《現(xiàn)代電影技術(shù)》｜張?chǎng)蔚龋弘娪癝DR與HDR映射結(jié)構(gòu)研究——基于ASC StEM2技術(shù)測(cè)試片的實(shí)證分析

本文刊發(fā)于《現(xiàn)代電影技術(shù)》2026年第3期

專家點(diǎn)評(píng)

丁友東

教授

上海大學(xué)上海電影學(xué)院黨委書(shū)記、博士生導(dǎo)師，上海電影特效工程技術(shù)研究中心副主任

我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字電影LED放映系統(tǒng)，憑借自發(fā)光、高對(duì)比度、廣色域等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，正成為電影放映技術(shù)發(fā)展的重要方向之一；推動(dòng)HDR電影內(nèi)容的制作、發(fā)行與放映，對(duì)于提升影院視聽(tīng)品質(zhì)、發(fā)揮國(guó)產(chǎn)放映系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)、增強(qiáng)我國(guó)電影產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前及未來(lái)，存量?jī)?nèi)容的SDR轉(zhuǎn)HDR適配及其藝術(shù)意圖保持仍是制約電影產(chǎn)業(yè)規(guī)范化發(fā)展的核心技術(shù)瓶頸。《電影SDR與HDR映射結(jié)構(gòu)研究——基于ASC StEM2技術(shù)測(cè)試片的實(shí)證分析》一文立足于我國(guó)電影產(chǎn)業(yè)HDR放映規(guī)范化與設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的現(xiàn)實(shí)需求，創(chuàng)新性引入EXR作為物理錨點(diǎn)，通過(guò)對(duì)ASC StEM2測(cè)試片畫(huà)面的逐像素統(tǒng)計(jì)，構(gòu)建了包含高動(dòng)態(tài)范圍EXR源數(shù)據(jù)、SDR與HDR發(fā)行母版的“物理-感知”三層對(duì)照體系，量化了影像重制過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)性操作，對(duì)于探尋數(shù)字電影HDR制版規(guī)律、指導(dǎo)逆色調(diào)映射（ITM）算法開(kāi)發(fā)及AI模型先驗(yàn)設(shè)計(jì)具有重要的理論價(jià)值與工程前瞻意義。論文成果打破了以往ITM算法試圖從單一SDR信號(hào)反推物理世界的“盲盒”局限，為相關(guān)AI算法從單純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的“黑盒”擬合走向基于受限復(fù)原機(jī)制的“白盒”規(guī)則提供了扎實(shí)的統(tǒng)計(jì)學(xué)依據(jù)，將為AI算法的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定提供關(guān)鍵支撐，全面助力我國(guó)電影產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

項(xiàng)目信息

中國(guó)電影科學(xué)技術(shù)研究所（中央宣傳部電影技術(shù)質(zhì)量檢測(cè)所）基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目“LED數(shù)字電影放映屏4K/HDR視頻控制技術(shù)研究”（2025‐DKS‐12）。

作者簡(jiǎn)介

張 鑫

碩士，中國(guó)電影科學(xué)技術(shù)研究所（中央宣傳部電影技術(shù)質(zhì)量檢測(cè)所）高級(jí)工程師，主要研究方向：數(shù)字電影技術(shù)。

陳曉藝

碩士，高級(jí)工程師，中國(guó)電影科學(xué)技術(shù)研究所（中央宣傳部電影技術(shù)質(zhì)量檢測(cè)所）傳輸放映技術(shù)研究處處長(zhǎng)，主要研究方向：數(shù)字電影技術(shù)。

摘要

本文以美國(guó)電影攝影師協(xié)會(huì)（ASC）技術(shù)測(cè)試片StEM2為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)全片18,580幀的逐像素統(tǒng)計(jì)，建立高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）圖像格式EXR源數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍（SDR）與高動(dòng)態(tài)范圍發(fā)行母版三層對(duì)照體系，系統(tǒng)分析了三者間的亮度與色彩映射結(jié)構(gòu)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，HDR與SDR母版在亮度維度上呈現(xiàn)高度穩(wěn)定的全局單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，畫(huà)面幾何結(jié)構(gòu)在整體上保持一致，僅在自發(fā)光高光與特定材質(zhì)區(qū)域出現(xiàn)稀疏且結(jié)構(gòu)化的偏離；在色彩維度上，二者整體保持色相穩(wěn)定，飽和度呈現(xiàn)中間調(diào)釋放、兩端收斂的重分配特征。本文進(jìn)一步引入EXR作為物理參考構(gòu)建決策圖譜，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明約82.4%的圖像區(qū)域可通過(guò)對(duì)SDR版本的物理復(fù)原實(shí)現(xiàn)向HDR的有效適配，僅在極端高光與特定材質(zhì)區(qū)域需進(jìn)行有限的語(yǔ)義性調(diào)整，以匹配HDR的動(dòng)態(tài)范圍與色彩特性。研究表明，SDR到HDR的適配過(guò)程可概括為一種“受限復(fù)原”機(jī)制，該機(jī)制及其統(tǒng)計(jì)規(guī)律可為相關(guān)算法開(kāi)發(fā)和人工智能（AI）模型先驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞

