HDR学习之旅（五）—飞利浦HDR技术（2015）
HDR学习之旅（五）—飞利浦HDR技术
目录
1. 介绍
当前的视频格式仍基于CRT监视器的显示功能。他们无法捕获专业相机可以录制的内容，高端电视可以显示的内容以及人眼可以看到的内容的细节。自2003年以来，飞利浦一直致力于高亮度和高动态范围（HDR）电视的研究。最初，我们的研究重点是显示器，从而制造出峰值亮度为3000 cd / m2且具有高对比度和使用局部调光的RGB LED背光实现宽色域。在2009年IFA柏林飞利浦展位的私密区域中，向特定客户展示了此显示器，并获得了好评。即使从远处看，与普通电视的区别也很明显。通过正确的内容，HDR可以提供真正的身临其境的体验。从那时起，我们将研究范围扩展到整个HDR电视链，着重于使用单层10位视频流实现高质量HDR，同时确保较低的解码器实施成本。
2. 概念
新的HDR视频标准必须解决各种显示问题：从高端电视到主流电视，还有平板电脑和手机。 理想情况下，所有这些不同的显示器都接收已针对其自身特定功能进行分级的视频信号。 实际上，对于多种显示器的最佳结果只能从两个参考等级中得出：高级HDR等级和常规SDR等级。 这两个等级是相关的。 事实证明，可以使用一组转换参数来捕获差异。 通过将这组参数添加到视频流，可以将HDR等级和SDR等级都编码在单个视频比特流中，而转换参数的额外比特率却可以忽略不计。使用“智能插值”，现在可以将接收到的视频信号音调映射到显示器的特定功能，不仅包括传统SDR的高级HDR，还包括两者之间的任何内容。
HDR视频传输系统的功能框图如下图所示。
该过程从HDR视频主机开始。 必须在具有高峰值亮度和低黑电平的高动态范围显示器上对该HDR主图像进行分级。 在现场制作的情况下，应使用此类显示来监视HDR视频主机。 HDR视频主机已编码。 通常，将使用HEVC视频编码器，SMPTE ST 2084作为EOTF。SDR视频主设备以半自动方式从HDR主设备派生。 首先，提出了初始色调映射。 这可以基于平均色调映射曲线，或者可以通过对输入图像的自动分析来创建。 然后，调色师对该初始图像添加校正，以优化SDR母版。 通常，这是在每个场景的基础上完成的，但是如果需要，可以在逐帧的基础上完成。 这种“艺术指导”过程通常是通过修剪来完成的。
调色师的校正被捕获在转换参数中，转换参数使用嵌入在视频流中的SEI消息作为与内容相关的元数据与编码的HDR视频一起传输。 内容相关的元数据在SMPTE标准ST 2094-20中定义。 用于分级或监视的显示器特性（例如峰值亮度和黑电平）已作为SMPTE ST 2086元数据添加到视频流中。
在接收端，视频流被解码，生成HDR视频。 从SEI消息中提取转换参数。 如果需要SDR输出信号，则在解码器中重复与编码器一侧的调色师所设置的动态范围转换过程完全相同的操作，从而产生一个SDR信号，除视频编解码引入的伪像外，等于 编码器侧的SDR主设备。 如果连接了HDR显示器，则转换参数将用于产生针对显示器的特定显示功能优化的HDR输出信号。 万一解码器内置在STB或BD播放器中，可以使用HDMI 2.0a协议将显示功能中的信息发送到HDR解码器。转换参数和HDR处理与所应用的视频编解码器或格式无关。 它们可以与4K视频或FHD视频一起使用。
3、SDR兼容模式
对于需要SDR兼容传输信号的应用程序，可以使用一种兼容模式，在这种模式中，不是HDR主模式，而是SDR主视频(HEVC)编码并随转换参数一起传输。功能框图如下图所示。
解码器接收可以直接转到SDR显示器的SDR信号。 “支持HDR的”解码器从视频流中检索转换参数。 现在，逆动态范围转换必须应用于视频以获得HDR视频。在这种兼容模式下，转换需要是可逆的。 这给HDR到SDR的转换带来了一些限制，例如 不允许硬剪切。 在最近的MPEG测试中，表明使用这种兼容SDR的操作模式的Philips HDR系统实际上提供了比直接编码HDR视频更好的视频质量。测试结果在此报告中为匿名； 测试的不同系统仅用标识符表示。 飞利浦兼容SDR的HDR系统标记为P22。 请注意，只有一个系统接近飞利浦HDR，但该系统不兼容SDR。 所有系统都针对锚点进行了测试，这些锚点对应于使用ST 2084 EOTF进行的HDR视频的直接编码。
4.非实时工作流程中的艺术指导
在非实时工作流程中，在调色师的控制下，以修整方式从HDR主视频开始创建SDR主视频。 调色师可以将HDR应用于由三个参数定义的SDR色调映射曲线。 为了进行进一步的微调，可以对色调映射曲线进行分段线性调整，还可以进行亮度相关的饱和度控制。 对于上述全局调整不足的情况，可以使用本地处理窗口。 通常，每个场景创建一组参数。 飞利浦开发了一个OpenFX插件，可以与所有主要的分级套件一起使用。 在DaVinci Resolve中使用时，请参见下面该工具的GUI示例。
5.实时工作流程中的艺术指导
