當(dāng)我們談?wù)?a href="http://srfitnesspt.com/v/" target="_blank">視頻技術(shù)時(shí),超高清視頻(Ultra High Definition,簡(jiǎn)稱UHD)無疑是當(dāng)今最令人興奮的領(lǐng)域之一。UHD視頻技術(shù)不僅可以提供比傳統(tǒng)高清視頻更為逼真的畫面,還可以為觀眾帶來更加沉浸式的體驗(yàn)。對(duì)超高清的理解,很多人第一個(gè)直覺就是4K、8K的高分辨率,其實(shí)超高清技術(shù)的進(jìn)步不僅僅是分辨率提升這么簡(jiǎn)單,它還包括更多的技術(shù)提升,包括但不局限于:高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)、編解碼、先進(jìn)計(jì)算、三維立體聲、超分技術(shù)、數(shù)字版權(quán)管理和視頻云等等。從本期開始,我們會(huì)從淺入深,帶您走近超高清,探討其背后的技術(shù)原理,希望這個(gè)系列的文章能讓您對(duì)UHD視頻技術(shù)有更深入的了解。
關(guān)聯(lián)回顧
全圖說電視的發(fā)展歷史
全圖說視頻編解碼的發(fā)展歷史
關(guān)于超高清視頻(UHD)有很多可聊的技術(shù),衡量一臺(tái)超高清電視的技術(shù)指標(biāo),以下可能都會(huì)涉及:
我們重點(diǎn)來談?wù)勂渲械腍DR。HDR是high Dynamic Range(高動(dòng)態(tài)范圍)的英文縮寫。今天我們就拆開了、掰碎了,好好聊聊到底什么是HDR。
HDR和SDR
HDR(高動(dòng)態(tài)范圍)是個(gè)相對(duì)概念,相對(duì)于SDR而言。SDR是Standard Dynamic Range(標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍)的英文首字母縮寫。
SDR這個(gè)概念要追隨到陰極射線管(CRT)顯示器的時(shí)代。在液晶電視推廣之前(也才不到20年前的事兒),帶著一個(gè)大鼓包的CRT電視仍是普遍的存在。SDR就是根據(jù)CRT顯示器的亮度、對(duì)比度和顏色特性和限制來規(guī)范電視光強(qiáng)度的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。這些陳舊的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在面臨整個(gè)電視系統(tǒng)硬件性能的大幅度提升的時(shí)代,已經(jīng)顯得不夠用了。
HDR相對(duì)于SDR,HDR擁有更廣的色彩容量和更高的動(dòng)態(tài)范圍,為圖像保留更多的細(xì)節(jié)。通過豐富的圖像亮部和暗部細(xì)節(jié),在對(duì)比度、灰度等維度上提升影像質(zhì)量,讓用戶眼中的影像更加細(xì)膩真實(shí),更富有感染力。
下面,我們就從幾個(gè)參數(shù)維度入手,逐一對(duì)比說明,HDR到底好在哪里?
亮度-圖像照明的強(qiáng)度
國(guó)際單位制(SI)中的亮度單位是每平方米坎德拉(cd/m 2),非正式的名稱nit(尼特)。用來描述每單位面積發(fā)出的光的量度。現(xiàn)實(shí)世界具有極大的動(dòng)態(tài)范圍。比如:星光可以低至 0.000001 尼特,太陽輻射量超過 10 億尼特。人眼可以檢測(cè)到的亮度從10 ? 6 或0.000001尼特到 10 8 或一億 (100,000,000) 尼特。(也就是人眼感知亮度的范圍為 10 14 尼特,或一百萬億 100,000,000,000,000,大約 46.5 f 級(jí))。
通常,SDR顯示器的峰值亮度為100尼特。在配備專業(yè)投影儀的傳統(tǒng)商業(yè)影院中,圖像的標(biāo)準(zhǔn)化峰值亮度為 48 尼特(杜比影院的峰值亮度約為 100 尼特)。對(duì)于 HDR,這個(gè)峰值亮度數(shù)字增加到大約 1,000–10,000尼特。這就意味著高光(圖像中最亮的部分)可以更亮、色彩更豐富、細(xì)節(jié)更豐富。更大的亮度容量可以在不增加整體圖像亮度的情況下,增加小范圍的亮度,例如:閃亮金屬物體的明亮反光,漆黑夜空中閃爍的明星,燃燒中的篝火和絢麗多彩的日落晚霞。
