（Single-Layer HDR Video Coding with SDR Backward Compatibility）论文学习

HDR端到端系统的示例

图1显示了一个端对端的工作流程，首先获取HDR视频以及相关的内容元数据，再分发阶段，将传入的HDR信号分解为SDR信号以及与内容相关的动态元数据，通过编码器（HEVC高效视频编码）进行解码,然后通过现有的SDR分发网络中进行传输（包含特定通道上传送或者是嵌入SDR信号的动态元数据），后处理阶段在功能上与预处理阶段相反，采用相同的编码器进行解码，可以生产SDR视频，在SDR显示器上进行显示，也可以将SDR视频和动态元数据作为输入，进行重建，生产HDR视频，在HDR显示器上进行显示。

HDR系统架构概述

图二图更详细的描述了HDR分解和重建过程，第一个红色虚线框是HDR的分解步骤，首先将输入的HDR内容线性化，然后分解阶段的核心的HDR到SDR的转换，该转换从线性HDR信号生成SDR视频，当输入HDR和输出SDR信号要以不同颜色空间进行表示时，可以在HDR到SDR转换之前或者之后使用色调映射。然后解码端执行相反的操作，特别时SDR到HDR重建步骤，该步骤输入有解码器提供的SDR视频，并将其转换为适合HDR显示能力的HDR视频。第一个灰色框是格式能够适应HDR系统的输入视频信号，第二个灰色框是格式适应HDR系统的目标系统。

HDR - SDR分解过程

HDR到SDR的分解过程目的是将输入的线性RGB4：4：4HDR信号转换为兼容SDRYcrcb4：2：0的版本，基于HDR内容分析（一组图片），得出一组映射参数，，然后这些映射参数将进一步用于HDR信号转换为SDR（步骤1），一旦的得出这些映射参数，就获得了亮度映射函数（TM）。步骤2，使用亮度映射函数（TM）将来自HDR信号的亮度L映射到SDR亮度信号。然后导出色度分量（步骤三），为了使SDR颜色与输入的HDR信号颜色进行匹配，进行步骤4颜色校正，最后进行4:4:0的色度采样，输入SDR信号。

Luminance mapping

亮度映射的目的是使得亮度映射函数TM将从HDR线性RGB信号转换为SDR亮度信号。

A是将RGB转换为Ycrcb的一个转换矩阵。???? = [????1,????2,A3],????,????,???? being 1x3 matrices

映射函数TM构建基于感知传递函数，并使用一组有限的控制参数，这些参数必须进一步传递到后处理，以便能够逆转亮度映射过程。利用图4左图所示的感知传递函数，首先将输入的线性亮度光信号L在显示亮度峰值的基础上转换为感知均匀域。为了更好的控制黑白电平，应用了一个在内容相关的黑白电平之间扩展的信号，然后使用由三部分组成的分段曲线对信号进行映射，如图5下部和上部是线性的，中间提供了一个平滑的曲线，可以使用分段线性校正函数对曲线进一步调整，然后根据目标SDR显示最大亮度100尼特，将信号转换为光域，如图4右所。结果信号是 SDR亮度。

Chroma components derivation

色度分量的推到公式，首先对输入的HDR线性信号，R、G、B应用一个平方根，以重现一个接近BT709色域的传递函数（使用平方根保证了过程的可逆性），然后将得到的平方根RGB值按根号L进行缩放，从而得到输入RGB信号的SDR信号。

Color correction

为使得SDR颜色与HDR信号颜色匹配，需要进行颜色校正，首先通过比例因子1/????????, 来调整色度分量????是一个可以控制饱和度和色相的一个函数，通过三基色和白点来构造的。然后调整亮度分量，进一步控制感知的饱和度。a，b是两个控制参数，该亮度调节有助于恢复在以不同亮度水平渲染特定颜色出现的色觉差异。

HDR 重构过程

HDR的重建过程如图6所示，从输入的动态元数据中获取亮度相关的查找表LutMap Y以及色彩校正查找表LutCC，下一步将输入SDR图像以及派生的亮度相关的查找表和和颜色校正查找表进行SDR到HDR重构，这个过程输出一个线性HDR图像。

后处理的颜色校正lutCC实际上与预处理色彩校正附近地区????和亮度映射lutCCY和色调映射lutMapY，满足等式6，其中B是亮度信号位深，证明逆映射满足一个线性的关系。公式7、公式8对于SDR图像的每个样本Y、U (Cb分量)、V (Cr分量)进行求解，HDR重构过程依次执行以下步骤。

Clamp函数如果参数位于最小数值和最大数值之间的数值范围内，则该函数将返回参数值。
如果参数大于范围，该函数将返回最大数值。
如果参数小于范围，该函数将返回最小数值。

公式9，HDR线性光R、G、B值的重构首先需要计算一个参数T，其中K0，K1，K2是取决于RGB至YUV的转换矩阵A的系数预定义参数。公式10 和11是公式3的一个逆过程。获得显示的RGB值。

实验结果：

HLC和SL-HDR1是唯一兼容SDR版本的HDR显示技术，左图是HLG，右图是SL-HDR1