數(shù)字電影；高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）；StEM2；受限復(fù)原；逆色調(diào)映射

1

引言

當(dāng)前，我國(guó)電影產(chǎn)業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)與高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵階段。深化電影科技自主創(chuàng)新，完善電影技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，提升國(guó)產(chǎn)電影技術(shù)裝備水平是落實(shí)國(guó)家電影強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的關(guān)鍵舉措。高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）作為提升銀幕視覺(jué)效果的關(guān)鍵技術(shù)，其放映標(biāo)準(zhǔn)已寫(xiě)入我國(guó)電影行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DY/T 8—2023《數(shù)字電影LED影廳技術(shù)要求和測(cè)量方法》[1]，這標(biāo)志著我國(guó)HDR放映正式進(jìn)入規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展階段。

與此同時(shí)，國(guó)際上電影高動(dòng)態(tài)范圍標(biāo)準(zhǔn)不斷演進(jìn)[2]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）將高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）圖像定義為亮度變化范圍顯著拓展、動(dòng)態(tài)范圍顯著優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍（SDR）圖像的影像格式[3,4]。HDR的核心并非單純提升峰值亮度，而是在覆蓋更寬亮度范圍的同時(shí)，確保可見(jiàn)的畫(huà)面細(xì)節(jié)與層次。數(shù)字電影倡導(dǎo)組織（Digital Cinema Initiatives, DCI）最早將影院HDR的峰值亮度設(shè)定為300 cd/m2，這一數(shù)值基于主觀評(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果確定[2]，當(dāng)峰值亮度達(dá)到該水平后，更高的亮度不會(huì)帶來(lái)明顯的主觀評(píng)價(jià)提升[5]。我國(guó)也形成了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家電影行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DY/T 8—2023《數(shù)字電影LED影廳技術(shù)要求和測(cè)量方法》中明確規(guī)定，HDR放映模式的中心點(diǎn)亮度和全屏亮度平均值為（299.6±9.0） cd/m2。視覺(jué)感知研究表明，環(huán)境光條件會(huì)影響人眼的視覺(jué)適應(yīng)，改變?nèi)搜蹖?duì)亮度與對(duì)比度的敏感性，為理解影院暗環(huán)境中HDR感知特性提供了生理學(xué)層面的支持[6]。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，HDR技術(shù)適配不僅需要完成亮度動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展，還需同步實(shí)現(xiàn)色彩的適配管理，二者共同構(gòu)成SDR與HDR間的映射關(guān)系[7]。

隨著LED放映屏等新型顯示終端在國(guó)內(nèi)加速推廣，HDR內(nèi)容的放映硬件基礎(chǔ)日趨完善，針對(duì)LED放映技術(shù)特點(diǎn)的HDR制版流程方案基本形成。與此同時(shí)，大量存量SDR影片面臨向HDR版本適配的現(xiàn)實(shí)需求。現(xiàn)有主流逆色調(diào)映射（Inverse Tone Mapping, ITM）方法通常以畫(huà)質(zhì)增強(qiáng)、重建真實(shí)光照等為目標(biāo)[8]，試圖從單一SDR信號(hào)反推（Inverse）物理世界的亮度分布。然而，此類方法隱含的假設(shè)是，SDR可通過(guò)算法手段進(jìn)行物理反推[9]。電影母版是經(jīng)過(guò)曝光控制、構(gòu)圖選擇、調(diào)色風(fēng)格化及敘事表達(dá)等多重決策形成的產(chǎn)物，影調(diào)與色彩結(jié)構(gòu)在母版階段已經(jīng)被人為固化，其目標(biāo)是服務(wù)敘事結(jié)構(gòu)與視覺(jué)表達(dá)。因此，本文將目標(biāo)設(shè)定為通過(guò)分析真實(shí)影片制作流程中的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，刻畫(huà)SDR與HDR發(fā)行母版之間亮度與色彩結(jié)構(gòu)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)特征。

當(dāng)前相關(guān)研究主要集中在SDR與HDR顯示特性、色調(diào)映射算法及感知質(zhì)量評(píng)估等方面，而結(jié)合真實(shí)電影制作流程，對(duì)SDR與HDR發(fā)行母版之間統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)進(jìn)行系統(tǒng)分析的研究相對(duì)較少，對(duì)于二者是否存在穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系以及統(tǒng)計(jì)特征差異，亦缺乏量化分析與研究。這導(dǎo)致研究者難以提煉普適性映射規(guī)律，構(gòu)建可靠的數(shù)學(xué)模型開(kāi)展有效建模計(jì)算。

