剖析如何將HDR技術(shù)運(yùn)用至顯示器實(shí)現(xiàn)傳輸不失真
對于圖像顯示技術(shù)而言,追求貼近人眼所能見到的真實(shí)世界是必然趨勢。在4K電視技術(shù)的普及、廣色域的使用,以及視頻播放流暢度提高到60fps,都已逐步朝人眼所見前進(jìn)。而下一關(guān)卡,“亮度動(dòng)態(tài)范圍”是目前圖像顯示畫質(zhì)欲突破的關(guān)卡。此時(shí),“高動(dòng)態(tài)范圍 (High Dynamic Range,HDR)”就應(yīng)運(yùn)而生,成為近年在國際消費(fèi)性電子展(CES),圖像顯示技術(shù)最熱門的討論議題,各家音像制造廠商更以提高圖像的動(dòng)態(tài)范圍為目標(biāo),相繼投入高動(dòng)態(tài)范圍技術(shù),并訂定出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),期望對此高規(guī)格質(zhì)量把關(guān)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201704/346215.htm本文首先簡要介紹了HDR技術(shù);然后深入介紹了目前知名的PQ-HDR——“杜比視界 (Dolby Vision)”提出的感知量化編碼,以及BBC/NHK連手研發(fā)的混合對數(shù)伽瑪分布(HLG-HDR),剖析如何將HDR技術(shù)運(yùn)用至顯示器,使得傳輸不失真;最后則是以宜特科技(Integrated Service Technology;iST)信號測試實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際案例,介紹目前顯示器主要接口HDMI如何納入HDR,以及其對應(yīng)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。
HDR技術(shù)
究竟,電視/電影和手機(jī)/相機(jī)講的“HDR”到底有什么不一樣?
HDR,多數(shù)人熟知是應(yīng)用在相機(jī)的拍攝上,然而相機(jī)上所使用的HDR技術(shù)與電視視頻的HDR,是完全不一樣的事情。
手機(jī)/相機(jī)的HDR:多數(shù)人應(yīng)該都有逆光拍照的經(jīng)驗(yàn),大部份逆光拍照的結(jié)果,不是陰影部分黑漆漆一片,就是明亮部分全都過飽和。因此,手機(jī)/相機(jī)的HDR,就是利用加減曝光指數(shù)所拍攝的多張圖像,再通過芯片將這幾張圖像演算成為一張完整的相片;或是,由單張相片做區(qū)域性的加減光,演算達(dá)到高動(dòng)態(tài)的成像,使各區(qū)域都呈現(xiàn)相對清楚的圖像。
電視/電影的HDR:指的更像是一種標(biāo)準(zhǔn)/格式,由于視頻屬于持續(xù)的動(dòng)態(tài)圖像,如果要求顯示器每一格都像照相機(jī)一樣由3到5張組合,傳輸?shù)膸拕荼貢黾?到5倍,這在現(xiàn)實(shí)的環(huán)境是達(dá)不到的。視頻所討論的HDR便定義在,如何把先進(jìn)高動(dòng)態(tài)廣色域的攝影圖像重新分布,并傳輸給顯示器,讓顯示器能正確的還原先進(jìn)高動(dòng)態(tài)的圖像——這也是作者在宜特實(shí)驗(yàn)室協(xié)助TFT/IPS電視及投影機(jī)等多項(xiàng)產(chǎn)品廠商進(jìn)行HDR調(diào)校時(shí)發(fā)現(xiàn)多數(shù)廠商關(guān)切的議題。
將HDR技術(shù)運(yùn)用至顯示器
首先討論杜比實(shí)驗(yàn)室(Dolby Laboratories Inc.)的Dolby Vision與BBC/NHK如何將HDR技術(shù)運(yùn)用至顯示器,使得傳輸不失真。
(一) Dolby Vision PQ-HDR EOTF(感知量化-HDR電光轉(zhuǎn)換功能)
2014年就可以看到杜比實(shí)驗(yàn)室公告的Dolby Vsion白皮書,內(nèi)容是杜比實(shí)驗(yàn)室投入HDR的成果,此后在電影電視工程師協(xié)會(The Society of Motion Picture and Television Engineers;SMPTE)收納為SMPTE 2084規(guī)范,使HDR不僅成為動(dòng)態(tài)視頻錄制及播放的討論重點(diǎn),SMPTE 2084所定義的版本也成為業(yè)界沿用HDR產(chǎn)品的第一代規(guī)范。
杜比HDR的核心技術(shù)叫做“感知量化 (Perceptual Quantizer,PQ)”的電-光轉(zhuǎn)換功能(EOTF,將電信號轉(zhuǎn)為可見光),這項(xiàng)技術(shù)將亮度標(biāo)準(zhǔn)定義在10,000Nits(普通的電視亮度僅100-200nits左右)。但是,目前還沒有實(shí)際顯示設(shè)備能達(dá)到這一亮度,因此目前Dolby Vision的亮度目標(biāo)是4,000nits。
目前針對亮度處理的技術(shù)包括CMOS與CCD傳感器,均已能感應(yīng)高動(dòng)態(tài)范圍亮度的圖像,然而,如何將HDR圖像正確處理、儲存并傳輸至顯示器?Dolby通過重新安排亮度分布曲線、增加傳輸及處理深度(bit width)達(dá)12bit、制作環(huán)境參數(shù)(meta data)后送等方式,以避免重新分布后亮度不連續(xù)的問題,更能在圖像傳輸至顯示器時(shí),精準(zhǔn)還原HDR圖像。(此技術(shù)收錄在SMPTE 2084規(guī)范中。)
1.重新安排亮度分布曲線以及增加傳輸與處理深度達(dá)12bit
Dolby的主要核心技術(shù)EOTF建構(gòu)在兩部分上:依照Barten Ramp重新安排亮度分布曲線;以及增加傳輸與處理深度12bit。
根據(jù)Barten Ramp,暗部(亮度極低時(shí))人眼視覺靈敏度較低,亮度極高時(shí),人眼對對比的感覺較飽和,而這個(gè)曲線是建構(gòu)在人眼剛剛好可以分辨的亮度改變(JND)上。由圖像輸出端的光-電轉(zhuǎn)換功能(OETF,EOTF的反向)曲線,可以得知當(dāng)暗部的分辨率低,跳階比較粗,亮部視覺比較靈敏,所以跳階比較密。而正確的亮度分配,正好可以把暗部多出來的階數(shù)貢獻(xiàn)給明亮部分,從而達(dá)到亮度重新分布的目的。
增加傳輸與處理深度達(dá)12bit,則可以確保此分布變化不至于使視覺觀察到不連續(xù)的狀況,而總體亮度也可獲得更多階數(shù)的處理單位。
圖2:PQ-HDR圖像輸出端的OETF曲線,xy坐標(biāo)皆為0~10000亮度。
不過,任何圖像修正或重新分布的技術(shù),必須同時(shí)提供還原的模式,否則在應(yīng)用上會有一定的困難。圖像輸出前的技術(shù)即為OETF,而圖像輸出后制處理過的視頻技術(shù),定義為EOTF,兩者都是一條“非線性的曲線”。然而,在處理亮度校正及色域轉(zhuǎn)換議題時(shí),必須先將信號還原成“線性曲線”,以減少后續(xù)處理的復(fù)雜度。
圖3:PQ-HDR圖像輸出端的EOTF曲線,x坐標(biāo)為0~1標(biāo)準(zhǔn)化亮度,y坐標(biāo)為0~1,024的10位編碼。
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