HDR视频技术

HDR视频技术

目前，HDR技术存在两个不同类别和多个标准，包括HDR 10标准，杜比的杜比视界（Dolby Vision）BBC开发的HLG标准。他们做的都稍有不同。现在我们先聚焦它们在HDR视频层面的共同点，与过去的视频技术有何区别。

HDR视频技术涉及四个主要技术内容：BT.2020或DCI-P3色彩空间，高动态范围的传输功能，每通道10bit位深信号传输与显示，以及元数据的传输。

1.色彩空间：大多数情况下，HDR视频被视为现有BT.2020 UHD / FUHD和DCI规格的扩展，因此使用更广阔的BT.2020色域（4K / 8K电视用BT.2020，替换Rec.709高清广播标准），或相对有限，但仍然广阔的DCI-P3色域。

BT.2020使用纯波长原色，而不是基于CRT荧光体或任何材料发射的光。当然，我们还无法在桌面显示器中完全展示这些东西，而且只有最新的激光投影机可以覆盖整个颜色范围。但最终，颜色空间的广度将涵盖了三个主要色域，包括Rec.709 / sRGB、DCI-P3，以及100％AdobeRGB和大多数打印机使用的颜料和染料。

2.传输功能：HDR视频从标准BT.2020和DCI规格区别开，是因为它的OETF和EOTF，即亮度级别到数值和数值到亮度级别的关系。目前高清标准的亮度与数值的关系是CRT时代的遗留问题，即近似于gamma 2.4。在这样的标准体系下，全白的数值是235，然后转换为80-120nits的光输出。

由于人眼对亮度的非线性响应特性，将相同的曲线扩展到更高的动态范围输出中，是被证明是有问题的：它会导致严重的暗部和亮部步进，或者每个通道需要14-16bit的位深，这将浪费大量的数据量化在我们人眼不可分辨的部分。而且仍然不会向后兼容，在这种情况下，有什么意义？

取而代之的，HDR视频使用两种新的曲线：BBC在ARIBSTD-B67标准的HLG曲线，允许输出亮度从0.01到5000尼特左右，Dolby基于SMPTE ST.2084标准的PQ曲线，允许输出亮度水平从0.0001尼特到10,000尼特。

PQ是杜比通过对人眼反应的测量研究得到的结果。创建的曲线没有数值被浪费在人眼不可见光的部分。因此PQ曲线的优势是非常明显的，在最大限度地提高未来的输出亮度方面（最好的实验显示器目前最大为亮度为4000尼特;杜比的测试仪器范围为0.004至20,000尼特），并增加了在暗部捕获的细节量。

另一方面，HLG提供一定程度的向后兼容性，匹配曲线前50％的gamma2.4的输出电平，并将最高的50％的值保留高光更亮部份的输出。通常，在系统伽马值为1.2的环境下看HLG内容，感觉与标准动态范围（SDR）内容相当接近，尽管它的白色有时会被压缩，并比SDR中制作的内容看起来灰。

3.位深：新的传输曲线突出了从模拟到数字值转换的视频问题：步进。随着显示器变得更亮，两个代码值（例如，数值25和26）之间的差异有时足以让我们看到两个灰度之间有明确的区别。当使用的最大亮度大于参考标准时尤其如此。这种情况在暗部比在亮白部份更常见。

BT.2020和DCI标准都已经通过将信号编码和传输从每个通道8bits提升到最少10bits（DCI是12bits）来减少步进的情况，实现至少4倍以上的平滑梯度。然而，BT2020仍然允许显示器在8bits进行渲染，当今市场上绝大多数的电视机和显示器上都是如此。

另一方面，HDR视频更进一步，要求显示器面板本身就是10bit渲染;也就是说，在所有操作亮度和对比度模式下，每个颜色子像素必须能够在876和1024个可区分的光级之间。

HDR需要10位面板而BT.2020不需要的原因是，相比颜色的饱和或色相上的变化，人眼对亮度的变化会更为敏感。人眼可以很容易地适应低色彩保真度（比如BT.2020空间下用8bits），但使用HDR曲线，还使用8bits位深，那么两个相邻亮度值的差异，就会很容易被察觉。

4.元数据：HDR视频要求有，但BT.2020标准并未要求的最后一项：元数据。所有形式的HDR视频都应包括有关内容和母版制作环境的信息。这包括调色时用哪个EOTF，最大和平均单亮度值，以及使用哪个RGB色域。Dolby Vision甚至要求包括每个镜头的元数据定义，以及如何将HDR值转换为SDR范围！

消费级显示器制造商，能使用这些metadata信息，让画面内容适应它们的屏幕。知道何时裁切或压缩高光和阴影。以及自动选择工作模式（比如从709切换到BT.2020，不需要终端用户去改变设置）。 （文章内容来自新片场）

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