美國(guó)電影攝影師協(xié)會(huì)（ASC）的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估素材Ⅱ（Standard Evaluation Material Ⅱ, StEM2）作為新一代數(shù)字影院系統(tǒng)權(quán)威測(cè)試影片，為研究SDR到HDR的映射規(guī)律提供了數(shù)據(jù)條件[10]。該測(cè)試片不僅提供SDR（DCI?P3、Gamma 2.6、48 cd/m2, 12?bit JPEG 2000）與HDR（DCI?P3、PQ、300 cd/m2、12?bit JPEG 2000）的數(shù)字電影發(fā)行包（DCP），可用其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電影發(fā)行母版（DCDM），還提供ACES AP0線性空間下的EXR源數(shù)據(jù)（16?bit Float）；三者同屬一條制作流水線，可構(gòu)造單源多顯示條件的對(duì)照體系，為分析不同版本圖像之間的內(nèi)在結(jié)構(gòu)關(guān)系提供了基礎(chǔ)。

2

數(shù)據(jù)與方法

2.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

ASC StEM2《任務(wù)》（The Mission）是一部圍繞明確系統(tǒng)測(cè)試目標(biāo)、采用反向設(shè)計(jì)思路構(gòu)建的測(cè)試影片。其劇本結(jié)構(gòu)、拍攝方案與后期制作流程均是為測(cè)試數(shù)字影院系統(tǒng)而專門(mén)設(shè)計(jì)，測(cè)試內(nèi)容覆蓋動(dòng)態(tài)范圍邊界、廣色域覆蓋、壓縮編碼魯棒性、運(yùn)動(dòng)偽影控制及虛擬攝制與LED容積屏（Volume）融合后的系統(tǒng)一致性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

影片在內(nèi)容設(shè)計(jì)階段引入多種高對(duì)比度與極端光照條件的測(cè)試場(chǎng)景（圖1）。例如，開(kāi)篇洞穴段落通過(guò)LED虛擬攝制構(gòu)建大面積暗場(chǎng)與高亮點(diǎn)光源的高反差環(huán)境；車內(nèi)駕駛橋段利用強(qiáng)過(guò)曝背景模擬極端光比；特效晶體道具的色彩被推至Rec.2020色域邊界，以測(cè)試廣色域下的飽和度極限；此外還包含快速橫搖鏡頭（用于測(cè)試運(yùn)動(dòng)偽影）及大面積煙霧漸變（用于測(cè)試量化帶狀偽影）。這些設(shè)計(jì)使影片成為HDR系統(tǒng)能力測(cè)試的有效載體。

圖1　ASC StEM2《任務(wù)》基于時(shí)間線的敘事段落及技術(shù)挑戰(zhàn)對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)

在制作流程層面，StEM2采用學(xué)院顏色編碼系統(tǒng)（Academy Color Encoding System, ACES）作為全流程色彩管理框架[11]，其原始拍攝素材及虛擬資產(chǎn)統(tǒng)一歸一至ACES AP0線性空間，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)不同輸出設(shè)備變換（Output Device Transform, ODT）生成SDR與HDR發(fā)行母版。因此，該片的SDR與HDR版本并非兩次獨(dú)立創(chuàng)作，而是同一源素材在不同顯示條件下的兩種表達(dá)形式。這種單源同構(gòu)特性，使其EXR源數(shù)據(jù)、SDR母版與HDR母版三者間的差異主要由顯示目標(biāo)與感知適配策略決定。其中，HDR母版的電光轉(zhuǎn)換采用SMPTE ST 2084感知量化曲線（PQ EOTF）[12]，以實(shí)現(xiàn)與人眼視覺(jué)感知的良好匹配。

2.2 數(shù)據(jù)域的界定

為便于分析，同時(shí)避免不同數(shù)據(jù)屬性的混淆，本文將EXR源數(shù)據(jù)、SDR母版與HDR母版等3種數(shù)據(jù)劃分為兩個(gè)概念不同的域。

（1）物理域。物理域以EXR源數(shù)據(jù)為代表，其數(shù)值與場(chǎng)景輻射強(qiáng)度（Radiation Intensity）呈近似線性關(guān)系，具有極寬的動(dòng)態(tài)范圍與色域覆蓋。該域的數(shù)據(jù)未針對(duì)具體顯示設(shè)備進(jìn)行感知適配處理，也未引入調(diào)色師的風(fēng)格決策，因此更接近于拍攝階段的原始記錄。

（2）感知域。感知域以最終發(fā)行的SDR與HDR版本為代表。這兩種版本在調(diào)色與母版制作階段引入了創(chuàng)作決策，考慮了人類視覺(jué)系統(tǒng)（HVS）的適應(yīng)機(jī)制與目標(biāo)顯示條件，側(cè)重于面向觀眾的最終視覺(jué)呈現(xiàn)。

