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关于HDR,你想知道的全在这
来源:Cgangs创动力 | 作者:girftadmin | 发布时间: 2019-03-20 | 446 次浏览 | 分享到:

HDR标准使得数字图像可以再现人眼所见的全部动态范围。我国广电领域在4K HDR播出中采用HLG标准化制作流程。在《中央广播电视总台4K超高清播出格式MXF文件规范(暂行)》中。央视4K超高清播出文件格式定义为:3840×2160/50p,量化10bit,编码封装XAVC.MXF,码率500Mbps,HDR标准HLG/1000nit,色域BT.2020。

近两年来,市场上涌现了不少各具特色的HDR标准。目前的HDR标准有HDR10、Dolby Vision(杜比视界)、HLG,及HDR10+等四个已经出现在市场上的标准。

HDR10

HDR10是由消费者技术协会2015年8月27日宣布的开放标准,不需要支付任何版权费。这个标准要求必须使用宽色域 Rec.2020 色彩空间,10bit 色深,以及 SMPTE ST 2084(PQ)图像传输功能,但它的数据元全部是静态的,简单来说就是每一帧所输出的 HDR 图像效果是一样的。目前所有支持 4K HDR 的设备都必须达到这个标准,例如 LG、三星、夏普、索尼和 Vizio 等电视制造商,微软的 Xbox One 系列游戏主机、索尼的 PlayStation 4 游戏主机以及苹果的 Apple TV 4K 等。当然,4K UHD 蓝光、4K UHD 流媒体都必须支持这个最基础的标准。

HDR10+

HDR10+也称为 HDR10 Plus,于2017年4月20日由三星和亚马逊 Video 共同公布,由于杜比视界 HDR 极高的版权费用,三星等厂商不愿意支付,所以与松下、亚马逊和20世纪福斯创建了 HDR10 + 联盟,以推广HDR10 +标准。HDR10+ 通过添加动态元数据来更新 HDR10,动态元数据可用于在逐个场景或逐帧的基础上更精确地调整 HDR 的亮度级别,和杜比视界 HDR 类似,不过色深依旧是 10bit。

HDR10+ 视频于2017年12月13日开始由亚马逊视频提供,2018年1月5日,华纳兄弟宣布支持 HDR10 + 标准并加入 HDR10+ 联盟。2018年1月6日,松下宣布推出支持 HDR10 + 的 4K UHD 蓝光播放器。

Dolby Vision HDR

杜比视界 HDR 是由杜比实验室提出并定制的 HDR 当前最高级标准,与 HDR10 不同的是,它不是开放的标准,需要使用它必须交付一定的版权费用(据悉是每年每台设备3美元)。

杜比视界要求必须使用宽色域 Rec.2020 色彩空间, SMPTE ST 2084(PQ)图像传输功能,与 HDR10 不同的是,它采用 12bit 色深,并且支持动态数据元结构,杜比视界允许 10000 尼特的最大亮度。

当前支持杜比视界 HDR 的电视包括 LG、索尼、TCL、Visio 等厂商的部分产品,支持输出杜比视界 HDR 显示器以及投影仪暂时还没出现。4K UHD 蓝光机中,支持杜比视界 HDR 的有 LG、索尼、OPPO、飞利浦、松下等厂商的部分产品。

PQ与HLG

perceptual quantization (PQ) 与Hybrid Log-Gamma (HLG) 是目前主流的两种HDR技术规范


PQ HDR定义了HDR10,HDR10 +和Dolby Vision,因为它们都使用相同的目标色彩空间 - Rec2020 Gamut,带有PQ EOTF。因此,对所有人的校准是相同的。基于HLG的HDR是不同的。

混合对数伽玛(HLG)

HLG 是由 BBC 和 NHK 联合开发的 HDR 标准,目标是在最大化现场直播链的图像质量的限制下保持尽可能多的向下兼容性。HLG还被日本ARIB标准机构标准化,用于HDR广播,目前在日本用于4K和8K HDR传输。

它与标准动态范围(SDR)显示兼容,但它需要 10bit 色深。HLG 定义了非线性电光传递函数(EOTF),其中信号值的下半部分使用原本SDR的Gamma曲线,信号值的上半部分对此进行延伸。HLG 标准免费,与 SDR 显示兼容。HLG 由 HDMI 2.0b、HEVC、VP9 和 H.264 / MPEG-4 AVC 提供支持。HLG 主要应用于广播以及部分流媒体,如 BBC iPlayer、DirecTV、Freeview Play 和 YouTube。由于HLG不需要在广播链的每个阶段生成元数据,因此预期它将用于直播应用以及需要向下兼容的情况。

HDR用于家庭观看时经常被忽视的一个问题是,由于HDR电视上显示器的各种亮度(背光和对比度)控制已经达到最大限度,因此无法增加显示器的光输出以克服周围环境房间亮度 - 通常使用日间/夜间观看的不同配置。

