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进入HDR传输新时代 ——HDR分发方式初探

2016-08-05 吉姆·德菲利皮斯 传播与制作


  高动态范围(HDR)视频可通过各种渠道(如蓝光、OTT、无线广播、卫星和有线)分发。每种分发模式都各有视频内容传输的挑战和选择。

  传输HDR一个公共要素是HEVC(高效率视频编码)。此来自MPEG的最新视频编解码标准不仅能够编码4K视频,而且为消费显示屏提供全10比特的分辨率。HEVC还支持BT.2020定义的广色域。不过,HEVC依然依赖于BT.1886定义的非恒定亮度差(YCrCb)。HEVC能够以各种方式(SEI和VUI元数据)用信号发送HDR元数据,帮助HDR显示屏恰当处理HDR影像。虽然MPEG-4 AVC的确具有支持10比特编码的模式,但它没有用于消费产品领域,因此将HDR消费级分发限制于8比特。

  以下为HDR分发的不同方式(按它们被采用和/或提出时间排序)。

进入HDR传输新时代 ——HDR分发方式初探

蓝光

  为4K(UHDTV)修订的蓝光规范包括HDR和广色域(BT 2020)。此规范(HDR10)归纳如下:

  — HEVC主级编码

  — 10比特

  — (PQ)EOTF(电光转换函数)(HDR)

  — BT.2020彩色空间(广色域)

  — 4:2:0亚采样(YCrCb)

  这种4K/HDR格式也被一些OTT分发平台采用,如Netflix和亚马逊。HDR10是较简单的HDR分发方式之一,但确实要求静态元数据(MaxFLL和MaxCALL)向显示设备通知平均亮度及峰值亮度值。HDR10对非HDR显示器不向后兼容,但某些蓝光播放机若检测到显示器不是HDR兼容,可能提供SDR转换。对OTT服务,根据显示器的类型,适当的格式以数据流的方式发送到显示器。

HDR实时线性广播

  虽然HDR10对光媒体和内容互联网分发有效,但对广播频道来说,在直播方面HDR10有某些缺点: 

  — 要求静态HDR元数据

  — 要求“双层”方案(HDR和SDR同播)

  来自三星、夏普和高通的一个联合提案支持ATSC 3.0采用HDR10。下面是ATSC 3.0 S34-1技术标准组正在考虑的其它提案:

  BBC和NHK提出的混合对数伽玛(HLG)

  HLG采用双曲线方式,在暗区采用伽玛,对数函数用于亮区。通过优化HLG关系的系数,可无元数据或其它处理提供HDR和SDR色调映。

  不过,实践表明,为保护SDR信号,此优化导致在HLG HDR信号总动态范围方面有一些限制。此外,尽管无确定的元数据,但必须有一个假定的参考峰值白电平,因此显示的图像色调范围可匹配图像,如同被视频操作员“调色”。

  最后,BT.2020和BT.709(HDTV色域)之间的彩色空间转换也是挑战。

  HLG被记录在ARIB标准B67中,并将包含在ITU BT.1886一个更新内。

Dolby Vision

  杜比的提案建立在使用PQ EQTF曲线以及具有一组称为ITP的新色差关系。ITP与现有的YCrCb彩色空间相比,有三个分量:I(亮度,与Y’类似);CP(红绿维度,类似于C’r);CT(黄蓝维度,类似于C’b)。基本的彩色空间基于人类视觉长—中—短视锥彩色反应。杜比将此格式总结为ITP-PQ。ITP的主要优点是最大限度减小使用传统的Y’Cr’Cb’不恒定亮度方案出现的色度/亮度串扰的等亮度特性以及“线性化”色度与饱和度的关系。

  在编码过程中,基于ST 2084 PQ的HDR视频(连同静态的ST 2086元数据)被转换为ITP-PQ空间且被二次取样为4:2:0。为提高压缩效率,自适应整形在HEVC编码器之前施加。特定的杜比元数据与转换的HDR信号混合,并作为HEVC编码的一部分被发送(SEI信息)。

  在解码时,信号通过色调映射被处理,然后转换为全4:4:4彩色。此重构的10比特/4:4:4 HDR/BT.2020信号被从10比特转换为12比特,然后使用逆向ITP矩阵输出HDR RGB。

  为提供全域HDR信号色调映射到有约束的HDR性能的显示器或SDR显示器,可创建更多的元数据(ST 2094)用于专业或消费转换。

特艺/飞利浦提出的Prime Single

  Prime Single为使用动态元数据,将HDR信号转换为SDR信号的单层方案,它提供色调重映射以及色域校正。Prime Signal支持PQ、HLG、Log或SDR输入视频信号。在编码端,Prime Signal接受解码的SDR,而通过色调映射和CRI颜色校正元数据,能够提供HDR输出信号(PQ或HLG)以及原生SDR(无需任何进一步处理或元数据)。

  此方案提供向后兼容的SDR输出,这由预处理的编码过程所决定。色调映射和CRI元数据被用于从SDR重建HDR信号。Prme Signal元数据作为SEI信息在HEVC数据流内载运,具有逐帧更新的能力。

爱立信提案

  爱立信提出了一个对HDR10 HDR信号进行预处理的方案,减少HEVC处理中4:2:0二次取样导致的误差。基本上此预处理计算由于RGB/ YCrCb转换导致的误差,量化到10比特和降低取样到4:2:0,然后补偿亮度取样,以便最大限度减少解码/重建端上的误差。

  此外,为减少色调误差,还有一个HEVC QP Chroma补偿值的优化。

  不支持转换到SDR或BT.709彩色空间。

高通提案

  为产生一组动态范围调整参数以便最大限度减少HEVC(4:2:0 YCrCb)编码中的误差,对输入HDR信号(HDR 10)进行预处理分析。这些参数在HEVC码流内部的专用SEI信息内传载。与爱立信的提案类似,不支持转换到SDR/BT.709彩色空间。

总结

  尽管HDR提案之间有共性,但使全HDR型号适应HEVC的限制以及提供适应多种显示屏和制作格式的解决方案有不同的方式。

HDR

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