HDR in depth

来源：Elecard 作者：Alexander Kruglov 原文链接：https://www.elecard.com/page/article_hdr 内容整理：胡经川 本文主要讨论 SDR 和 HDR 之间的区别，并介绍主要的 HDR 标准，以及它们对 H.264/AVC、H.265/HEVC、VP9 和 AV1 的识别和验证。

目录

• HDR 和 SDR 之间的区别
  • 色彩参数
  • 色彩深度
  • 亮度
• HDR 标准
  • HDR10
  • HLG
  • HDR10+
  • Dolby Vision
• HDR 标准总结
• 参考

尽管 SDR（标准动态范围）存在诸多弊端和过时的技术流程，但 SDR 格式的视频内容在当今媒体市场中仍处于领先地位， 而 HDR（高动态范围）格式才刚刚开始扩展。在本文中，主要介绍了每种 HDR 格式的最相关信息。所描述的标记使您可以快速深入到 HDR 领域，识别、整合 HDR 内容并解决可能出现的问题。

1HDR 和 SDR 之间的区别

色彩参数

SDR 格式是基于Rec.ITU-R BT.709中描述的色度参数。它只覆盖了CEI 1931系统中人眼可见光谱的35.9%（图1）。相比之下，HDR使用色彩参数Rec.ITU-R BT.2020则覆盖了75.8%的光谱。

图1：CEI 1931 系统的色彩空间

色彩深度

SDR 的颜色深度为 8 bits。 虽然 SDR 并不禁止使用 10 bits，但实际上绝大多数视频内容都以 8 bits 色彩深度进行压缩。这意味着每种原色（R/G/B）可以有 256 个值，即总数为 256x256x256 = 16,777,216 种颜色。这是一个很大的数字，但人眼看到的更多，因此，在实践中，人眼还是很明显能区分 SDR 视频中的混叠过渡（图2）， 这在渐变背景场景中尤为明显，例如天空。

HDR 中的最小色深为 10 bits, 既每种原色有 1024 个可能的值，总共 1,073,741,824 种颜色，是 SDR 的 64 倍。这样的图像更接近现实，但是，在某些情况下，人眼仍然能够注意到颜色过渡中的混叠。

图2：8 bits 与 10 bits 的色彩深度

亮度

人眼的构造除了颜色分量外，它还区分亮度分量，而且后者能被更强烈地感知。SDR 的亮度限制为 100

，而 HDR 标准理论上可达到 10,000

。

现实生活中，中等价位的支持 HDR 的显示器声称亮度为 1,000

，而更高价位的则可以提供高达 4,000

的亮度，但仅能在短时间内适用于某些场景。

2HDR 标准

应该注意的是，HDR 是一个总称，市场上有来自不同供应商的多种 HDR 实现标准。使用最广泛的是四种 HDR 标准：HDR10、HLG、HDR10+ 和杜比视界（Dolby Vision）。下图显示了支持 HDR 的电视制造商的品牌以及当前支持 HDR 的流媒体服务

图3：HDR 品牌以及支持的流媒体服务

要体验 HDR 内容，需要符合标准的 HDR 内容，以及支持 HDR 的解码器和显示器。

HDR10

HDR10 标准于 2014 年被采用。HDR10 由于其易用性和免许可费而获得广泛的接受。该标准描述了符合 UHDTV Rec.ITU-R BT.2020 标准建议的视频内容。

表1：HDR10 描述的视频内容

HDR10 基于 PQ EOTF 传输函数，这也是此类视频内容与 SDR 显示器不兼容的原因。此外，HDR10 具有单层视频内容。

该标准应用于整个视频序列的静态元数据。一方面，静态实现简化了实现。同时，没有考虑到静态和动态、明暗场景需要不同色调的需求，因此需要应用全局补偿方法。因此，HDR10 无法完全将视频内容展现的淋漓尽致。

HDR10 元数据包括 MDCV（Master Display Color Volume） 和内容亮度级别信息。MDCV 描述了制作视频母版的显示器的基色坐标以及动态范围，是用于创建视频内容的显示参数，被认为是参考参数。播放视频内容时，将根据参考重新调整显示。

MDCV 描述包括：

• Display_primaries:三个主要色度分量的X和Y坐标；
• White_point:白点的X和Y坐标；
• Max_display_mastering_luminance: 母版显示的标称最大亮度，单位为0.0001

；

• Min_display_mastering_luminance，母版显示的标称最小亮度，单位为 0.0001

。

内容亮度级别信息—图像标称目标亮度级别的上限值。它包括：

• Content light level information（MaxCLL），表示最大像素亮度级别的上限，单位为

；

• Max_pic_average_light_level (MaxFALL)，指定整帧最大平均亮度级别的上限，单位为

。

在 H.264/AVC 和 H.265/HEVC 视频格式中，可以在两个级别指定 HDR10 元数据。

1. 在基本视频流级别上指定 IDR 块的相应 SEI 标头上指定。下图显示了 HEVC 视频序列的 SEI MDCV 和内容亮度级别信息示例：最大标称亮度 1,000

