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详细解构HDR

2016-06-01 14:35
老猫
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  何为HDR?

  HDR(High Dynamic Range)直译为“高动态范围”,可以理解为更高的画面宽容度、更宽的亮度范围,使图像可以在高光比条件下呈现更多的细节。动态范围越大,图像上同时记录的亮部细节和暗部细节就越丰富。

  与标准动态范围(SRD)相比,HDR可以避免出现BT.709色域标准下的高光溢出(高光部分细节丢失,以保证暗部曝光正常)或暗部裁切(暗部细节丢失,以保证高亮度场景曝光正常)问题。

  简而言之,SDR到HDR的变化,就是就是图像信息中,可以正常显示的合法亮度值范围比之前增加了。

  值得注意的是,从标清到高清,只是分辨率和宽高比发生了变化;而从高清到4K(超高清),量化、色域、扫描方式、帧率和显示亮度都发生了变化。这里的显示亮度的变化,就体现在制播监视器和收视终端都要支持HDR。当然,更高的帧率(HFR)、更宽的色域(BT.2020)也是必须考虑的问题。

  HDR如何实现?

  要实现HDR,需要有端到端的系统解决方案和相应标准。

  目前,在采集域,大部分成像器件本身支持大动态范围,演播室摄像机通常有10-12档光圈,摄影机则有14或更多档光圈;在显示方面,显示器件的对比度,绝对亮度也以可达到1000尼特或以上。

  目前市面上销售的显示设备峰值亮度,普通电视机约300-500尼特,三星、海星等4K电视机宣称达到1000尼特,杜比、索尼、SIM2等显示设备宣称达到4000尼特。

  HDR还要求有新的电光转换(EOTF)与光电转换(OETF)设备。

  特别需要指出的是,要推广HDR,必须解决HDR与SDR的兼容问题

  HDR标准与解决方案

  HDR的方案选择需要综合技术、质量、兼容性、成本等因素。

  Dolby的双层数据传输方案,使用PQ曲线,最高支持到4000尼特。传输带有增强层和元数据的基本层,基本层/增强层与现有视频编码算法兼容。SDR只利用基本层数据,HDR设备检测到元数据后可利用增强层HDR数据。

  Philips & Technicolor采用的 带元数据单层传输方案,使用PQ曲线,最高支持到4000尼特。

  有HDR兼容模式和SDR兼容模式,传输一种主数据(单层数据传输)以及相应的动态范围转换元数据。主视频编码与现有视频编码算法兼容,元数据可以是静态(SMPTE ST 2086)和动态(SMPTE ST 2094)。

  BBC/NHK的单层方案,不带元数据。使用HLG曲线,最高支持到 1200尼特。利用曲线本身特性实现HDR/SDR的兼容转换,兼容效果有限。该方案与现有视频算法兼容。

  据悉,AVS 2.0标准中,也将对 HDR提出自己的方案。

  PQ(ST2084)曲线采用绝对亮度,可以支持更大的动态范围(10-12bit),但需要授权费,显示由终端控制;HLG(Hybrid Log Gamma)采用相对亮度,支持的动态范围相对较小(10bit),但无需支付授权费,可直接实现HDR与SDR兼容,显示可由电视台控制。目前,主要的广电摄像机厂商多采用HLG曲线。不过,相关的HDR播出标准仍在探讨中。

  如何实现兼容?

  用索尼中国专业系统集团技术总监王亚明的话说,为实现兼容采取的措施,带来的问题可能比解决的问题更多。

  制作

  因此,如何实现SDR和HDR的混合制作和播出,就必须仔细考虑。HDR图像必须方便地转换为所需的EOTF。如果可能的话,不必改变现有的标准动态范围(SDR)制作人员配备和工作习惯。

  Sony提供的方案,是同步预先设定的增益差,HDR图像可以通过SDR域的信号处理进一步镜像调整优化。其背后的原理是:动态范围100%时,HLG电平是SDR的50%;HLG开大1档光圈后性能与SDR相近,现有的4K SDR电视机可显示正常图像;HDR动态范围大对光圈变化不敏感 开大1档光圈后图像亮一些,影响不大。所有SDR域的摄像机和光圈控制,自动同步反映在HDR域制作中。通过一个BPU设备,实现4K HDR与高清SDR制作兼容。直播时,用一个系统同时制作超高清4K HDR与高清SDR节目。

  在Panasonic看来,电影方面可以采用原生的HDR制作,而电视节目制播则需要考虑通过切换台实现信号映射。从输入上,可以混合SDR和HDR的视频源,输出的时候也是可以根据环境、监视、信号需求的不同,来分别选择输出SDR和HDR的信号。HLG演播室系统的信号,在内部进行线性处理,把带有HDR曲线的画面进行电光转换,出去的时候再建立一个光电转换,再输出,同时从10bit延展到14bit。通过切换台接口,包括比特数的延展,使切换台可以保留原有操作习惯,但是可以同时对应SDR/HDR。通过HDR/SDR之间互相映射的变化,同时实现播出质量的提高。

  监看

  根据北京电视台赵宏伟的经验,对HDR图像,在SDR屏幕上高光已经明显溢出看不到层次细节,在HDR屏幕上则可以获得极好的反差和色彩还原。导演区监视器在LOG影像显示成灰灰的图像效果(负片效果)。

  而以Log模式监看、录制,总体的亮度被压缩,色彩饱和度也被压缩,使图像看起来色彩很暗淡;即使采用LUT,错误的LUT会严重影响曝光,因为无法确保前后期采用同样的LUT。

  为此,Atomos提供了一个新的HDR监看方案。采用一个可自定义的显示系统,可以精确地将HDR素材(Log)显示在Atomos的1500尼特超高亮度屏幕。它仅对输入的亮度信息进行处理,不改变色彩空间。摄像机仍然使用原有的色彩空间设置。针对不同摄影机的Log曲线,对应了不同的摄像机Gamma。可显示10.5档动态范围,强光下不再需要遮光罩。

  未来

  就像高标清长期共存一样,在电视制播领域,HDR和SDR也将同样需要考虑兼容的问题。未来,电视能否也像电影一样,实现原生HDR支持?

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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