UHD HDR现状

本文为媒矿工厂编译的技术博客

原标题：The Current State of UHD HDR——A detailed review of the current HDR standards, HDR workflows and state of HDR deployments.

作者：Thierry Fautier, VP Video Strategy at Harmonic and President of the Ultra HD Forum

翻译：徐宇澄

前言

IHS Markit的市场研究显示，到2020年，美国支持高动态范围(HDR)的消费类电视机的出货量预计将超过3000万台。由于视频内容和服务提供商致力于提供超高清HDR，因此对HDR技术，包括相关的技术、标准和理想的工作流实现有更好的理解是十分必要的。

早些时候，Harmonic公司出版了一本超高清技术指南，主要目的是向市场宣传超高清技术，包括HDR技术。而这份技术指南致力于帮助服务供应商推出自己的服务。本指南的内容包括所有超高清HDR标准的概述，包括它们的状态、准备情况、潜力限制和部署状态。

标准化背景

尽管业界已经为HDR制定了相关的标准，但是HDR标准已经有一些失控。HDR的标准化体现在不同的方面，其中包括：

• 制作端以SMPTE为首的相关标准
• 分发端DVB, ATSC, 日本ARIB与中国广电总局制定的标准
• 设备端美国CTA与欧洲Digital Europe initiative的标准

此外，CableLabs及其姊妹组织SCTE，以及Ultra HD Alliance和Ultra HD Forum等非标准开发组织(SDO)也开展了活动，试图引领HDR的标准化进程。

这些组织都是松散耦合的，他们共同参加年度活动，称为“SDO内部会议”，其中每个SDO都报告他们的进展以及需要在哪些方面采取具体行动以协调所有这些活动。

在深入研究HDR的技术细节之前，了解本指南中使用的术语的背景定义非常重要

2014年，DVB基于SDR技术，将UHD-1 phase 1定义为UHD部署的第一步。2016年11月，他们标准化了phase 2，其中包括HDR (HDR10/PQ10 and HLG)、HFR (up 2160p120)和NGA (object based)。

Ultra HD Forum为引进高品质的超高清定义了一个阶梯式的方法。阶段A是DVB UHD-1 phase 2的子集，阶段B与UHD-1 phase 2非常匹配(在视频编码的MPEG级别5.1内)。这两个阶段的主要动机是在现有部署的基础设施上使用HDR引入超高清部署。阶段A被认为是入门级，高质量的超高清体验。第二阶段，B阶段，考虑到新的基础设施的需求，包括解码器和显示器，在2019年的商业部署后，将能够提供终极的超高清体验。

表1：DVB与Ultra HD Forum定义的不同阶段HDR要素总结

标准与标准组织的讨论

本节讨论的是HDR从标准化状态到就绪状态，以及限制商业部署的因素等不同方面。

以下是不同HDR版本的总结:

• HDR10是一个具有公开规范的CTA标准。
• PQ10是基于HDR10创建的，用于计划使用HDR10而不使用任何元数据的广播公司。
• HLG10由BBC和NHK联合开发，目标是向后兼容SDR电视(BT.2020 10位电视)。
• HDR10+是三星创建的一个联盟，旨在使用动态元数据改进HDR10规范。在分销方面，它正与杜比视觉(Dolby Vision)展开正面竞争。
• Dolby Vision是杜比开发的规范。其目的是提供一种端到端解决方案，可用于从内容生产到显示。Dolby Vision可以提供向后兼容HDR10接收器。
• SL-HDR1是Technicolor最初开发的一种向后兼容SDR电视(BT 709 8比特)的规范。

表2：已知HDR规范总结

下面将通过列表的形式描述每个HDR系统的详情，包括其标准化状态和应用的信令技术。由于China HDR标准仍在套路中，本文无法提供其具体系统信息。

HDR10/PQ10

编解码器，例如苹果ProRes, Avid DNxHR，索尼XAVC和松下AVC-Ultra现在都支持HDR10标准。除了通过SDI发送HDR信号外，还可以部署HDR10/PQ10。

表3a：HDR10/PQ10标准

HLG

编解码器，如苹果ProRes, Avid DNxHR，索尼XAVC和松下AVC-Ultra现在都支持HLG。

需要注意的是，从生产角度来看，HLG仅由ITU-R标准化。除了通过SDI发动HDR信号外，HLG还可以被部署。

表3b：HLG标准

Dolby Vision

Dolby Vision的广播是基于单流传输的，而在单播和多播应用程序(如VOD)中，是基于单层和双层流的(即SDR (BT 709)基层+增强层)选项可用。

表3c：Dolby Vision广播标准

Notes：

[1]基于SDI的HDR元数据传输现在是SMPTE标准。

[2] DVB在其phase 2扩展规范中定义了一种携带动态元数据的标准方式。

SL-HDR1 (ETSI TS 103 433-1)[1]

