作者：Andrew Cotton
日期： 2023年12月19日
最後更新：2024年1月18日
今年（2023）5月國王查爾斯三世和王后卡蜜拉的加冕典禮是BBC（英國廣播公司）迄今為止最大的UHD HDR（High Dynamic Range - 高動態範圍）製作。該製作由BBCStudiosEvents負責，他們非常熟悉大型國家活動的報導。近年來，他們為BBC製作了已故女王葬禮、女王白金慶典和兩次皇家婚禮的報導。我們的職責是確保BBC的觀眾在活動當天收到品質最好的影像。
在加冕典禮上，部署了100多台UHD HDR攝影機，涵蓋白金漢宮和西敏寺（Westminster Abbey）之間的遊行隊伍、威靈頓軍營（Wellington Barracks）和西敏寺內部。這與美國超級盃（US Super Bowl）的電視報導規模非常相似，但與超級盃的UltraHD（1080p HDR）製作不同，加冕典禮是以Full UHD（2160p）HDR製作。Full UHD HDR製作為如此大規模的製作增加了相當大的複雜性，但以盡可能的高品質製作及存檔，對這樣一個歷史性事件則是非常重要。
我的同事西蒙 湯普森（Simon Thompson）在另外一篇文章，介紹了我們是如何利用來自四個不同供應商的七輛轉播（OB）車進行報導（https://reurl.cc/nrlzyn）：一輛轉播車報導西敏寺，五輛轉播車報導遊行路線和威靈頓軍營，而最後一輛“簡報（Presentation）”轉播車，則負責在加拿大門（Canada Gate）的BBC攝影棚及BBC和國際節目的主畫面。
BBC研發部於2022年10月與BBC Studios接洽，就製作工作流程提供建議，並協助進行設備審查及規劃。由於七輛轉播車使用的設備各不相同，我們必須確保每個製作單位的效果保持一致。
整個製作過程採用了我們在2019年足總盃（2019 FA Cup）UHD試驗中開發的“單串流（Single-Stream）”UHD HDR製作工作流程。當然，它是基於BBC/NHK的HLG（Hybrid Log Gamma）HDR格式，在艾美獎獲獎的ITU-R BT.2100建議書已標準化。該格式現已在全球普遍採用，用於現場HDR電視製作，其簡化版本如下圖所示。
HDR攝影機由視覺工程師在SDR（Standard Dynamic Range - 標準動態範圍）遮光（或機架）監視器上進行控制，HDR攝影機的輸出訊號經HDR至SDR的“下映對（Down-Mapping）”轉換器（Convertor）後輸入監視器，只有UHD HDR攝影機訊號通過製作導播機（Production Switcher 視訊混合器）。攝影機的任何SDR輸出都會被忽略，不會用於製作，儘管它們可能會用於驅動攝影機的取景器。完全相同類型的HDR至SDR轉換器，會使用導播機的HDR“節目輸出（PGM Output）”，來製作HD SDR版本的節目。因此，最廣大觀眾所看到的HD SDR訊號，與視覺工程師所看到的訊號完全相同，而視覺工程師則負責制作影像的樣貌（Look）。
轉播車可能只有一個UHD HDR“檢查”監視器，以便準確調整UHD攝影機的“細節”（清晰度）設定，並確保UHD訊號對焦準確，雜訊不會太大 - 這在HD SDR監視器上很難調整。有些轉播車還為導演提供UHD HDR“節目（Program）”和“預覽（Preview）”監視器，但這並非必須。通常，整個製作的監視器都以SDR運作。
實際上，大多數UHD HDR攝影機都能提供UHD (2160p) HLG及HD (1080p) HLG輸出。為了減少對昂貴的UHD HDR至SDR下映對轉換器的需求（需要額外佈線），1080p HLG攝影機輸出下映對於攝影機顯示。由於顯示器通常為17吋，1080p解析度已經足夠。
