K节目拍摄制作时，为确保图像效果的一致性，高清SDR摄像机信号建议采用基于场景参考映射的上转换，相当于用HDR摄像机直接拍摄SDR场景，转换后图像的观感与HLG摄像机拍摄的效果一致；但HDR制作流程中如果使用SDR图文，如国旗、广告等时，建议采用基于显示参考映射的转换，使得这些图文显示效果与高清SDR保持一致。另外，如果4K HDR制作时采用了已调色的SDR内容，也建议采用基于显示参考映射的转换。
4 HDR到SDR转换流程及测试
基于场景参考映射的HLG到SDR转换流程见图3。
基于显示参考映射的HLG到SDR转换流程见图4。
为了验证HLG到SDR的转换效果，采用10bit的50% BT.709 SDR彩条信号利用上述转换流程进行测试。SDR和HDR同时制作时，如果只有HDR摄像机，采用SDR调光制作HDR时一般摄像机内置的下转换采用场景参考映射下转换，为了使调光师看到的图像与播出一致，高清播出时也要采用相同的场景参考映射下转换；如果采用HDR调光制作HDR时，高清播出时可以根据需要选择采用场景参考映射还是显示参考映射进行下转换，场景参考映射下转换保留了SDR图像观感，显示参考映射下转换则保留了HLG图像观感。
5 SDR-HDR-SDR往返转换流程及测试
在某些场景下，需要将SDR信号转换为HDR，然后再转换回SDR。SDR转换为HDR有场景参考映射和显示参考映射两种，HDR转换为SDR也有场景参考映射和显示参考映射两种，所以可能的往返转换有四种：场景参考映射上转换+显示参考映射下转换（SR上转+DR下转）、显示参考映射上转换+场景参考映射下转换（DR上转+SR下转）、显示参考映射上转换+场景参考映射下转换（DR上转+DR下转）、场景参考映射上转换+场景参考映射下转换（SR上转+SR下转）。
为了验证往返转换的的实际转换效果，采用10bit的100% BT.709 SDR彩条信号利用上述转换流程进行测试，测试结果见图5，与理论分析结果一致。
为了在HDR与SDR混合制作时确保往返转换后的SDR信号与未经转换的原SDR信号相同，应尽量避免在往返转换时混合使用场景参考映射与显示参考映射。
如果HDR制作时混合使用HDR摄像机和SDR摄像机，为了保证HDR观感，建议采用场景参考映射上转换将SDR转换为HDR，高清SDR播出时采用对应的场景参考映射下转换将HDR转换为SDR。
如果HDR制作时使用了SDR图文，建议采用显示参考映射上转换进行转换，高清SDR播出也要采用对应的显示参考映射下转换，才能保持SDR图文转换前后效果一致。
6 总结
在SDR和HDR转换的具体实践过程中，如何在对技术理论全面了解的基础上，综合艺术效果的考量，是目前应用的一个难点。基于直接映射的转换方法实现简单，能适用于大部分节目，是现阶段的最佳选择，但无法保证部分超亮或超暗画面的转换质量。实际应用中，应根据具体应用需求，选取合适的转换方法，确保转换后的内容质量。
参考文献
[1]Report ITU-R BT.2390-7(07/2019), High dynamic range television for production and international programme exchange[R].
[2] Report ITU-R BT.2408-3(07/2019), Guidance for operational practices in HDR television production[R].
[3] Report ITU-R BT.2446-0(04/2019), Methods for conversion of high dynamic range content to standard dynamic range content and viceversa[R].
[4] Recommendation ITU-R BT.2087-0(10/2015), Colour conversion from Recommendation ITU-R BT.709 to Recommendation ITU-R BT.2020[R].
[5] Report ITU-R BT.2407-0(10/2017), Colour gamut conversion from Recommendation ITU-R BT.2020 to Recommendation ITU-R BT.709[R].
[6] Recommendation ITU-R BT.709-6(06/2015), Parameter values for the HDTV standards for[R].
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