，最小标称亮度 0.05

，MaxCLL 1,000

，MaxCLL 400

， 以及色度分量和白点的坐标。

1. 在 MP4 或 MKV/WebM 媒体容器级别上指定

图4：SEI 信息中的 MDCV 以及内容亮度级别信息

VP9 在媒体容器级别指定数据，而 AV1 也可以在两个级别指定 HDR10 元数据。

HLG

HLG标准出现于2015年，也被广泛采用。该标准描述了符合 BT.2020 的视频内容。

表2：HLG 描述的视频内容

HLG 与 HDR10 一样，承载了一层视频内容。与 HDR10 不同，HLG 没有元数据，因为它使用 HLG EOTF 混合对数函数，一部分重复 SDR 函数曲线。这样的实现理论上允许在 PQ EOTF（HDR10、HDR10+、杜比视界）和 SDR 显示器上播放 HLG，色度参数符合 BT.2020。就写实程度而言，HLG 和HDR10 一样，也无法完全将视频内容展现的淋漓尽致。由于 HLG EOTF 函数的特殊性，如果图像包含饱和色彩的明亮区域，则 SDR 显示器上的色调变化可能会很明显。通常，在具有镜面光斑的场景中会观察到失真。

图5：相对于 SDR 和 PQ HDR 的 HLG 曲线

HLG 视频流可以通过 Transfer_characteristics 参数标识，该参数的值为 14 或 18。对于 H.264/AVC 和 H.265/HEVC，可以指定参数：

• 在 MP4 媒体容器级别：在 avcc、hvcc 或 colr box中；
• 在相应的 TrackEntry 视频和颜色框中的 MKV/WebM 媒体容器级别；
• 在基本流级别上的 SPS 标头中的 → VUI → video_signal_type_present_flag →colour_description_present_flag → Transfer_characteristics）；
• 在基本视频流级别上指定 IDR 块的相应 SEI 标头上指定。包含参数referred_transfer_characteristics = 18。如果SEI、VUI或媒体容器中的值存在差异，则优先考虑SEI值。

图6：HLG 参数位置

HDR10+

该标准也描述了符合 UHDTV BT.2020 的视频内容。

表3：HDR10+ 描述的视频内容

HDR10+ 使用 PQ EOTF，因此与 SDR 显示器不兼容。与 HDR10 不同，HDR10+ 使用动态元数据，可以在母带制作过程中更高效地编辑每个场景，从而完整地传达内容信息。在内容播放期间，显示器会以与作者创建它相同的方式从一个场景到另一个场景重新排列。

HDR10+ 提供与 HDR10 的向后兼容性。如果显示器不支持 HDR10+ 动态元数据，但支持 HDR10 静态元数据，并且此类数据存在于流或媒体容器中，则显示器可以播放 HDR10 视频序列。

对于 H.264/AVC 和 H.265/HEVC，动态元数据位于 SEI user_data_registered_itu_t_t35 中的基本流级别。在 VP9 中，元数据在 WebM 容器的 BlockAddID（ITU-T T.35 元数据）中指定。在 AV1 中，元数据在 metadata_itut_t35() OBU 语法中指定。

图7：HDR10+ 的动态元数据

Dolby Vision

Dolby Vision 是由杜比开发和授权的最复杂的专有 HDR 标准。规定在一个视频文件中同时使用两层的可能性：基本层（BL）和增强层（EL）。事实上，由于视频文件的体积较大，且此类内容的准备和播放难度较大，因此很少会出现两个视频层。杜比视界有 5 个预定义的配置文件：4、5、7、8（8.1 和 8.4）和 9。

表4：Dolby Vision 配置文件

值得注意的是，新应用程序和服务提供商不支持Profile 4。Profile 8.4 处于标准化阶段,最大亮度级别为 1000

。

Profile 5、8、9 的 BL 和Profile 4 和 7 的 EL 使用 PQ EOTF，因此它们与 SDR 显示器不兼容。这些配置文件使用类似于 HDR10+ 元数据的动态元数据。这允许在母带制作过程中对每个场景进行高效编辑，并准确传达作者的想法。回放内容时，会根据动态元数据从场景到场景重新调整显示。

在 H.264/AVC 和 H.265/HEVC 视频格式中，杜比视界动态元数据位于基本视频流级别：

• 在 SEI user_data_registered_itu_t_t35 ST2094-10_data();
• 在相应 NAL 和 SEI 中基本流级别的 NALU 42/62 中。

杜比已为 MPEG-2 TS 和 MP4 媒体容器标准化了杜比视界识别。在 MPEG-2 TS 中，使用 PMT 表中的 DOVI 视频流描述符提供信息，根据其内容确定配置文件、级别、层的存在和兼容性。