ITU-R BT.2408報告第7.2.2節和EBU的TR070技術報告對該工作流程進行了詳細介紹。Sky電視台也用該工作流程進行所有英格蘭足球超級聯賽（English Premier League），及其他體育賽事的報導；在英國以外，OBS用於奧運、HBS用於世足賽、UEFA用於歐洲杯及美國CBS、NBC和Fox廣播公司。它非常穩固固、可靠、可重複，對操作人員來說也很簡單，因為關鍵的攝影機控制與傳統的HD SDR製作完全相同。
工作流程的改進
自2019年足總盃試驗以來，HDR製作設備新增的功能大大簡化了工作流程。
早在2019年，我們就需要混合使用“Scene-Light（場景光）”和“Display-Light（顯示光）”HDR/SDR格式轉換，因而增加了複雜性和操作失誤的風險：
“Scene-Light”轉換用於匹配HDR和SDR攝影機，因為它們透過計算落在攝影機感光元件上的光線來運作。由於HDR和SDR攝影機的“樣貌（Look）”（色彩飽和度和色調）不同，“Scene-Light”轉換也會改變訊號的樣貌。
而“Display-Light”轉換則是根據參考HDR或SDR顯示器再現的光線進行計算，試圖在轉換過程中保留影像的“樣貌”。
雖然加冕典禮的報導不需要HDR慢動作攝影機和10 bit慢動作重播伺服器，但我們現在擁有HDR慢動作攝影機和10 bit慢動作重播伺服器，而2019年的情況並非如此，當時慢動作重播僅限於8 bit SDR。因此，現在操作HDR和SDR混合攝影機，並進行色彩匹配的必要性大大降低。因此，我們現在很少需要考慮“Scene-Light”轉換，幾乎所有格式轉換都基於“Display-Light”。唯一的例外是根據需要而架設的特殊攝影機（如門柱中的微型攝影機），而這種攝影機可能只有SDR格式。在這種情況下，仍然需要將“Scene-Light”SDR轉換為HDR。
現在，非線性剪輯系統廣泛支援HLG HDR，這意味著在加冕儀式上，我們可使用HLG HDR運作現場後期製作設備，進一步減少了HDR/SDR格式轉換的需要。
HDR到SDR的下映對也有了很大改進，通常使用高於SDR額定峰值白色（Peak-White，10 bit代碼值940）的擴充訊號範圍（Extended Signal Range）來傳送HDR攝影機的一些高光（Highlight）。這反過來又減少了SDR>HDR>SDR的“往返（Round-Trip）”損耗，這對於在HDR節目中包含圖形和存檔等SDR內容專案來說非常重要，我們將在下一節詳細介紹這一點。
對於我們的觀眾來說，HDR攝影機的"繪畫"控制非常重要，它可以讓視覺總監為活動精心設計藝術樣貌，稍後我們將詳細討論這些功能。
將 HDR 轉換為 SDR 格式
BBC研發部的HDR至SDR格式轉換的“3D-LUT”，對於我們使用“單串流”HDR製作工作流程至關重要。這些3D-LUT將HDR輸入的RGB映對至SDR輸出的RGB。對於10 bit RGB輸入訊號，你可能會認為需要一個包含30個項目的2次方的LUT，這當然會非常龐大。一般情況下，R、G和B訊號範圍各分為33或65個值，並為這些值的所有組合提供LUT，而缺失的輸出值則透過內插法（Interpolated）處理。因此，很容易將複雜的轉換演算法（Conversion Algorithm）編碼至LUT中，而無需要昂貴的專用硬體。