2.3 分析流程與統(tǒng)計(jì)方法

本研究以逐幀掃描方式對(duì)StEM2正片部分共18,580幀進(jìn)行全量統(tǒng)計(jì)分析，并輔以分場(chǎng)景隨機(jī)抽樣，覆蓋日景、夜景、室內(nèi)、車內(nèi)及特效場(chǎng)景等多種典型拍攝條件。為避免將噪聲和無(wú)關(guān)信息統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，分析過(guò)程剔除了片尾字幕、黑場(chǎng)等非劇情段落。

（1） 對(duì)數(shù)亮度散點(diǎn)分析

通過(guò)在對(duì)數(shù)亮度域繪制SDR與HDR版本圖像對(duì)應(yīng)像素的散點(diǎn)分布，直觀呈現(xiàn)整體映射形態(tài)，揭示二者間亮度關(guān)系。

（2） 單調(diào)回歸（Isotonic Regression）

采用保序回歸方法擬合最優(yōu)單調(diào)非減函數(shù)[13]，驗(yàn)證SDR與HDR間是否存在穩(wěn)定的全局順序保持關(guān)系。其目標(biāo)函數(shù)為：

式（1）中，xi與yi分別表示對(duì)應(yīng)像素的SDR與HDR亮度值。擬合優(yōu)度通過(guò)式（2）決定系數(shù)(R2)進(jìn)行量化。

（3） 結(jié)構(gòu)一致性分析

為比較不同版本幾何結(jié)構(gòu)的相似性，本文在梯度域計(jì)算圖像的皮爾遜相關(guān)系數(shù)（Pearson Correlation Coefficient）ρ。利用索貝爾算子（Sobel Operator）提取梯度幅值，計(jì)算對(duì)應(yīng)像素的相關(guān)性，評(píng)估邊緣與紋理結(jié)構(gòu)的保持程度。

（4） 色彩空間與色差度量

在色彩分析中，本文采用ICtCp感知均勻色彩空間，使用ΔEITP作為像素級(jí)差異度量。該度量在HDR與廣色域條件下具有更好的感知均勻性，適用于不同顯示條件下的對(duì)比。

3

亮度與色彩的結(jié)構(gòu)性統(tǒng)計(jì)關(guān)系

3.1 亮度結(jié)構(gòu)關(guān)系

3.1.1 全局單調(diào)映射特性

圖2給出了StEM2全片像素在絕對(duì)亮度域中的SDR到HDR的映射分布，兩者間有著清晰的單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中，青色曲線表示基于保序回歸估計(jì)得到的全局映射基線，灰色虛線為1∶1恒等映射參考。可以觀察到，HDR版本主要是在高亮區(qū)域擴(kuò)展了亮度上限。在低亮度區(qū)域，由于引入影院最低有效黑電平作為參考基準(zhǔn)，映射關(guān)系呈現(xiàn)出偏移，感知效果是暗部產(chǎn)生更多的層次細(xì)節(jié)。

圖2　SDR與HDR母版在亮度域中的全局映射關(guān)系

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，超過(guò)85%的鏡頭SDR與HDR亮度對(duì)應(yīng)關(guān)系的決定系數(shù)R2大于0.99，平均值約為0.9986。表1給出了按場(chǎng)景分類的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在日間車內(nèi)、夜間室內(nèi)等主要場(chǎng)景中，R2均值達(dá)到0.999以上；在光比最極端的洞穴場(chǎng)景，R2均值仍達(dá)0.996，最低值0.917發(fā)生在畫(huà)面中存在強(qiáng)烈燈光的單幀中。以上特征與ITU?R BT.2100中關(guān)于電光轉(zhuǎn)換函數(shù)（EOTF）感知單調(diào)性原則一致[14]，表明高動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展是建立在對(duì)場(chǎng)景亮度結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格繼承之上，不存在對(duì)原始意圖的破壞性重構(gòu)。

表1　StEM2各場(chǎng)景SDR?HDR亮度映射統(tǒng)計(jì)

本文從影片選取具有代表性的鏡頭作為統(tǒng)計(jì)樣本，樣本總數(shù)為204個(gè)，按場(chǎng)景類型分組，用于分析在不同拍攝條件下SDR與HDR亮度映射和結(jié)構(gòu)特性。表1顯示，SDR與HDR在空間梯度分布及紋理結(jié)構(gòu)上也具有高度一致性，絕大多數(shù)鏡頭的梯度相關(guān)系數(shù)ρ大于0.96，這說(shuō)明HDR制作未引入顯著的幾何結(jié)構(gòu)重排。

如圖3所示，在包含強(qiáng)高光或自發(fā)光元素的場(chǎng)景中，亮度分布在高亮區(qū)間出現(xiàn)顯著延展，像素散點(diǎn)整體偏離1∶1恒等映射曲線；而在低亮度或整體對(duì)比度受控的場(chǎng)景中，亮度分布緊湊集中。