表3d：SL-HDR1标准

Notes：

[1] ETSI TS 103 433-1基于ST 2094-20和ST 2094-20，指定SL-HDR信息SEI消息(此处为“SL-HDR消息”)。

[2]如果HDMI 接口具有HDR能力，那么具有SL-HDR1能力的HDMI源可以提供重构的HDR，否则提供传输的SDR信号。如果源提供SDR信号，则使用HDMI 2.1，若接收器支持SL-HDR1，则HDMI源还提供SL-HDR1元数据供接收器使用。

[3]产品可以选择任意HDR传递函数(即， PQ, HLG, gamma, SLog3, LogC等)。SDR源逆色调映射到该HDR传递函数。

[4]如果传递函数不固定，则生产中需要使用传递函数信令。

[5]检测ETSI TS 103 433-1中定义的SL-HDR信息SEI消息，确保了HDR信号能够在有HDR能力的设备上重建。

[6]在整个传输过程中，可以将静态元数据封装在SL-HDR信息的SEI消息中，并通过HDR重构提供给接收方。

[7]生产中的SL-HDR1元数据的传输只需要在非集成的SL-HDR1预处理器和发射编码器之间进行。对产生的信号(例如图形叠加)的所有生产操作都应该在HDR中进行。

[8] DVB在其phase 2扩展规范中定义了一种携带动态元数据的标准方式。

SL-HDR1在DVB(仅支持元数据的phase 2 扩展)和ATSC 3.0 (A/341标准)中都还处于标准化过程中。

HDR10+

表3e：HDR10+标准

Notes：

[1] DVB在其phase 2扩展规范中定义了一种携带动态元数据的标准方式

[2]ATSC 3.0标准中的标准候选状态

[3] HDR10+ Technologies LLC可以提供详细信息

[4]SDI上的HDR元数据传输现在是一个SMPTE标准

HDR标准的不同工作流

本节描述应用于每个HDR标准的不同工作流。这里，我们关注实时/线性工作流，因为首先这是最复杂的工作流，其次VOD工作流使用不同的技术进行分级和元数据插入，因此这里不过多赘述。

PQ10 and HLG

对于PQ10，因为它是一个活动环境，所以我们假设不存在ST 2086元数据。它的工作流程与HLG非常相似。在HDR分级、编码、解码和显示过程中传递的唯一元数据是PQ10或HLG的传递函数的信号。这些标准目前已在SMPTE的基带视频下运作，并已在MPEG的压缩流中定义。

图1a：PQ10/HDR10/HLG工作流

Dolby Vision

Dolby Vision Live是一种单层编码方案，在分发编码的最后阶段生成动态元数据。因此，元数据是在编码过程中在编码器内部或外部创建的。在HDR分级和编码之间传递的唯一元数据是传递函数(ST 2084)和母带显示色卷(ST 2086)的信号，这是可选的。

在编码和解码之间传递的元数据是Dolby Vision系统中所携带的特定的动态元数据。

图1b：Dolby Vision工作流

SL-HDR1

SL-HDR1是一种单层编码方案，在分布编码的最后阶段生成动态元数据。在这种模式下，元数据是在编码过程中在编码器内部或外部创建的。在HDR分级和编码之间传递的唯一元数据是传递函数(ST 2084)和母带显示色卷(ST 2086)的信令，这是可选的。

编码和解码之间传递的元数据是SL-HDR1系统中所携带的特定动态元数据。

图1c：SL-HDR1工作流

HDR10+

HDR10+是一种单层编码方案，在分布编码的最后阶段生成动态元数据。因此,元数据是在编码过程在编码器内部或外部创建的。在HDR分级和编码之间传递的唯一元数据是传递函数(ST 2084)和母带显示色卷(ST 2086)的信令，这是可选的。

编码和解码之间传递的元数据是HDR10+系统中所携带的特定动态元数据。

图1d：HDR10+工作流

SDR Backward Compatibility of HDR signals

目前为止，业界建立了不同的HDR标准来满足各种需求不同的用例，其中包括引入的时间、系统的总体性能、创作工具的可用性、处理UHD-1 phase 1 STB (SDR)的能力、对STB和TVs的支持以及许可条款有严格的限制。据IHS Markit预计，到2020年，全球出货的1.12亿台4K电视将几乎全部与HDR兼容，但其中只有30%具备真正的HDR性能。本节综合了不同类型HDR的状态，特别是关于SDR向后兼容性的状态。流向后兼容性是指SDR解码器能够解码HDR流。显示向后兼容性是指HDR解码器可以解码HDR流并将其发送到SDR显示。