與其他一些LUT不同，我們的LUT採用“非線性”轉換演算法（Non-Linear Conversion Algorithm），以確保在參考100 cd/m2額定峰值亮度的SDR顯示器上顯示HDR影像和SDR影像時，主觀上看起來非常相似。即使視覺工程師只監控向下映對的SDR攝影機訊號，他們也可確信正在創作壯觀的HDR影像。使用非線性轉換器（Non-Linear Converter）非常重要，因為在電視製作中觀看HDR和SDR影像的亮度是不同的。ITU-R BT.2408報告書的表1規定，HDR影像（75% HLG）的額定HDR參考白電平（White Level，類似於漫射白 - Diffuse White）為203 cd/m2，而ITU-R BT.2035建議書規定，SDR製作的額定峰值白電平（類似於漫射白）為100 cd/m2。非線性轉換器可考慮人類視覺系統對不同亮度的HDR和SDR訊號的非線性反應，而簡單的線性轉換器則無法做到。線性HDR至SDR下映對器通常會產生比HDR影像更暗的中間色調和陰影 - 如果你正在製作下映對SDR影像的“樣貌”，HDR影像相較之下可能會顯得過於明亮和“飽和”。
近年來，HDR至SDR格式的轉換有了很大的改進。現在，從HDR原影像中提取的SDR訊號明顯優於通常從傳統SDR攝影機中提取的SDR訊號。除此之外，當從UHD攝影機獲得HD訊號時，HD訊號的品質通常也優於從HD攝影機獲得的訊號。因此，HD SDR觀眾也能從UHD HDR的製作中獲益。
在加冕典禮中，我們需要使用最新的BBC研發部v1.6轉換LUT，用於關鍵攝影機的HDR至SDR下映對LUT，是我們的Display-Light下映對LUT 9c。同樣的下映對LUT也應用於加拿大門轉播車最終“簡報”的UHD製作導播機（視訊混合器）輸出，以製作HD SDR節目。
將 SDR 轉換為 HDR 格式
在今天及未來的許多年裡，能夠將SDR內容納入HDR節目將非常重要。加冕典禮也不例外，我們在整個報導過程中大量使用了檔案資料。2019年，我們使用了一種名為“向上映對（Up-Mapping）”的技術，將SDR內容轉換為HDR。該技術將SDR內容放入HDR訊號容器中，並對SDR的“高光（Highlights）”進行輕微增強，進而使SDR內容更接近於原生HDR的樣貌。這種技術對於精心準備的戲劇或電影內容效果很好，但對於即時攝影機和較舊的檔案素材，效果就不盡相同了，因為這些素材的高光部分，可能會被嚴重“裁切（Clipped）”。這些被裁切的SDR高光會導致HDR版本的內容出現大面積、難看及過亮的區域。不過，這些轉換還是很有用的，因為“上映對”色調曲線（Tone-Curve）的設計，可補充節目輸出中最終從HDR至SDR轉換過程中的“下映射”色調曲線，進而減少端到端的“往返”損失。
不過， Fax公司在2020年的美國超級盃的報導中，採用了不同的方法。在此之前，HDR至SDR轉換器的通常做法，是將整個HDR訊號範圍壓縮至SDR訊號的額定範圍（10 bit代碼值64到940）。但在超級盃比賽中，我們被要求製作一個向下映對LUT，將經過壓縮的HDR高光部分放入SDR訊號的淨空中，高於額定峰值白色（10 bit代碼值940），這個訊號範圍被稱為“超級白（Super-Whites）”。這樣，我們就能將SDR訊號輸出中的HDR參考白電平（75% HLG）映對到的訊號值從86%提高到95%。我們在這麼做時有些緊張，因為之前在使用低於黑色（低於10 bit代碼值64）的訊號範圍時，我們曾看到設備出現問題。不過，我們在加冕典禮前重複的進行了大量測試，結果顯示，無論是傳統廣播、還是iPlayer播放和發布傳輸，都沒有出現問題。為了穩當起見，我們實際上將SDR訊號範圍，限制在EBU R103的“偏好（Preferred）”訊號範圍 -5%/+105%之間，而不是利用整個10 bit訊號範圍。