图8：Dolby Vision 不同层的配置

为此，MP4 容器使用配置框：dvcc（适用于低于或等于 7 的配置文件）、dvvc（适用于高于 7 但低于 10 的配置文件）、dvwc（适用于等于或高于 10 的配置文件）。

3HDR 标准总结

图9：HDR 标准总结

HDR 内容播放执行如下图所示：

1. 应用程序从 MP4、MKV/WebM、TS 等媒体容器中提取基本视频流和 HDR 元数据（如果存在），然后将数据传输到解码器；
2. 解码器解码视频序列并提取动态HDR元数据，或从媒体容器中获取有关框架的静态HDR元数据；
3. 解码器将解码后的帧和 HDR 元数据传输到显示器；
4. 显示器输出图像。

图10：HDR 内容播放的一般流程

如果有 2 个视频层（BL/EL——杜比视界中的配置文件 4 或 7），提取器会提取它们，但应用程序可以决定选择哪一层和相应的解码器，具体取决于平台的功能。

检查视频序列是否符合色度参数：

1. BT.2020/2100和EOTF视频信号转换函数。对于所有 4 种视频编解码器（H.264/AVC、H.265/HEVC、VP9、AV1），这是标准化的相同参数集，包括：1）‍colour_primaries，表示根据 CIE 1931 规定的源原色的色度坐标 2）transfer_characteristics，表示源图片的参考光电传递特征函数 3）matrix_coeffs 描述用于RGB或 Y、Z 和 X 原色导出亮度和色度信号的矩阵系数 这些参数位于：对于 H.264/AVC 和 H.265/HEVC： 1）在 VUI 标头中的基本流级别：序列参数集 → VUI → video_signal_type_present_flag → colour_description_present_flag； 2）在 avcc、hvcc 或 colr 框中的 MP4 媒体容器级别； 3）在相应的 TrackEntry 视频和colour box中的 MKV/WebM 媒体容器级别。 对于 VP9: 1） MP4：在 vpcc 和 сolr box； 2）MKV/WebM：colour box。 对于 AV1： 1） 在 OBU 序列头中的基本流级别 → color_config → if(color_description_present_flag)； 2） 在 av1c 和 colr 框中的 MP4 媒体容器级别； 3） 在相应的 TrackEntry 视频和colour box中的 MKV/WebM 媒体容器级别。
2. 检查分辨率、纵横比、帧速率、色深、视频编解码器的合规性。
3. HDR 元数据检查。

4参考

1. HDR Ecosystem Tracker fall 2020 update, available from https://www.flatpanelshd.com/focus.php?subaction=showfull&id=1606977052
2. Recommendation ITU-R BT.2020-2 (10/2015) Parameter values for ultra-high definition television systems for production and international programme exchange
3. SMPTE ST 2084:2014 High Dynamic Range ElectroOptical Transfer Function of Mastering Reference Displays
4. SMPTE ST 2086:2014 Mastering Display Color Volume Metadata Supporting High Luminance and Wide Color Gamut Images
5. CTA-861.3-A, HDR Static Metadata Extensions
6. ITU-T H.264, Infrastructure of audiovisual services – Coding of moving video
7. ITU-T H.265, Infrastructure of audiovisual services – Coding of moving video
8. ISO/IEC 14496-12, Information technology — Coding of audio-visual objects — Part 12 : ISO base media file format
9. WebM Container Guidelines, available from https://www.webmproject.org/docs/container/
10. Matroska Media Container, available from https://www.matroska.org/technical/elements.html
11. AV1 Bitstream & Decoding Process Specification, available from https://aomediacodec.github.io/av1-spec/av1-spec.pdf
12. ARIB STD-B67, Essential Parameter Values For The Extended Image Dynamic Range Television (Eidrtv) System For Programme Production
13. Recommendation ITU-R BT.2100-2 Image parameter values for high dynamic range television for use in production and international programme exchange
14. HDR10+ System Whitepaper, available from https://hdr10plus.org/wp-content/uploads/2019/08/HDR10_WhitePaper.pdf
15. SMPTE ST 2094-40:2016 Dynamic Metadata for Color Volume Transform — Application #4
16. User_data_registered_itu_t_t35 SEI message for ST 2094-40
17. Dolby Vision Profiles and Levels Version 1.3.3 Specification
18. Dolby Vision Streams Within the ISO Base Media File Format Version 2.2
19. Dolby Vision Streams Within the MPEG-2 Transport Stream Format
20. Dolby Vision Streams within the HTTP Live Streaming format
21. Dolby Vision Streams within the MPEG-DASH format
22. SMPTE ST 2094-10:2016, Dynamic Metadata for Color Volume Transform – Application #1
23. INTERNATIONAL APPLICATION PUBLISHED UNDER THE PATENT COOPERATION TREATY (PCT), International Application Number PCT/US20 16/059862
24. ETSI TS 103 572, HDR Signalling and Carriage of Dynamic Metadata for Colour Volume Transform; Application #1 for DVB compliant systems