首頁 如何将 HDR 技术运用至显示器,使高画质视频传输不失真

如何将 HDR 技术运用至显示器,使高画质视频传输不失真

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如何将 HDR 技术运用至显示器,使高画质视频传输不失真

by admin

发布日期:2017/4/21
发布单位:iST宜特

HDR (高动态范围,High Dynamic Range) 近来成为各家影音制造厂商投入研究发展的技术,并订定出相关标准。

对于视频显示技术而言,追求贴近人眼所见的真实世界是必然趋势。在 4K 电视技术普及、广色域的使用与影片播放流畅度提高到 60fps,都已朝人眼所见前进。而「亮度动态范围」是目前视频显示画质欲突破的关卡。「HDR」(高动态范围,High Dynamic Range) 应运而生,成为近年 CES 展视频显示技术最热门的讨论议题,各家影音制造商更以提高视频的动态范围为目标,相继投入高动态范围 (High Dynamic Range: HDR) 技术,并订定相关标准,已能对此高规格之质量把关。

本文第一部分,将简介 HDR 技术;第二部分,将深入目前业界最知名的 PQ-HDR (杜比视界,Dolby vision),以及 HLG-HDR (BBC/NHK),剖析如何将 HDR 技术运用至显示器、使得传输不失真;第三部分,则将从笔者所服务的宜特讯号测试实验室所遇到的实际案例,介绍目前显示器主要接口 HDMI,如何纳入 HDR,以及其对应认证标准。

一、HDR 技术简介

电视/电影和手机/相机讲的「HDR」到底有什么不一样?HDR,多数人熟知是应用在相机的拍摄上,然而相机上所使用的 HDR 技术,与电视影片的 HDR,是完全不一样的事情。

  • 手机/相机的 HDR:多数人应该都有逆光拍照的经验,大部分逆光拍照的结果,不是阴影部分黑漆漆一片,就是明亮部分全数过饱和。因此,手机/相机的 HDR,就是利用加减曝光指数所拍摄的多张视频,再藉由芯片将这几张视频演算成为一张完整的相片;或是,由单张相片做区域性的加减光,演算达到高动态的成像,使各区域都呈现相对清楚的视频。
  • 电视/电影的 HDR:指的更像是一种标准/格式,由于影片属于持续的动态视频,如果要求显示器每一格都像照相机一样由3到5张组合,传输的带宽势必会增加3到5倍,这在现实的环境是达不到的。影片所讨论的 HDR 便定义在,如何把先进高动态广色域的摄影视频重新分布,并传输给显示器,让显示器能正确的还原先进高动态的视频,上述也是笔者在宜特实验室协助 TFT/IPS 电视及投影机等多项产品厂商,进行 HDR 调校时多数厂商关切的议题,以下本文重点将从此切入。

二、杜比视界 (Dolby vision),与 BBC/NHK 如何将 HDR 技术运用至显示器,使得传输不失真

  • 1. 杜比视界 PQ- HDR EOTF (感知转换 HDR 电光转换功能)

    2014就可以看到杜比实验室公告的杜比视界 (Dolby Vsion) 白皮书,其内容是杜比实验室投入 HDR 的成果,此后在 SMPTE (The Society of Motion Picture and Television Engineers) 收纳为 SMPTE 2084 规范,HDR 不仅成为动态影片录制及播放的讨论重点,SMPTE 2084 所定义的版本也成为业界沿用 HDR 产品的第一代规范。

    杜比 HDR 的核心技术叫做「感知转换」(Perceptual Quantizer,简称PQ) 的电—光转换功能 (简称 EOTF,将电信讯号转为可见光),这项技术将亮度标准定义在 10,000nits (普通的电视亮度仅 100-200nits 左右)。但是,目前还没有实用显示设备能达到这一亮度,因此目前 Dolby Vision 的亮度目标是 4,000nits。