圖3　典型場(chǎng)景的SDR?HDR映射特性

3.1.2 亮度殘差結(jié)構(gòu)

為區(qū)分HDR制作中針對(duì)特定內(nèi)容的局部意圖（偏離），需將這一調(diào)整從全局亮度映射中解耦出來(lái)。為此，本文引入亮度殘差概念，用以描述HDR亮度與全局單調(diào)基線預(yù)測(cè)值間的差異。這種差異反映了在制作HDR時(shí)，針對(duì)特定圖像區(qū)域所實(shí)施的、獨(dú)立于全局策略之外的微調(diào)操作。

（1）殘差能量與結(jié)構(gòu)指標(biāo)

圖4　殘差在能量-結(jié)構(gòu)空間的聚類與物理/語(yǔ)義歸因

本文將亮度殘差投射至“能量-結(jié)構(gòu)”二維特征空間，對(duì)其分布進(jìn)行分析（圖4）。其中，單像素亮度殘差定義為式（4）。

（2）3類典型殘差

Type Ⅰ：自發(fā)光高亮（Self?Luminous Highlights）殘差，主要分布于強(qiáng)自發(fā)光元素區(qū)域，如洞穴場(chǎng)景中的聚光燈、爆炸場(chǎng)景中的火花等。其統(tǒng)計(jì)特征表現(xiàn)為殘差能量顯著增大，且殘差邊緣位置與發(fā)光體輪廓高度重合。為確保主體區(qū)域的整體曝光與可視性，SDR母版往往對(duì)超出顯示能力的高亮信號(hào)進(jìn)行剪切或壓縮。在HDR母版中，則可利用更高的亮度上限，對(duì)原先受限的高亮極值進(jìn)行釋放，從而呈現(xiàn)更完整的高光細(xì)節(jié)。高亮區(qū)域在視覺(jué)注意分配中通常具有更高權(quán)重[15]，HDR制作通常優(yōu)先對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展，因此該區(qū)域會(huì)表現(xiàn)出較顯著的殘差。

Type Ⅱ：材質(zhì)與結(jié)構(gòu)紋理殘差，主要分布于影片中的透明顯示屏、玻璃反射及金屬高光等區(qū)域。其統(tǒng)計(jì)特征表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)較高，而殘差能量處于中等水平。這類殘差可理解為對(duì)材質(zhì)質(zhì)感的增強(qiáng)，在保持整體亮度關(guān)系穩(wěn)定的前提下，對(duì)具有明確結(jié)構(gòu)語(yǔ)義的細(xì)節(jié)區(qū)域進(jìn)行的調(diào)整。此類與結(jié)構(gòu)高度相關(guān)的差異往往承載更多的有效語(yǔ)義信息[16]。

Type Ⅲ：負(fù)對(duì)照區(qū)域殘差，代表了畫(huà)面中能夠通過(guò)全局單調(diào)映射充分解釋的部分。典型表現(xiàn)在測(cè)試片開(kāi)頭的簡(jiǎn)單圖形文字以及片頭字幕畫(huà)面中，盡管畫(huà)面存在黑白反差，但對(duì)應(yīng)區(qū)域的殘差能量與結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)均較低。在缺乏復(fù)雜敘事需求或材質(zhì)表現(xiàn)目標(biāo)的情況下，全局單調(diào)映射已能充分解釋它們之間的亮度關(guān)系，因此無(wú)需引入額外風(fēng)格化補(bǔ)償或噪聲成分。這一現(xiàn)象可作為前述殘差分析的負(fù)對(duì)照，用來(lái)驗(yàn)證補(bǔ)償機(jī)制的觸發(fā)條件。

由表2可知：（1）Type Ⅲ低殘差區(qū)域在像素?cái)?shù)量上占據(jù)約50%的主導(dǎo)地位，其能量占比僅約為0.8%；（2）Type Ⅰ和Type Ⅱ總像素比例約為50%，卻貢獻(xiàn)了超過(guò)99%的殘差能量，其中TypeⅠ自發(fā)光高亮區(qū)域雖僅約占18%像素，但承載了95%的殘差能量；（3）SDR到HDR的差異主要集中在語(yǔ)義顯著區(qū)域（高光與材質(zhì)），殘差分布整體呈現(xiàn)出稀疏而結(jié)構(gòu)化的特征。

表2　StEM2殘差分類統(tǒng)計(jì)

3.2 色彩結(jié)構(gòu)關(guān)系

除亮度之外，SDR與HDR間的差異同樣體現(xiàn)在色彩分布上。但與亮度不同，在相同色域條件下，色彩變化并不直接由顯示系統(tǒng)能力決定，而更多與物體屬性和創(chuàng)作表達(dá)相關(guān)。HDR制作通常盡量保持色相穩(wěn)定[17]。因此，有必要檢驗(yàn)SDR與HDR在色彩結(jié)構(gòu)上是否保持一致，以及其變化是否具有穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)特征。