表4：HDR向后兼容性

下一节将详细介绍每个HDR系统根据Ultra HD Forum定义的向后兼容性。

Ultra HD Forum Perspective on HDR

为避免市场混乱，减少延误，并能在现有的SDR UHD STB及电视机的安装基础上快速部署HDR，Ultra HD Forum已为HDR的推出设定了两个阶段:

• A阶段基于2017年使用现有基础设施的部署。本阶段选择HDR10和PQ10。
• B阶段计划在2019年及以后部署，这将需要新的基础设施。杜比视觉(Dolby Vision)、SLHDR1、HDR10+可能还有China HDR都是如此。

图2展示了Ultra HD Forum开发的不同阶段。

图2：Ultra HD Forum阶段

综上所述，只有HDR10/PQ10和HLG才能在UHD一期STB上进行软件升级。任何其他HDR(阶段B)计划将需要一个新的STB。

图3显示了A阶段每个HDR系统的不同兼容性级别

图3：HDR向后兼容系统-Phase A

HDR10/PQ10信号只能在PQ电视机上显示，这是一种非后向方案。同时，一些HDR10/PQ10接收器可以接收PQ信号，输出SDR(BT.2020或BT.709)以解决SDR电视问题。这样，PQ就可以向后兼容SDR电视机。这是Ultra HD Forum Phase A指南、ATSC 3.0规范以及即将发布的China HDR标准推荐的做法。虚线显示了解码器可能在PQ10中实现的一个选项。

在BT.2020标准下，HLG信号可以同时发送到一台HDR电视和一台SDR电视上。HLG并没有支持BT.709显示器，即2014年首批商业化的电视机。

B阶段引入的HDR新标准(Dolby Vision、SL-HDR1、HDR10+，可能还有中China HDR)必须与A阶段接收机向后兼容。图4展示了A阶段各HDR系统的不同兼容性级别。

图4：HDR阶段A的向后兼容性

Dolby Vison实时系统使Dolby Vision能够完整适配B阶段解码器。相同的视频流如果发送到与A阶段解码器连接到A阶段显示器，则只会再现HDR10的体验。请注意，针对SDR显示器，所有Dolby Vision解码器可以将来自任何HDR源，包括HLG的信号色调映射为输出的SDR信号。该系统向后兼容HDR10(流方式)和SDR(来自解码器输出)系统。

SL-HDR1系统将把完整的SL-HDR1体验发送到B阶段解码器，发送到SDR解码器/显示器的SL-HDR1流将产生SDR体验。从流的角度看，这个系统向后兼容任何SDR系统。

一个HDR10+系统能够在阶段B解码器上提供完整的HDR10+体验。同样的流可以发送到与阶段A解码器连接的阶段A显示设备上，但它只会再现HDR10的体验。

HDR is a Reality: HDR部署状态

电视HDR生态系统

到目前为止，HDR的发展一直被电视所主导。原因是电视是HDR生态链链中最后一个渲染HDR信号的元素。因此，它更加注重HDR体验，而不像播出，编码器，与解码器系统，它们只关注传递元数据，以重建电视中的HDR信号。表5显示了截至2017年支持HDR的不同电视。

表5：不同电视对HDR的支持情况

根据IBC 2018年的支持HDR的设备图（由@UHD4K发布），图5为2017年底高清电视市场份额示意图。(这些百分比来自支持的品牌数量，而不是出货量或收入)。

图5：HDR市场份额

图6显示了视频生态系统中不同播放器对HDR的支持。由于这个领域变动很快，图在发布时可能不准确。

图6：HDR视频生态系统，致谢@UHD4K

Harmonic’s总结的不同HDR格式状态:

• HDR10现在得到了所有电视制造商的支持。因此，Harmonic’s认为它是事实上的标准。
• Dolby Vision (VOD和Live for tv)是第二领先的标准。这个标准是提供优质VOD体验的领先者。
• HLG是受支持的第三大格式，50%的品牌支持。一些实时HLG服务是可用的。与此同时，全球四大电视制造商(三星、LG、索尼和松下)均宣布在2016年和2017年的HDR机型中支持HLG。该格式是直播应用的领先格式，支持2015年及以后的BT.2020电视的装机基础。
• HDR10+ (ST 2094-40)只有有限的支持，这是正常的，因为标准只在SMPTE的生产端得到批准。它还没有被ATSC或DVB批准传输。如今，只有三星、松下和TP Vision支持这一标准。