所以如果在不太理想的观看环境中(周围房间亮度水平相对较高),HDR图像的大部分将显得非常暗,阴影细节变得很难看到。为了更好的观看基于PQ的“绝对”HDR图像,环境光照水平必须非常严格的控制。为了支持这个说法,被指定为基于PQ的HDR观看需要的平均环境光照水平是5尼特,也就是说,你需要一个黑暗的环境,才能获得更好的HDR观看效果。

与基于PQ的HDR不同,BBC HLG HDR标准不是绝对标准;相反,它是相对的,EOTFGamma曲线始终是全范围,无论给定显示器的实际峰值亮度值如何。另外,HLG标准还包括EOTF修改器,它会根据显示器的环境照明情况改变EOTF。

SDR伽马和HLG曲线

如果显示器的峰值亮度低于约1000尼特,HLG也有其自身的问题。因为HDR图像的平均图像电平将比等效的SDR图像看起来更暗。这是由于标称漫射白点低于SDR电视机的实际峰值亮度为200到250尼特,这对于家庭观看环境来说是正常的。

所有上述BBC HLG曲线都基于10尼特的低环境照度得出的。

正是这种“环境”值对于家庭电视使用尤其重要,因为除了使用显示器的峰值亮度值来计算EOTF之外,BBC的HLG标准还使用显示器的环境照明来改变系统Gamma,如下所示适用于1000 Nit显示屏。

由于HLG格式不依赖于元数据,因此在不同显示器上可能存在更好的图像一致性。

此外,使用显示器的环境照明来改变系统Gamma,尝试调整显示器校准以适应不同的观看环境。第一次尝试在不同的观看环境中提供“观看一致性”。

HLG HDR标准可以按照与传统SDR电视完全相同的方式进行缩放,此外,还包括基于亮度的系统Gamma变量,特别针对环境照明问题。

感知量化(PQ)

PQ感知量化(ST2084),由杜比开创的HDR光电转换方式,被应用于Dolby Vision(世界上第一个HDR标准),而Dolby Vision也是后来被广泛使用的HDR10标准的前身(HDR10是Dolby Vision的简化版)。

PQ是支持最大参考显示亮度10000nits的显示器参考系统。亮度超过10,000nits的变化不能通过人眼容易且一致地辨别,并且在实践中,在母盘制作过程中使用低得多的亮度参考显示器(约4000nits)。

因此,PQ需要在生产链的每个阶段使用元数据来指示在母版制作过程中使用的最大亮度和色彩空间。元数据由后期制作过程中的颜色分级器生成,并在SMPTE ST.2086中针对PQ EOTF定义。

目前,仅为广播PQ应用定义固定/默认或不定义元数据。但是,PQ / ST.2084 EOTF可以与静态元数据一起使用,作为HDR10标准的一部分,并将动态元数据作为HDR蓝光上使用的杜比视界家庭标准的一部分。

高动态范围在我国的标准化

我国的高动态范围系统广电行业标准制定工作始于2016年初,在原有 AVS 技术应用联合推进工作组框架内成立了 HDR 专题工作小组,标准起草工作主要由中央电视台、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、北京大学、工信部电子三所、AVS产业联盟等单位联合完成。

根据我国广播电视行业的应用需求,标准主要适用于UHDTV(4K)广播电视信号面向大尺寸家庭显示终端的应用,不包括手机、平板等小尺寸移动显示终端。HDR 技术需求涉及采集、制作、播出、分发、接收、显示等广播电视信号制作传输和处理的各个相关环节。应用领域包括有线电视、直播卫星、地面广播、IPTV 和 OTT。 不考虑蓝光介质存储的应用。

央视4K试播节目依据总局最新颁布的超高清技术标准(GY/T315-2018《高动态范围电视节目制作和交换图像参数值》),采用3840×2160分辨率、50P帧率、10bit位深,4K超高清频道采用AVS2视频编码,输出码率约25Mbps,大幅优于当前电信IPTV4K视觉质量。

高动态范围的国标准化现状

ITU、MPEG、SMPTE、DVB、 ATSC、CEA、HDM等标准组织均开展了高动态范围电视系统的标准化作,涉及高动态范围节目的制作和交换、节目传送、终端显示等各个环节的关键技术标准。国际电信联IT U及电影电视工程师协会 SMPTE 这两个组织的相关标准已被广泛认可和引用。

由于HDR高动态范围技术的不断发展,针对HDR的BT.2100标准也在不断完善,最新版本为2018年7月

其中国际电联ITU-R BT.2100标准,其中包含了一些针对未来广播系统的建议。这包括两个不同的高动态范围系统,一个参考显示是(BBC / NHK的HLG)和另一个参考显示(杜比视觉的PQ)。两种系统都需要使用Gamma曲线,以便补偿人眼对亮度感知的非线性特性。