為避免白點(diǎn)差異影響色度分布，本文在DCI?P3色域條件下對(duì)SDR與HDR數(shù)據(jù)進(jìn)行Bradford色適應(yīng)變換，使二者在同一白點(diǎn)條件下對(duì)齊；隨后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至ICtCp感知均勻空間進(jìn)行分析。本文采用以下4個(gè)指標(biāo)描述SDR與HDR間的色彩差異。

（1）色相穩(wěn)定性：ICtCp空間中色相角差值絕對(duì)值的均值（MeanΔh），其中Δh為SDR與HDR色相之差的圓周差值，反映整體色相偏移水平。

（2）色相異常值：色相角差值絕對(duì)值的95%分位數(shù)，表征極端情況下的色相維持能力。

（3）彩度相關(guān)性：SDR與HDR像素點(diǎn)在彩度（Chroma）間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，旨在評(píng)估色彩濃度的整體結(jié)構(gòu)一致性。

（4）飽和度增強(qiáng)比例：在給定亮度區(qū)間內(nèi)，HDR圖像飽和度高于SDR圖像飽和度（即對(duì)應(yīng)像素間飽和度差ΔS>0）的像素比例，用以量化色彩體積的補(bǔ)償性釋放。

綜合圖表分析，可得到SDR到HDR的色彩映射主要存在以下特征。

（1）色相偏移與穩(wěn)定性

在圖5（a）中，色相偏移主要集中在0值附近，大多數(shù)像素的色相變化幅度較小。表3給出的平均色相偏移為2.38°，P95為6.52°，均低于人眼在復(fù)雜場(chǎng)景中對(duì)色彩記憶的可分辨范圍。由此可見(jiàn)，HDR版在色相層面基本沿用了SDR的色彩關(guān)系，色彩所承載的語(yǔ)義信息保持穩(wěn)定。

（2）飽和度與色彩體積變化

圖5（b）給出了飽和度變化隨亮度變化的分布。結(jié)合表4可見(jiàn)，在20～100 cd/m2的中間調(diào)區(qū)域，飽和度平均變化為+0.003，同時(shí)約66.9%的像素出現(xiàn)飽和度增強(qiáng)。該區(qū)間內(nèi)增強(qiáng)像素比例較高，但平均幅度較小，說(shuō)明HDR在中間調(diào)對(duì)色彩體積進(jìn)行了有限釋放。在暗部區(qū)域（<20 cd/m2），飽和度平均變化為-0.039，僅有30.8%的像素出現(xiàn)增強(qiáng)；同時(shí)，該區(qū)域像素占比達(dá)到85.8%。這表明暗部像素在HDR中以去飽和為主，主要與亮度和對(duì)比度被重新拉開(kāi)后，感知飽和度隨之降低有關(guān)。在高亮區(qū)域（>100 cd/m2），飽和度平均變化為-0.008，飽和度增強(qiáng)比例下降至34.4%。隨著亮度逐漸接近白點(diǎn)，可用色域截面減小，高亮區(qū)域的色度受到限制，飽和度隨之回落。

圖5　ICtCp空間下的SDR與HDR色彩分布對(duì)比

表3　StEM2色彩現(xiàn)象學(xué)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)（ICtCp空間）

表4　StEM2色彩指標(biāo)按亮度分段統(tǒng)計(jì)（ICtCp空間）

3.3 基于物理基準(zhǔn)的行為分類

前述分析揭示了SDR與HDR在亮度與色彩維度上的結(jié)構(gòu)關(guān)系。然而，僅憑兩個(gè)版本母版間的對(duì)比，仍無(wú)法判斷這些差異究竟源于目標(biāo)顯示條件的變化抑或創(chuàng)作性重構(gòu)的結(jié)果。為此，本文進(jìn)一步引入EXR源數(shù)據(jù)作為物理參考，構(gòu)建EXR?SDR?HDR的三層對(duì)照體系，對(duì)HDR母版的制作行為進(jìn)行可解釋分類，通過(guò)構(gòu)建一種行為判別框架，區(qū)分不同區(qū)域中HDR母版相對(duì)于SDR的變化究竟更接近物理復(fù)原（釋放受限表達(dá)的信息）或是語(yǔ)義調(diào)整（引入創(chuàng)作性與感知補(bǔ)償）。

（1）判別指標(biāo)的選擇與度量依據(jù)