    以目前在亮度处理的技术包括 CMOS 及 CCD Sensor,已可感应高动态范围亮度的视频,然而如何将 HDR 视频正确处理、储存、并传输至显示器,Dolby 藉由「重新安排亮度分布曲线」、「增加传输及处理深度 (bit width) 达 12bit」、「制作环境参数 (meta data) 后送」方式解决此事。此方式将可避免重新分布后亮度不连续的问题,更能在视频传输至显示器时,精准还原 HDR 视频。(此技术收纳在 SMPTE 2084 规范中。)

    未经 PQ-HDR 图像处理的原始视频。

    经过 PQ-HDR 图像处理的范例。

    • 1-1. 细谈「重新安排亮度分布曲线」、「增加传输及处理深度 (bit width) 达 12bit」
    • 1-2. 细谈「制作环境参数 (Meta data) 后送」

    Dolby 的主要核心技术 EOTF 是建构在两部分。

    1. 依照 Barten Ramp,重新安排亮度分布曲线;
    2. 增加传输及处理深度 12bit。

    根据 Barten Ramp,暗部 (亮度极低时) 人眼视觉灵敏度较低,亮度极高时,人眼对对比的感觉较饱和,而这个曲线是建构在人眼刚刚好可以分辨的亮度改变上 (JND- just noticeable difference)。由视频输出端的 OETF (EOTF 的反向) 曲线,可以得知当暗部的分辨度低,所以跳阶比较粗,亮部视觉比较灵敏,所以跳阶比较密。而正确的亮度分配,正好可以把暗部多出来的阶数贡献给明亮部分,藉以达到亮度重新分布的目的。

    增加传输及处理深度达 12bit, 则可以确保此分布变化视觉将不会观察到不连续的状况,而总体亮度也可获得更多阶数的处理单位。

    PQ-HDR 视频输出端的 OETF (EOTF的反向) 曲线,xy 坐标皆为 0~10000 亮度。

    PQ-HDR 视频输出端的 EOTF 曲线,x 坐标为 0~1 normalized 亮度 y 坐标为 0~1024 的 10 bit code。

    不过,任何视频修正或重新分布的技术,必须同时提供还原的模式,否则在应用上会有一定的困难。视频输出前的技术称为 OETF,而视频输出后制处理过的影片技术,定义为 EOTF,两者都是一条「非线性的曲线」。 然而在处理亮度校正及色域转换议题时,必须先将信号还原成「线性曲线」,以减少后续处理的复杂度。

    在视频分布曲线成功还原后,HDR 将「亮度」及「色域」两路分开处理,Dolby 的处理方式之一是将 YCbCr 的色域先转为 IPT 色域,再处理亮度及色彩饱和度。而 Gamut mapping 更提出由更复杂的 3D LUT 来完成。

    当然使用这种 HDR 的技术在 EOTF 线性还原之后并不一定要使用以上一模一样的处理方式, 多数的芯片都具备有其他客制化的处理方式,差别在最终画质好坏而已。

    PQ-HDR IPT 处理方式之一。

    要能使显示器正确的还原视频,录像及后制的环境因素必须传输给显示器,才能得到更精确的视频还原。制作 HDR 环境参数 (Meta data) 必须包含以下几项重要信息 (CEA-8614.3 规范及 HDMI2.0a 规范皆可看到详细信息定义):

    • Source 的 RGBW color range
    • Display Mastering Max/Min luminance
    • Max content light level
    • 4Max frame average light leve

    在实际运用案例上,笔者在宜特实验室收到送来多数送来测试的 HDR 影片,大都以 DCI P3 色域及 Mastering 4000 Cd/m2 占多数, 其他部分有些资料并不正确,因此显示器在处理时可能要有一些机制判断环境参数 (Meta data) 是否为合理值。

    在 HDR 讯号处理完毕之后,显示器处理系统,必须还是要想办法把亮度曲线校正为比较适合人眼的 Gamma 2.0~2.4, 以及颜色还原到显示器定义的色域范围,这样便完成了 HDR 的显示流程。

    所以正确的校正流程,应该是由讯号源产生 HDR 的亮度讯号,并产生对应的环境参数 (Meta data),显示器收到环境参数 (Meta data) 后能计算出适当的还原曲线,并校正为符合显示器规格的亮度分布。