在实时工作流中，如在直播中使用的那样，通常只动态调整一个（阴影增益控制）或两个（加上高光增益控制）参数。 对于所有其他参数，将使用默认值。如果根本无法使用元数据，则解码器将对一般广播素材进行典型的SDR到HDR转换。 当元数据的使用较少出现问题时，HDR系统仍将运行良好，同时在非实时编程过程中提供最佳的SDR和HDR视频质量。
6. 标准化现状
BDA：飞利浦HDR是用于UltraHD蓝光的HDR技术之一。
SMPTE：飞利浦动态元数据集被标准化为ST 2094-20。
HDMI / CEA：HDMI 2.0a涵盖HDR EOTF信令和静态元数据。 HDMI的未来版本有望涵盖动态元数据。
MPEG：飞利浦HDR技术（兼容SDR的模式）已提交给“证据征集”：我们获得的HDR结果要比锚点（锚点与BD基本层相对应）要好，比其他任何与SDR兼容的提交都更好，甚至可以相提并论。 最好的非SDR兼容提交。
7. 价值链
8、峰值亮度
HDR信号格式需要同时支持高峰值亮度和低黑电平。 飞利浦执行了一些测试，以评估白天在电视观看环境中高峰值亮度高动态范围（HDR）与标准动态范围（SDR）图像的视觉偏好。 在此测试中，我们使用了20位非专业观众。 该测试是在两种不同级别的环境亮度下进行的：
- 300 cd / m2，对应于阴天时的室内亮度水平；
- 750 cd / m2，对应于阴天时的室内亮度水平。
HDR信号的峰值亮度为5000 cd / m2，SDR的峰值亮度为400 cd / m2。 下图显示了5个测试序列的平均值和95％置信区间，以及总体平均值和置信区间。
与SDR视频相比，这两种测试均显示出对HDR视频的明显偏好。在同一测试中，我们向观众询问了他们对峰值亮度水平的偏好。 大多数观看者都希望最大峰值亮度约为或略低于5 000 cd / m2。
9、未来EOTF
当前视频格式的电光传递函数（EOTF）是众所周知的伽玛曲线。它基于CRT的物理特性，但事实证明对SDR信号效果很好。对于HDR信号的传输，这样的伽马曲线是不合适的：在整个亮度范围内为信号提供足够的精度所需的位深度会过高。为了最有效地使用可用的比特深度，或者换句话说，以最小化HDR电视系统所需的比特深度，应该应用适当设计的EOTF。飞利浦已经对显示EOTF进行了广泛的研究，目的是最大程度地减少量化或压缩误差的可见度，并且我们发现（并证明）对于正确设计的HDR电视系统，在实际观看情况下，对于人类观察者来说，这种量化和压缩误差可能不可见。条件。飞利浦针对高动态范围显示器提出以下参考EOTF：
其中????是以cd / m2为单位的亮度，????是归一化到0..1范围的电气值，????????是以cd / m2为单位的参考显示器的峰值亮度值。 对于5000 cd / m2峰值亮度系统，常数的建议值为：
对于10000 cd / m2峰值亮度系统，建议的常数值为：
该EOTF在低亮度水平下的行为类似于伽玛曲线，在高亮度水平下逐渐变为指数曲线。
我们已经优化了EOTF参数，以使用从极暗（夜景）到非常亮（日景）的各种图像显示在经过校准的具有高亮度的高动态范围显示器上，从而最大程度地减少了量化误差的可见度。 5 000 cd / m2。 下图以图形形式显示了EOTF。
10、相应的OETF
当前的电视系统具有端到端（光学到光学）非线性传输特性。这种传输特性为典型的昏暗环绕电视观看环境提供了正确的渲染意图。飞利浦已经研究了具有高峰值亮度显示器（特别是在飞利浦的实验中使用的峰值亮度为5000 cd / m2的显示器）的未来高动态范围电视系统的端到端电视系统传输特性，并且发现当前的端到端传输特性也适用于这些将来的系统。对于该观察的解释是，传输特性由电视观看环境决定，对于高动态范围电视，其传输特性将与当前电视相同。
当前电视系统的端到端传输特性由建议的OETF（ITU-R BT.709建议书和ITU-R BT.2020建议书）和EOTF（ITU-R BT建议书）的串联确定。 1886年）。飞利浦还提出了一个光电传递函数（OETF），该函数适合于拟议的EOTF，并完全保留了当前的渲染意图。拟议的OETF由以下方式给出：
其中E是由参考白电平归一化的电压，该电压与将由参考摄像机彩色通道R，G，B检测到的隐式光强度成比例； E'是产生的非线性信号，并且：
11、未来的色彩表现
飞利浦HDR可使用标准YCbCr颜色表示。 这样就可以重用现有的专业设备，IP块，甚至最重要的是知识。 对于兼容SDR的系统，YCbCr当然是唯一的选择。飞利浦正在研究中，但也正在研究未来的技术，即使这些技术在短期内不会进入市场也是如此。 飞利浦开发了Yuv颜色表示法，以优化HDR编码信号的质量和带宽。 Yuv具有以下主要优点：
- 它是感知上均匀的色彩空间
- 具有真正恒定的亮度
- 就所需位深度而言，可以低成本支持宽色域
- 10位Y” u” v等效于12位XYZ或YDzDx
- u ，v分量可以进行线性量化颜色子采样行为比YCbCr更好
12、结论
飞利浦HDR提供
- 单层视频解码
- 10位视频中出色的HDR质量
- 非常低的附加比特率要求（保持标准带宽）
- 成本优化的HDR处理（优化的硬件成本）