不同顯示條件下，亮度變化是不可避免的，其數(shù)值受EOTF形式、峰值亮度上限、黑位重標(biāo)定及視覺(jué)適應(yīng)等因素影響顯著。相比之下，色彩關(guān)系，尤其是色相與局部對(duì)比結(jié)構(gòu)，在電影敘事中具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，更適合作為“創(chuàng)作意圖是否被保持”的代理指標(biāo)。基于這一考慮，本文選擇在ICtCp感知均勻色彩空間中，采用ΔEITP進(jìn)行感知距離度量，作為判定HDR制作行為屬性的依據(jù)。

由于EXR數(shù)據(jù)為場(chǎng)景相關(guān)的相對(duì)輻射記錄，而發(fā)行母版為顯示相關(guān)的絕對(duì)亮度，二者間沒(méi)有現(xiàn)成的亮度比例關(guān)系。為消除這一差異，首先將EXR（ACES AP0）轉(zhuǎn)換至XYZ（D65）空間，并以中灰亮度區(qū)間為錨點(diǎn)，對(duì)EXR的整體曝光水平進(jìn)行增益補(bǔ)償，使其與SDR與HDR的中間調(diào)區(qū)域?qū)R。完成對(duì)齊后，對(duì)每個(gè)像素位置(x)，計(jì)算其在SDR與HDR版本中相對(duì)于EXR參考的感知距離，記為：

式（5）中，ΔE(x)為感知空間中的結(jié)構(gòu)偏離程度，數(shù)值始終為非負(fù)量，用于表達(dá)遠(yuǎn)近關(guān)系。進(jìn)一步構(gòu)建如下決策規(guī)則：若ΔEHDR(x)＜ΔESDR(x)，則判定HDR在該區(qū)域更接近物理參考，記為物理復(fù)原；若ΔEHDR(x)>ΔESDR(x)，則判定HDR在該區(qū)域相較SDR引入了額外偏離，記為語(yǔ)義調(diào)整。為過(guò)濾紋理遮蔽與量化噪聲的影響，本文設(shè)定3JND（ΔEITP≈3）為工程魯棒性閾值，當(dāng)兩者差異低于此閾值時(shí)，視為非顯著微擾，不作明確分類。由此可得像素級(jí)二元分類決策圖譜（Decision Map），用于不同區(qū)域的類型判定。

（2）決策圖譜的統(tǒng)計(jì)分布特征

將上述方法應(yīng)用于StEM2的多個(gè)典型場(chǎng)景，所得決策圖譜在不同光照條件與內(nèi)容類型下呈現(xiàn)出二元分層結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6　不同典型場(chǎng)景下的決策圖譜

由圖6可知，物理復(fù)原區(qū)域（綠色）在整體上占據(jù)主導(dǎo)地位。對(duì)全片91幀進(jìn)行采樣分析，得到物理復(fù)原區(qū)平均比例為82.4%，詳見(jiàn)表5。

表5　StEM2物理復(fù)原與語(yǔ)義調(diào)整比例

相比之下，語(yǔ)義調(diào)整區(qū)域（紅色）主要集中于極端高光（如聚光燈中心）、高飽和發(fā)光體（如霓虹燈管）以及特定材質(zhì)的鏡面反射區(qū)域。上述區(qū)域往往對(duì)應(yīng)顯示約束、亮度剪切或色彩體積壓縮等最為顯著的情況。

（3）分類結(jié)果的物理成因及其對(duì)SDR到HDR映射的含義

前述分類基于感知色差指標(biāo)完成，但其物理成因可結(jié)合亮度結(jié)構(gòu)特征與信噪比條件進(jìn)行解釋。

在物理復(fù)原區(qū)域中，HDR版本在統(tǒng)計(jì)上表現(xiàn)為更接近EXR的亮度與色彩結(jié)構(gòu)。在這些區(qū)域，SDR與EXR間的差異主要體現(xiàn)為動(dòng)態(tài)范圍壓縮。信息在SDR中未表現(xiàn)出顯著的結(jié)構(gòu)性破壞，而主要受到目標(biāo)顯示動(dòng)態(tài)范圍的限制。因此，從SDR到HDR的映射在此類區(qū)域具有物理可逆性。然而，可逆程度受到原始素材信噪比的顯著影響（表6），即在高亮、高信噪比場(chǎng)景中（如沙漠戈壁），HDR和EXR的結(jié)構(gòu)相關(guān)性明顯高于低亮、低信噪比場(chǎng)景（如洞穴）。換言之，由于對(duì)應(yīng)信號(hào)通常被噪聲主導(dǎo)或在母版制作階段發(fā)生了不可逆處理，低信噪比區(qū)域較難恢復(fù)原始物理結(jié)構(gòu)特征。因此，這類區(qū)域應(yīng)采用基于視覺(jué)感知的方法，通過(guò)調(diào)整亮度、對(duì)比度和色彩關(guān)系，在不放大噪聲和改變結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行重建。