  • 2. BBC/NHK 的 HLG-HDR 对应方案

    英国 BBC 及日本 NHK 电视台,也提出了对应的 HDR 方案,称之为 Hybrid Log-Gamma (HLG),相对于 Dolby 的 PQ-HDR, HLG 在应用上的方便性,是不需要 Meta data 的传输,并在大部分既有的显示芯片上经过运算就可以执行,最后,再经过最终显示器亮度及色域的校正,便能达到 HLG 所宣称的效果 (技术细节参考 ITU-R BT. 2100.0 规范)。此版本也成为业界沿用 HDR 产品的第二代规范。

    HLG-HDR 处理方块图

    与 PQ-HDR 类似的,HLG-HDR 也同样提出对应的 OETF 曲线,但是在 HLG 的作法上比较单纯也相对精确,讯号源部分将亮度依照 HLG OETF 分布编码。 而显示器部分则根据反向的 OETF (OETF-1),先将信号线性化再做客制化的亮度及色彩修正,最后再根据显示屏幕的最大、最小亮度及环境亮度还原为 HLG 定义的亮度分布,称之为 OOTF (opto-optical transfer function )。

    • OOTF 部分 HLG 特别加入了环境的亮度,实验的结果是以 Log 的方式呈现,关系式如下:r=1+ (1/5) * Log(Ypeak/Ysrround)
    • 完整的 EOTF 则包含 OOTF 部分:
      1. Yd=αYsr +βα=Lw-Lb (for Y range 0~1),β=Lb
      2. Lw: Normal peak luminance.
      3. Lb: Display luminance for black.

    目前,HLG 的最大亮度只在 1000 Cd/m2 下讨论,并不像 PQ-HDR 可以延伸到 4000 甚至10000 Cd/m2。有趣的是在 ITU-R BT.2100 附录中有提到 PQ-HLG 相互转换的方式,其实只要能够还原成线性的曲线,各规范中间互转其实都做得到的。

    HLG-HDR OETF 曲线,x 轴为1~1024 code,y 轴为normalized 的亮度。

    HLG-HDR OETF-1 曲线,x 轴为 1~1024 code,y 轴为 normalized 的亮度。

  • 3. HDMI,如何纳入HDR,以及其对应认证标准

    由于 HDMI 是显示型消费性产品的主要接口,多数显示产品会倾向先取得 HDMI HDR 的认证 (HDMI2.0a) 作为导入 HDR 产品的第一步。

    HDMI 协会 在 2015年公告了 HDR 的标准后,便成为第一个导入 HDR 的有线传输界面,不再局限于视频串流的应用。

    HDMI 目前对于 HDR 的认证仅限于 Protocol 的部分,认证项目包括:

    • HF1-53: Source Dynamic Range and Mastering InfoFrame – High Dynamic Range
    • HF2-54: Sink EDID – HDR Static Metadata Data Block
    • HF3-21: Repeater Repeated Output Port HDR
    • HF3-22: Repeater Repeated Output Port Source Functionality HDR
    • HF3-23: Repeater Repeated Input Port HDR
    • HF3-24: Repeater Repeated Input Port Sink Functionality HDR

    而从笔者在宜特讯号测试实验室,协助客户取得 HDMI2.0a 认证与 HDR 客制化算法调教及量测的实际经验中,发现大部分客户的显示器机种,除了 EDID (Extended display identification data,延伸显示能力识别,是指屏幕分辨率的数据,包括厂商名称与序号) 编辑可能有些小问题之外,客户都可以非常顺利取得认证。

参考数据:
  • CEA-861.3-2015
  • SMPTE 2084 (1)
  • st2086-2014
  • 杜比白皮书 (Dolby-vision-white-paper)
  • BBC Research WHP309
  • 宜特讯号测试实验室
本文作者:

iST宜特科技讯号测试事业处协理 余天华

此篇同步刊登于:

EET Taiwan电子工程专辑 四月号杂志
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