2017 HDR技术动态

2017年是HDR发展突飞猛进的一年,这一年里,HDR不仅仅在技术层面取得了巨大的进步,在消费市场也取得了极大的成功,在其他相关领域中也得到了广泛的应用。

在消费市场上,具备HDR功能的电视无疑已经成为当下的热点,几乎每个主要的电视生产商都推出了数款HDR电视,并且覆盖了多个价位以供消费者选择。事实上,因为HDR技术的不断成熟以及用户对高品质图像显示设备的需求,现在已经很难找到不兼容HDR模式的4K电视了。

随着HDR电视在不断普及,性能评价标准也变得多样了起来,但主要的评价目标仍然是色彩容量。色彩容量是指显示设备能够产生的颜色和亮度的3D范围。而传统的色度图表示的是显示设备可以产生的2D色域。将2D的色域与第三个维度亮度(以坎德拉每平方米测量,或简称为“尼特”)结合,就形成了完整的色彩容量描述。今年的一部分消费电视只能产生峰值在几百尼特数量级的亮度,而另外一些性能较好的则能产生高达2000尼特的峰值亮度。在色彩方面,许多电视厂商的长期目标是能够百分百地复制ITU-R Recommendation BT.709中的色彩。短期内,大多电视厂商的目标是实现DCI-P3色域,而有些研究的更加深入厂商则已经开始在ITU-R BT.2000(这种色域涵盖了天然世界中几乎所有的颜色。)色域上实现越来越多的颜色了。

图1 SDR&BT.709 vs HDR&BT.2020

市场上的电视产品的显示性能越来越强,因此,更好的动态色度映射方法就显得尤为重要。如果动态映射做得好,它就可以在显示时,既保留设计者的预期外观,又充分发挥当前显示设备的性能。这里还要额外提到的是动态元数据,当提供给映射系统动态元数据时,映射系统才能发挥出的显示设备的全部性能。而动态元数据可以即时产生,也能由设计者在创建内容时产生。因此,动态元数据是HDR技术中一个重要组成部分。预计到这一情况,SMPTE一直在致力于元数据的结构标准化,并通过这种标准化来规范动态元数据的类型以及将这些元数据集成到行业标准接口和文件格式中的方法。下面将简要介绍一下SMPTE TC-10E完成并发布的一套包含六种动态元数据的标准ST 2094:

ST2094中描述了四种相互独立的元数据系统(-10, -20, -30与-40)以及两项四种系统共享的组件:核心组件(1)与打包方法(2)。同时,SMPTE TC-35PM已经开始着手设计用于IMF(Interoperable Master Format)的色彩容量转换插件;SMPTE TC-32NF也在继续研究如何在SDI(Serial Digital Interface)上携带HDR信号的元数据。

自去年七月发布以来,ITU-R BT.2100“Image Parameter Values for High Dynamic Range Television for use in Production and International Programme Exchange”就成为了学界热议的话题,并且被很多人实验与审查。而很多内容设计者也已经开始使用在BT.2100上运行的工具与系统了。在今年BT.2100的修订过程中,部分内容被修改,其中大多数修改仅仅是编辑性质的。但是,有些修改也值得我们注意,其中比较重要的一项是全范围信号编码的定义被修改了。这样的修改,使得全范围信号编码的定义与SMPTE ST 2084,International Telecommunication Union-Telecommunication(ITU-T)SG-16以及Moving Picture Experts Group(MPEG)文档中的方法一致。同时,在这次修改中,感知量化器(PQ)和混合对数伽马信号(HLG)之间的映射的描述在ITU-R BT.2390的伴随报告中也从BT.2100中删除。

在这份伴随报告中,BT.2390“High Dynamic Range Television for Production and International Programme Exchange“也得到了修改与更新。在这次修改中,除了一些编辑上的修改之外,还添加了一个新的部分以对一些问题进行更加清晰的阐述,例如向下兼容标准动态范围(SDR)的问题。此外,描述PQ与HLG之间相互转换的部分也被拓展与改进。

在其他领域上,HDR技术也得到了多方面的利用,并且正在逐渐形成规范。为了协助广播业以及其他内容制作者,ITU-R现在已经将工作的重心逐渐转向制作HDR生产规范文档以及用于HDR设备上的HDR测试图像。在过去一年中,很多组织在PQ与HLG上试验了HDR文件的实时生产。在日本, SKY公司的PerfecTV!已经能在卫星帮助下实时地在HLG上实现HDR转换了。