這種新型的轉換，不僅能提供亮度更高的SDR影像，減少高光部分的壓縮，還能透過“直接映對（Direct-Mapping）”（亦即，不應用有風險的高光增強）將SDR內容納入HDR節目，將100% SDR訊號電平直接映對到75% HLG的HDR參考白電平（Reference White Level）。
下圖說明了我們如何使用BBC的Display-Light SDR直接映對LUT 3及向下映對LUT 9，完成了僅5%的“往返”SDR高光損失。
攝影機繪製（Camera Painting）
不同的節目類型和地理區域，都有自己偏好的“樣貌”。我的意思是，有些類型的節目，如：足球，需要色彩“鮮豔”、對比度高的影像，而有些類型的節目，如：戲劇，則可能需要色彩不那麼鮮豔、但飽和度較高的影像。由於這些差異，在ITU-R HLG標準化過程中，很難就預設的“參考”樣貌達成一致。最終，寫入ITU-R BT.2100標準的是一種在色調和色彩表現方面接近自然的自然樣貌。一些專業攝影機甚至將其稱為HLG“自然”樣貌（Natural Look）。它不像SDR製作標準BT.709那樣色彩豐富，也不像BT.709那樣“強烈”，但它確實提供了一種中性影像，然後可“繪製（Painted）”出其他樣貌。顧名思義，攝影機內的“繪製”控制項，讓視覺總監得以繪製影像，呈現所需要的美感。
對於這樣一部歷史性的作品，我們必須為視覺總監提供他們所需的所有工具，以製作出最好的影像。我們從之前的試驗中瞭解到，對於這種類型的製作，視覺總監可能並不完全滿意HLG所提供的預設“自然”樣貌。因此，我們規定所有用於製作的攝影機都必須提供一整套“繪製”控制。通常，這些控制可調整暗部細節的亮度、中間色調和色彩飽和度。你手機上的照片APP可能也提供類似的調整功能。在加冕典禮當天，這些調整功能在適應不同的室外照明條件時，發揮了極大的作用，並確保在西敏寺內忠實的捕捉到國王長袍深沉而豐富的色彩。
一般情況下，兩台無線攝影機是在加冕日後期才加裝，因此無法支援全套的攝影機繪製控制。我們一直在歐洲廣播聯盟（EBU）內部努力創立自訂HDR“使用者伽瑪（User Gamma）”LUT，以接近歐洲通常喜歡的傳統BT.709樣貌。這種LUT通常可載入至尚不具備全套繪製控制功能的攝影機中，與預設的BT.2100 HLG樣貌相比，能更好的匹配攝影機的繪製。它已被納入EBU成員對EBU“基準HDR攝影機繪製控制（Baseline HDR Camera Painting Controls）”規範（Tech 3376）的附件中。
加冕典禮的訊號路由
對於如此龐大的電視製作，訊號路由（Routing）必須盡可能簡單。每輛轉播車都有自己的導播，並為各自的遊行或西敏寺報導部分提供UHD HDR節目成品。然後，轉播車將這些訊號與BBC位於加拿大門的棚內攝影機混合，生成最終的UHD節目輸出。如前所述，然後在簡報轉播車上使用我們的LUT9c將HDR向下映對為SDR，並將UHD 2160p轉換為HD 1080i，以提供HD SDR節目輸出。
作為信心檢查，簡報轉播車創作的1080i HD SDR 節目輸出，返送給其他轉播車，以便與它們所生成的HD SDR訊號進行比較。這也讓每輛轉播車上的視覺總監能確保他們的畫面與其他轉播車的畫面一致。整個裝置運作得非常好，1080i HD SDR“返回節目（Return Program）”的返送，可快速的發現任何格式轉換器規劃的錯誤。
關於 HDR 攝影機顯示 SDR
