HDR学习之旅（三）——杜比视界
HDR学习之旅（三）——杜比视界
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杜比视觉是什么?
杜比视觉改变您体验电影、电视节目和游戏的方式，具有令人难以置信的亮度、对比度和色彩，将娱乐带到您眼前。通过充分利用新电影放映技术和新电视显示能力的最大潜力，杜比视觉提供高动态范围(HDR)和宽色域内容。结果是一个精致的，栩栩如生的图像，会让你忘记你在看屏幕。当前的消费者视频传输和影院标准是基于旧技术的局限性，要求在将原始内容复制到回放之前对其进行修改，这极大地减少了现代相机捕捉到的色彩、亮度和对比度范围。杜比视觉改变了这一点，让创意团队相信，图像将在以杜比视觉为特色的电视、个人电脑和移动设备上真实地再现。杜比视觉是杜比Atmos®的自然补充。它为电影、电视和游戏的创作者提供了他们需要的工具，以创造保持创造性意图的体验，并让消费者在不妥协的情况下体验真正的沉浸式内容。对于电视、游戏机、个人电脑和移动设备的制造商来说，杜比视觉开启了他们硬件的全部功能，创造了一种优质的体验，可以增加这些产品的使用和享受。
杜比视觉:植根于人类视觉系统的科学
有三种方法可以提高电影、电视节目、游戏和用户生成内容的图像质量:
•更高的像素:4K, 8K
•更高的帧率(HFR)
•更好的像素(高动态范围和更宽的色域):杜比视觉
4K电视有“更多的像素”，超高清电视的新标准也包括高帧率，但这些标准并不能让每个像素更好地代表我们在现实中看到的全范围亮度。杜比视觉是杜比实验室应对这一挑战的解决方案。
自然世界的色彩和亮度范围比当前的广播、蓝光™和影院系统支持的范围要广得多。例如，在这幅简单的花中，亮度范围从背景的145nit到花瓣黄色部分的14700个nit。(注:nit是用来测量亮度的单位)
目前的电视和蓝光标准将最大亮度限制在100个nits，最小亮度限制在0.117个nits，同时还限制了可显示的颜色范围(或色域)。这些和其他限制现代高清电视标准是阴极射线管(CRT)的遗产。
我们需要多大的动态范围?
杜比成像研究小组用普通观众做了一系列实验来回答这个问题。研究人员测试了观看者对黑电平、漫反射白电平和高光电平的偏好。他们确定，一个可以重现0到10000个零的范围的系统，可以满足90%的观众的要求，让他们选择一个理想的范围。
当前亮度和颜色范围限制的另一个关键问题来自于实际电视如何表示颜色。下图显示了人眼可以看到的颜色、当前高清标准可以表示的颜色以及由Dolby Vision显示的其他颜色。但这并不能代表一切要真正看到，你还必须看亮度的范围，颜色的体积。右边的图表显示了由杜比视觉提供的色量和色量的增加。
电视显示器是一个附加的颜色系统红色、绿色和蓝色，最亮的像素是白色，由每一个原色的全亮度组成。将最大亮度限制在100nits(如电视和蓝光)的问题是，颜色越亮，就越接近白色，因此明亮的颜色不容易饱和。例如，在普通显示器上最亮的饱和蓝色只有7nit，所以蓝色的天空永远不会像它应该的那样明亮和饱和。最大杜比视觉亮度4,000 nits。
为什么使用杜比视界?
电影和电视导演讲故事;游戏设计师创造身临其境、引人入胜的游戏体验。对所有这些创作者来说，真正的挑战之一在于媒体的局限性。在过去的50年里，杜比一直与好莱坞电影公司、电影院和消费设备制造商密切合作，使故事和体验尽可能地引人入胜——首先是降低噪音，然后是5.1环绕和7.1环绕，现在是杜比视觉和杜比Atmos。杜比视觉为导演和配色师(或游戏程序员和灯光和效果设计师)提供了他们需要的工具，以准确地表现充满活力的颜色、明亮的高光和详细的阴影，帮助将观众吸引到场景中。
内容创建者看到的就是观众看到的
当今系统的局限性源于当前电视和蓝光标准的局限性。广播电视或蓝光光盘的最大亮度为100nit。但现代电视的最大亮度通常在300到500个nit之间，因此电视制造商会把内容的亮度调高，以尽量利用显示器的功能。这会使图像失真。由于每个制造商对输出的扩展不同，每个观众将以不同的和不可预测的方式体验电影、电视节目或游戏。
杜比视觉解决了这个问题。内容创建者使用与杜比视觉兼容的参考监控器对其内容进行颜色分级，该监控器具有显著更高的动态范围和更宽的颜色范围，以确保最高的保真度。Dolby Vision图片包含关于用于创建最终版本内容的系统的元数据。由于任何杜比视觉电视都经过制造商和杜比技术人员的仔细校准，我们的技术可以使用这些元数据和更高质量的内容，在每个显示器上生成最佳和最准确的表示。
如何实现杜比视觉?