表6　StEM2物理基準(zhǔn)（EXR）與發(fā)行母版（SDR/HDR）的結(jié)構(gòu)相關(guān)性

在語(yǔ)義調(diào)整區(qū)域中，殘差主要集中于自發(fā)光高亮、鏡面高光及特定材質(zhì)區(qū)域。這些區(qū)域在SDR中往往經(jīng)歷了嚴(yán)重的亮度剪切、飽和度壓縮或量化失真，導(dǎo)致原始物理結(jié)構(gòu)在SDR中已丟失、不可逆。因此，在這些區(qū)域的變化不可恢復(fù)，但可在保持色相與物體身份穩(wěn)定的前提下，對(duì)亮度與飽和度進(jìn)行有限補(bǔ)償。

4

總結(jié)與展望

本文以ASC StEM2技術(shù)測(cè)試片為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)證與統(tǒng)計(jì)分析，量化對(duì)比了EXR源數(shù)據(jù)、SDR與HDR發(fā)行母版在亮度與色彩維度上的映射關(guān)系。結(jié)果表明，SDR與HDR母版間存在穩(wěn)定的全局單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，其畫(huà)面結(jié)構(gòu)在整體上保持高度一致；而EXR與發(fā)行母版間的差異，表明影調(diào)風(fēng)格主要在母版制作階段被固化。基于EXR構(gòu)建的決策圖譜進(jìn)一步顯示，全片約82.4%的區(qū)域可歸類為物理復(fù)原，僅在自發(fā)光高亮及特定材質(zhì)區(qū)域出現(xiàn)有限的語(yǔ)義調(diào)整。

基于上述實(shí)證結(jié)果，本文將SDR到HDR的適配行為概括為一種受限復(fù)原（Restrained Restoration）機(jī)制，即在保持原有敘事結(jié)構(gòu)與感知語(yǔ)義穩(wěn)定性的前提下，對(duì)受SDR 顯示條件限制的信息進(jìn)行選擇性釋放。具體而言，在亮度維度上，該過(guò)程以全局單調(diào)基線為主，僅在結(jié)構(gòu)與語(yǔ)義顯著區(qū)域引入受控補(bǔ)償；在色彩維度上，色相總體保持穩(wěn)定，而飽和度隨亮度呈現(xiàn)出中間調(diào)增強(qiáng)比例較高、暗部與高亮區(qū)間偏收斂的分配特征，反映了HDR制作中對(duì)色彩體積的重分配規(guī)律。

展望未來(lái)，隨著電影高技術(shù)格式放映的加速普及，深化技術(shù)應(yīng)用、完善標(biāo)準(zhǔn)體系、強(qiáng)化質(zhì)量檢測(cè)以及推進(jìn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化已成為驅(qū)動(dòng)中國(guó)電影產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心抓手，而本文揭示的規(guī)律與機(jī)制，在上述領(lǐng)域均具備研究?jī)r(jià)值與應(yīng)用潛力。在技術(shù)研發(fā)層面，本文的實(shí)證結(jié)果可為人工智能（AI）驅(qū)動(dòng)的[18]SDR到HDR智能轉(zhuǎn)換提供可解釋的先驗(yàn)規(guī)則與量化評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，推動(dòng)算法從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的“黑盒”擬合走向可解釋、可驗(yàn)證的“白盒”研發(fā)模式，為人工智能技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作奠定基礎(chǔ)依據(jù)。在行業(yè)應(yīng)用層面，存量SDR影片與HDR內(nèi)容共存的背景下，本文提出的方法與SMPTE ST 2094系列標(biāo)準(zhǔn)理念兼容，未來(lái)可探索將算法預(yù)測(cè)的增益信息作為輔助元數(shù)據(jù)隨DCP下發(fā)，進(jìn)而形成簡(jiǎn)化內(nèi)容發(fā)行復(fù)雜度的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，降低發(fā)行與運(yùn)營(yíng)成本，助力我國(guó)在LED影廳母版制作、內(nèi)容分發(fā)等環(huán)節(jié)形成自主標(biāo)準(zhǔn)體系。在國(guó)產(chǎn)化放映設(shè)備研發(fā)層面，相關(guān)技術(shù)適配可從制作側(cè)延伸至放映鏈路，形成自主可控的核心技術(shù)能力，在有限計(jì)算資源下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低失真的影像轉(zhuǎn)換，筑牢數(shù)字電影技術(shù)自主可控底座。

綜上所述，本文成果既為電影高技術(shù)格式的技術(shù)研發(fā)提供了實(shí)證先驗(yàn)，也為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、質(zhì)量檢測(cè)體系與國(guó)產(chǎn)化設(shè)備研發(fā)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，對(duì)推動(dòng)電影產(chǎn)業(yè)朝著智能化、規(guī)范化、高質(zhì)量方向發(fā)展具有積極意義。

參考文獻(xiàn)

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期刊導(dǎo)讀 |《現(xiàn)代電影技術(shù)》2026年第3期

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