高帧率视频标准与规范简介

帧率(High Frame Rate, HFR)是指利用比正常帧率(如24帧/秒)更高的技术拍摄而成的影片。欧洲已经对高于每秒50帧的视频有了广泛的研究。

运动模糊与频闪

运动图像最显著的缺陷就是运动模糊和频闪(或图像抖动)。这类缺陷受物体的运动速度,帧率和每帧的曝光时间影响。

帧速率一定时,运动模糊和频闪可以通过改变每帧期间的曝光时间——即“快门角度”来控制。角度越大,相机用于记录通过镜头的光线的时间越长。

例如,360度快门角度+100 Hz帧速率=每帧曝光10 ms

图1 运动模糊和频闪

快门角度越大,每一帧的曝光时间越长,就会造成严重的运动模糊,但若快门角度越小,运动模糊降低了,但是频闪却又增加了,画面中两帧之间的跳动会造成卡顿感。而增加帧率则可以同时减轻运动模糊与频闪两者,不仅使图像更加锐利,还提高了图像显示质量。

高帧率协议

为了最大化高帧率技术所带来的收益,必须从摄影到显示采用一整套连锁方案。这一方案的技术标准由许多组织创立,例如ITU, SMPTE, DVB和ATSC。接下来将介绍各个支持高帧率的协议。

ITU-R BT.2100-1

ITU定义了贯穿视频技术每个环节上的基础参数。2017年6月,日内瓦的组织发布了BT.2100-1建议书,定义了使用BT.2020宽色域(wide colour gamut)时的High Dynamic Range (HDR)在HD和UHD中图像参数。不仅如此,BT.2100-1还添加了对HFR中100Hz和120Hz帧率的支持。

基于BT.2100 (06/2017)的 ITU-R BT.2199-1 规格

ITU-R BT.2077-2

第二份与HFR的相关的ITU文档是BT.2077-2。这份文档定义了UHD演播室信号(UHD studio signals)的串行数字接口,这类信号的像素数支持3,840 × 2,160(4k)与7,680 × 4,320(8k),帧率可最高达120fps,并可选择4:4:4,4:2:2或4:2:0的10位与12位采样结构。单链路和多链路光电接口的额定速率为6至24 Gbit / s。

DVB-UHD

DVB分阶段推行UHD服务,各个阶段的服务也预计相继上线。

第一阶段只考虑提高像素(到4k),而第二阶段则包括了HDR和HFR(高达120Hz)。在DVB规格的制定者预期中,HDR部分将于2017年推行,而HFR将在2019年推行。UHD的第二阶段的压缩将基于HEVC Main 10 Profile层,但仅支持10位精度。比特流的电平与帧速率有关,HFR(帧速率在60Hz以上)时为5.2,否则为5.1。

协议允许使用用于向后兼容的时间分层。使用时,它允许发送单个流(最高120 Hz),也可以由UHD第一阶段的接收器以一半帧率进行解码。此时,接收机将丢弃构建HFR流所需的信息(例如100Hz),仅保留向后兼容(例如50Hz)的流所需的信息。

ATSC 3.0

与DVB方法类似,美国制定的ATSC 3.0广播电视标准也支持高达120Hz的帧速率和用于向后兼容的时间分层。 此外协议也支持可选的时间域滤波,以减轻在不支持HFR的设备上渲染时间分层时可能出现的频闪问题。

HDMI 2.1

HDMI 2.1协议是2017年提出的最新的HDMI协议。新的协议中支持具有高达10k的视频分辨率和120 Hz的帧速率的UHD。通过HDMI 2.1,未来几代的电视接收器能够解码最高120 Hz的影像。

总结

随着HFR的标准制定完成,设备制造商应该开始考虑在产品(摄像机,混音器mixers,消费级显示器等)中构建HFR支持,而广播公司则该思考如何应用HFR技术到蓝图中了。

参考文献

[1] Paola sunna, Making sense of HFR specifications, tech-i, tech.ebu.ch, Mar. 2018

原文发布于微信公众号 - 媒矿工厂(media_tech)

原文发表时间:2018-07-24

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