杜比设计了杜比视觉，使集成到现有的内容创建和分发尽可能容易。
内容创作
杜比视觉工作流程非常类似于现有的色彩分级工作流程。这样做的目的是为了保留相机拍摄到的更多东西，并限制色彩分级和掌握过程中的创造性权衡。杜比视觉HDR参考监视器(能够达到4000 nits亮度)用于决定颜色和亮度。杜比视觉分级过程的目标是捕捉参考等级中的艺术意图。导演、编辑和色彩师应该使用分级系统和显示器，尽可能地制作出最好、最吸引人的图像，充分利用动态范围的显示。参考等级完成后，杜比视觉色彩分级系统将分析并保存动态元数据，这些元数据描述了在显示器上做出的创造性决策。内容映射单元(CMU)将包含元数据的内容以标准亮度(100 nits)映射到参考显示。
在标准动态范围版本获得批准后，colorist将导出带有元数据的图像。为创建SDR级别而生成的动态元数据可用于在显示器上呈现Dolby Vision master，这可能提供广泛的性能范围。—既引用相同的元数据，又引用杜比视觉参考图像，600-nit电视看起来会很棒;一台1200 nit的电视看起来会更好。
游戏创作
大多数现代游戏引擎目前都支持HDR渲染。需要添加对Dolby Vision的支持：
•在脑海中与杜比视觉创建的艺术
•查看杜比视觉内容的参考显示器
•与杜比视觉兼容的游戏引擎
杜比正在与游戏引擎的主要创造者合作，以确保他们的引擎与杜比视觉兼容。
传输/运输
杜比视觉不需要新的编解码器-它可以与行业标准的HEVC和AVC编解码器一起交付。通过预处理，整个杜比视觉信号可以被编码到一个单独的HEVC主干流中，也可以被编码到两个AVC或HEVC层中，具有较低的比特深度和元数据，这使得它非常适合于广泛的电视、个人电脑和移动设备。客户端使用现有的视频解码器，利用数据重建和回放完整的信号。杜比正在与领先的标准组织合作，包括蓝光光盘协会、DVB、MPEG、UltraViolet™/DECE和SCSA，以确保杜比视觉内容能够在这些生态系统中以标准化的方式交付。
我们需要多少位深度?
在确定杜比视觉应该能够表示0到10000个nit之间的亮度之后，杜比的科学家们寻找了一种有效的方式来传输这种高动态范围的视频。在目前的100-nit标准动态范围(SDR)系统中，视频编码的每个组件精度为8位，使用的是伽马曲线。当距离增加100倍时，使用相同的gamma方法将需要14位深。幸运的是，人类的视觉系统对高光区域变化的敏感度要比黑暗区域低得多。因此，杜比开发了一种新的电光传递函数(EOTF)，它可以用12位而不是14位编码整个10,000-nit范围，而不需要引入任何人工制品。这种新的感知量化器(PQ)已被标准化为SMPTE ST-2084，并在各种hdr相关标准和应用中使用。
一些通用的HDR方法使用带有10位而不是12位的PQ EOTF。为什么使用12位而不是10位很重要?人类视觉系统在不同亮度水平下具有不同的敏感度，对大面积几乎一致亮度下的微小变化尤其敏感。下图显示了10位和12位量化的显著性，这取决于亮度。10位量化总是在视觉阈值之上，这意味着平均用户可以看到亮度值每一次变化的显著差异。在自然场景中，场景中的噪声通常可以掩盖这种差异，但如果量化步骤过于粗糙，例如蓝天等区域通常会显示出条带或轮廓。
播放
杜比视觉(Dolby Vision)与各种硬件合作，在各种显示设备上实现卓越的视觉体验，包括具有惊人黑色电平的高端OLED电视，以及具有量子点(quantum dot)、面向大众市场的边灯电视等先进技术的LCD电视，以及未来的个人电脑和移动设备。下表显示了每种设备必须支持的技术组件，以便回放和呈现杜比视觉信号。
解码器和编码器
杜比视觉与广泛的视频解码器兼容。它目前是合格的与HEVC和AVC解码器。杜比视觉信号有多种编码和解码方式——根据内容创建者的需要和目标显示硬件的能力，杜比视觉信号可以使用单个HEVC Main10流或两个AVC-8或HEVC-8或HEVC-10流来传输。使用标准的HEVC解码器对杜比视觉的单层HEVC Main-10轮廓进行解码，然后使用杜比视觉模块进行后处理，产生全范围的12位杜比视觉信号。
对于双层AVC或HEVC杜比视觉配置文件，源流被分割，基和增强流通过单独的解码器输入。Dolby Vision composer负责从基础层、增强层和元数据重新组装全范围信号。
显示管理器
显示管理器针对目标显示设备进行调优:它知道该设备的最大和最小亮度、色域和其他特性。伴随全范围杜比视觉视频信号的元数据携带用于对内容进行分级的原始系统信息和关于信号的任何特殊信息。使用此元数据，display manager智能地转换全范围信号，以在目标设备上产生尽可能好的输出。
Dolby Vision方法与其他HDR解决方案之间的一个主要区别是，在消费者回放设备中，伴随着每一帧视频的元数据一直到显示管理器。具有通用HDR的系统只携带描述用于创建内容的颜色分级监视器的属性的静态元数据，以及关于整个内容的亮度属性(最大和平均亮度)的一些非常基本的信息。Dolby Vision添加了在内容创建过程中产生的动态元数据;每个场景的动态属性被捕获。有了这些信息，杜比视觉显示管理器能够更准确地根据显示的属性调整内容。它可以使色调得到适当的保留，这对显示肤色是至关重要的。即使有了大众市场的边灯电视，色彩的整体印象也能更准确地保留下来。
在杜比视觉元数据的指导下，杜比视觉显示管理器能够在各种显示设备上实现出色的视觉体验，从具有惊人黑色电平的高端OLED电视到具有量子点等先进技术的LCD电视，一直到面向大众市场的边灯电视。技术已经远远超出了目前电视和电影的成像标准。这个端到端解决方案提供了戏剧性的成像，充分表达了最初的创作意图。杜比视觉增强了今天的观看体验，并为电视、电影、游戏和流媒体服务的下一波创新做好了准备。