电视HDR部署状态

从2016年至今，HDR主要用于VOD OTT服务。到2016年底，HDR开始进行现场部署。

表6显示了截至2018年4月18日已部署的超高清HDR服务列表。更多资料，包括最新资料，载于：

https://ultrahdforum.org/resources/list-of-commercial-uhd-or-4k-services-that-are-live/

表6：HDR部署状态

2018年俄罗斯世界杯，以不同的超高清HDR格式制作:Slog3、HDR10和HLG，这些信号从国际广播中心发送给24家分销商，然后在各自的国家提供给消费者。然后，每个分发服务器负责在HDR信号转换为SDR (BT 709)、HDR10或HLG之后，根据它们想要针对的设备，以选定的格式交付它们。

以下是目前已部署的超高清服务的HDR实现百分比，以及已部署的HDR技术之间的划分。资料来源: Ultra HD Forum (2018年4月)

图7：HDR比率与分布情况

由于HDR10和HLG都是DVB UHD-1 Phase 2和Ultra HD Forum阶段A的一部分，他们在部署的服务中占据了83%的市场份额。

移动HDR生态系统

到不久之前，HDR还仅限于电视设备；然而，在2018年世界移动通信大会上，索尼和LG宣布支持HDR，三星S8宣布支持HDR10，苹果X宣布支持HDR10和Dolby Vision。

表7：移动设备的HDR支持状态

从表6和表7的信息中可以得出两个重要结论。首先，所有的手机和电视都支持HDR10。其次，没有手机支持HLG，尽管它在电视上有普遍的支持。如果服务提供商想要解决智能手机的HDR问题，就必须使得HDR10和SDR都能够在BT.709的颜色空间中播放，因为目前还没有支持SDR模式的BT.2020的手机。

下图是在智能手机上处理HDR内容的理想部署示例。

图8：HDR在手机上的理想分发部署

HDR许可模型

本节的目的是提供高级的、公开披露的信息。任何许可条款的商业讨论都需要与技术提供商进行。

表8：HDR许可项

综上所述，HDR10和HLG是两个最容易实现且许可条款合理的标准。其他HDR系统更为复杂，需要在许可方面进行更昂贵的投资。

现在，我们已经从标准、特点、电视和移动设备兼容性的角度分析了市场上存在的每个HDR解决方案的功能，接下来让我们看看哪个选项最适合部署

表9提供了市场上现有的HDR解决方案的总结。

表9：HDR主要特征总结

HDR有几种不同的部署案例，包括仅在广播场景中使用电视，以及使用单播的电视和移动服务混合场景。对于已经部署了SDR (UHD-1阶段1)STB的操作人员来说，在电视专用场景中，最吸引人的选择是部署PQ10或HLG10，这取决于向后兼容性要求。

到今天为止，所有部署的广播系统都使用HLG10。对于单播，正在考虑PQ10 Live。应该注意的是，在使用HDR10的单播(VOD或live)模式中，必须向遗留设备提供一个同步的SDR。这使CDN的生产、编码、摄入和存储成本翻了一番。在这个场景中，也可以部署向后兼容的方案，比如HLG或SL-HDR1系统，但是只有新部署的STB才能使用SL-HDR1，而遗留的UHD1 Phase 1 STB可以升级到HLG。遗留的STB只能使用SDR。

对于绿色场景，操作员可以添加Dolby Vision来处理HDR10和SDR电视，解决STB中的向后兼容性问题。操作者还可以部署SL-HDR1系统。在这种情况下，只有新的STB可以利用SL-HDR1标准。

对于电视和移动设备混合场景,安全的格式是HDR10,而不是PQ10,这对现有的直播工作流可能是一个挑战,因为这需要支持所有HDR设备（包括电视与移动设备）。另一个选项是在新的STB情况下使用Dolby Vision Live或直接连接电视。

总结

本技术指南旨在描述超高清HDR的现状以及不同HDR技术的特点。到目前为止，HLG已经成为实时应用程序的部署领导者。由于电视制造商和移动设备的大力支持，再加上杜比围绕Dolby Vision开发的完整生态系统，我们预计Dolby Vision将被部署在电视和移动用例的单播中。其他HDR技术，如SL-HDR1和HDR10+，仍在标准化过程中，可能会在未来几年看到市场对他们兴趣的增加。