一些業內人士，尤其是北美地區的業內人士，已經開始在此工作流程中使用線性向下映對器，並將關鍵的SDR監視器的峰值亮度，從標準的100 cd/m2提高至203 cd/m2。這樣，SDR監視器就能更好的匹配HDR監視器的亮度。從203 cd/m2的HDR參考白（Reference White）到100 cd/m2 的普通SDR白光電平，向下映對器中的線性縮放與顯示幕中從100 cd/m2到203 cd/m2 的線性縮放相輔相成。因此，在203 cd/m2 SDR顯示器上，中間色調和陰影的外觀與HDR原始影像非常相似，而不需要更複雜的非線性向下映對技術。有人認為，現代消費電視顯示SDR影像的峰值亮度接近203 cd/m2，而不是ITU-R BT.2023建議中規定的100 cd/m2，因此我們在節目製作中也應該這樣做。在加冕禮上工作的兩位視覺總監問我BBC對這種做法有何看法。
乍看之下，提高關鍵SDR顯示器的亮度似乎是明智之舉，但我們和許多業內人士都對此深表擔憂。對於給定的訊號，如果將監視器的對比度調整為203 cd/m2，而不是通常的100 cd/m2，就會在陰影中看到更多細節，且由於人類視覺系統的非線性反應，中間色調的樣貌也會發生變化。因此，視覺工程師會根據是在標準100 cd/m2、還是203 cd/m2 SDR顯示器上觀看，對攝影機進行不同的藝術性調整。
所有業內人士都意識到，很少有（如果有的話）消費類電視機在“開箱即用”時產生的影像，能接近電視生產環境中的影像。但我們知道，電視機製造商在優化不同的影像模式方面付出了極大的努力，以提供消費者喜歡的影像，並在家庭中執行良好。當然，這些優化是在假設標準SDR訊號在100 cd/m2 BT.2035 顯示器上製作的情況下進行的。如果內容製作者現在改變了訊號分發的性質，採用203 cd/m2監控、而不是100 cd/m2監控，那麼就很難預測這些電視影像模式的性能如何，及在觀眾家中會看到什麼。除此之外，如果這種做法普及開來，當觀眾在傳統的100 cd/m2廣播公司和203 cd/m2廣播公司之間“跳臺”時，SDR影像的外觀就會發生變化，他們可能會發現自己需要逐個頻道進行影像調整。
對於HLG，我們投入了大量精力，以確保顯示器的EOTF（Electro-Optical Transfer Function - 電子光學傳遞函數）能在不同峰值亮度的HDR顯示器上，呈現主觀上相似的影像。但專業SDR顯示器中使用的老式SDR BT.1886 EOTF並非如此。因此，ITU-R在建議 BT.2035中為生產中的關鍵SDR監視器規定了100 cd/m2的固定額定峰值亮度。
如今，使用100 cd/m2可能顯得有些過時，特別是這種做法可追溯到陰極映像管（CRT）顯示器的使用，因為這種顯示器在亮度較高的情況下，會出現散焦現象。但在國際節目交流中，訊號的一致性至關重要。因此，我們BBC堅信，關鍵的SDR製作監控應保持在100 cd/m2，以確保來自不同節目提供商的訊號能保持一致。
重要之日：5月6日 週六
在加冕典禮當天，我蠻希望我能在加拿大門、在英國廣播公司的運作中心，就像我在2018年5月參加薩塞斯公爵和公爵夫人（Duke and Duchess of Sussex）的婚禮一樣，那是我們有史以來第一次現場直播UHD HDR的製作。但事實上，得益於所有的準備工作，在看到前一天晚上7點在BBC iPlayer和BBC One HD上播出UHD HDR加冕預覽節目後，我們的工作就已經完成了。UHD HDR的工作流程、技術方法和設備配置，都是已經過驗證，第二天出現的任何問題都是操作性的問題，作為研發工程師的我不太可能夠協助解決。由於轉播車空間有限，且工作流程幾乎已經BAU（Business As Usual - 一切照舊），因此我讓同事西蒙 湯普森（Simon Thompson）負責當天的工作。實際上，我非常高興能夠透過BBC iPlayer，和家中的親朋好友一起欣賞精彩的UHD HDR影像。
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