广播组织已经注意到SMPTE和ITU-R在HDR领域所做的广泛工作以及诸多成就,并且正在积极地将这些成果加入他们的标准当中。ATSC(The Advanced Television System Committee)已经通过了A/341视频高效率编码标准。这套标准中包含了在10位和窄范围下的PQ和HLG传输功能,BT.2020/BT.2100推荐的颜色空间以及三种静态元数据:ST 2086静态元数据,MaxCLL(Maximum Content Light Level)以及MaxFALL。MaxFALL表示程序中平均帧亮度的最大值。MaxCLL是程序中最亮的像素的值。此外,另外三套标准已经被批准为用于修改A/341标准的候选标准,这样它们就可以像PQ一样被设计者们规范地使用,它们分别是:ST 2094-10 SEI message,全范围信号编码(full-range signal encoding)以及ICtCp color representation。同样,数字视频广播(DVB)已经通过欧洲电信标准协会(ETSI)发布了他们的第一个HDR标准TS 101 154版本2.3.1,它还支持10位,窄范围,PQ或HLG信号,以及ST 2086 和MaxFALL和MaxCLL SEI消息,但尚未包括动态元数据。日本的无线电工业和商业协会也一直在制定自己的HDR规范,其中支持BT.2100的两项标准。中国正在研发适用于广播HDR标准,并正在评估ST 2084和动态元数据能否作为计划的一部分。

随着整个行业在显示技术处理方面取得了巨大进步,国际显示计量委员会(International Committee for Display Metrology)已经开始开发用于度量HDR显示器性能的新标准。为了支持新型显示器,标准数字接口必须通过一些附加信息进行增强。高分辨率多媒体接口(HDMI)规范版本2.0中包含了对BT.2100 HDR标准以及ST 2086元数据的支持。消费者技术协会(Consumer Technology Association,CTA)发布了CTA 861-G“A DTV Profile for Uncompressed High Speed Digital Interfaces”,其中规范了ST 2094-10 SEI语法和HDR动态元数据包的数据包格式。而CTA 861-G适用于HDMI 2.1版本的增强版,将于今年秋季发布。适用于HDR电视的内容与HDR电视的发展一样,也十分迅猛。如今所有主要的好莱坞电影制作公司都在使用SMPTE标准制作HDR电影,有一些已经在这样做了很多年了。而且许多新电影都开始选择具有HDR功能的电影院上映影片。这些新电影正在加入大量可兼容多种设备的格式,以便于在家庭中的HDR电视上观看。如今发布给消费者的大部分视频内容都是通过OTT(Over The Top)网络发送的。亚马逊,Netfilx和Vudu目前正在提供ST 2084编码的HDR视频流,其中许多还具有可用的动态元数据。由CTA主办的The Web Application Video Ecosystem(WAVE) Project旨在改进如何在消费电子设备上处理互联网传送的商业视频,并使内容创作者更容易地将视频分发到这些设备。MPEG已经通过HTTP标准创建了动态自适应流。 DASH行业论坛正在努力创建使用DASH携带HDR的新标准。 DASH行业论坛和WAVE项目都支持SMPTE ST 2084和ST 2086标准。 MPEG也能在共同媒体应用程序格式(Common Media Application Format ,CMAF)上工作,该格式为苹果和微软使用的广泛部署的流格式提供了一个统一的解决方案。 CMAF还包含了对HDR的支持。

在封装媒体领域,蓝光光盘协会已经创建了使用10-bits SMPTE ST 2084,ST 2086,MaxFALL和MaxCLL(也称为“HDR-10”)的超高清晰度(UHD)标准,作为可选动态元数据解决方案。市场上使用的蓝光播放设备与内容都来自多个消费电子制造商和工作室。 在过去一年中,许多HDR资源都附带了基本编码。就在最近,第一批使用动态元数据增强的HDR资源也开始生产了。

过去的一年里,另外两个团队一直致力于将HDR技术转换到他们的相关领域当中。虽然他们不是官方标准的制定组织,但是他们之中包扩了许多在HDR领域非常有影响力的公司。UHD联盟主要侧重于家庭观看体验部分,他们致力于为基于ST 2084的消费电视和内容创建一套HDR性能要求标准。UHD论坛则一直为整个HDR生态系统制定端到端的交互操作指南,最初仅集中在广播上,但现在也加入了OTT。

HDR技术在这一年里有了相当大的进展,而且我们仍然只是刚刚开始探索这个令人难以置信的新工具的奇妙之处,而HDR技术也已经在世界各地被不断使用在各个领域。现在人们不不仅可以在电影院中感受到到令人惊叹的HDR体验,而且可以在自己的家中就体验到画面品质的极大改善,而HDR也为其他平台带来了新的发展和影响。我们之前已经看到了使用ST 2084和ST 2086标准的HDR游戏,而最近,游戏中也开始使用动态元数据了。我们今年甚至看到了第一款HDR智能手机的发布,其中也采用了ST 2084,ST 2086和动态元数据。SMPTE和许多其他标准组织的领导和辛勤工作,使得HDR的快速发展成为可能,毫无疑问,随着他们的持续指导,HDR的未来将变得越来越好。

主要参考:Scott Miller, 2017 Update on High Dynamic Range Television, SMPTE Motion Imaging Journal, Sep. 2017

原文发布于微信公众号 - 媒矿工厂(media_tech)

原文发表时间:2017-10-11

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