亮度還有一個(gè)最黑,專業(yè)叫法是最低亮度(黑電平)。SDR,這個(gè)值一般為0.1尼特。HDR這個(gè)黑電平?jīng)]有定義,但肯定比0.1尼特要低很多。特別是對(duì)OLED顯示器,它可以將像素關(guān)閉到純黑色,所以在很多OLED規(guī)范中,黑電平不高于 0.0005 尼特。所以HDR除了表現(xiàn)的更亮,同樣還可以表現(xiàn)的更暗,更黑。
對(duì)比度也是衡量亮度動(dòng)態(tài)變化范圍的指標(biāo)。這是用最亮部分和最暗部分之間差異的指標(biāo)。它通常表示為圖像或視頻最亮部分的亮度與最暗部分的亮度之比。從對(duì)比度上來看:
SDR 顯示器的對(duì)比度通常在 1000:1 到 4000:1 左右。
而HDR 顯示器的對(duì)比度可以達(dá)到 10,000:1 到 100,000:1 甚至更高。
顏色深度-色彩漸變的精細(xì)程度
但是否亮度范圍變大,設(shè)備的表現(xiàn)就好了嗎?不一定。還有一個(gè)非常重要的指標(biāo)顏色深度(簡(jiǎn)稱色深)。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域表示在位圖或者視頻幀緩沖區(qū)中存儲(chǔ)每一像素的顏色所用的位數(shù),常用單位為位/像素(bpp)。色彩深度越高,可用的顏色就越多。色彩深度是用“n位顏色”(n-bit colour)來說明的。若色彩深度是n位,即有2n種顏色選擇,而儲(chǔ)存每像素所用的位數(shù)目就是n。常見的有:
1位:2種顏色,單色光,黑白二色,用于compact Macintoshes。4位:16種顏色,用于EGA及不常見及在更高的分辨率的VGA標(biāo)準(zhǔn),color Macintoshes。
8位:256種顏色,用于最早期的彩色Unix工作站,低分辨率的VGA,Super VGA,AGA,color Macintoshes。其中紅色和綠色各占3位,藍(lán)色占2位?;译A,有256種灰色(包括黑白)。若以24位模式來表示,則RGB的數(shù)值均一樣,例如(200,200,200)。 16位:65,536種顏色,用于部分color Macintoshes(紅色占5個(gè)位、藍(lán)色占5個(gè)位、綠色占6個(gè)位,所以紅色、藍(lán)色、綠·色各有32、32、64種明暗度的變化總共可以組合出65,536種顏色)。 24位:16,777,216種顏色,真彩色,能提供比肉眼能識(shí)別更多的顏色,用于顯示照片。彩色圖像,就是常說的24位真彩,約為1670萬色。 30位:通常是紅色、綠色和藍(lán)色各10位,共1,073,741,824種顏色。 36位:紅色、綠色和藍(lán)色各12位,共68,719,476,736種顏色。 48位:每個(gè)顏色通道使用 16 位產(chǎn)生 48 位,即 281,474,976,710,656 種顏色。 為了說明色彩深度的重要性,我們舉一個(gè)具體的例子。如下圖,海邊的篝火場(chǎng)景,如果遮住火焰,邊上的海岸很顯然是SDR的,而篝火便是動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵所在。
1. 我們用8bit去記錄場(chǎng)景,0對(duì)應(yīng)海岸的最暗處,255對(duì)應(yīng)海岸區(qū)域的最亮處。于是大部分區(qū)域可以被8bit完美還原,而篝火因?yàn)榇蟠蟪^了255對(duì)應(yīng)的亮度,因此只能被約束到255。呈現(xiàn)過曝狀態(tài)(最左邊)
2. 對(duì)于HDR圖形,他在1.的基礎(chǔ)上額外增加了一些bit去記錄高亮度區(qū)域,因此依然可以相對(duì)更好地還原篝火地感覺。(中間)
3. 如果非要用8bit去記錄HDR呢?假設(shè)圖例的SDR區(qū)域亮度是2,那么篝火部分便是256。于是我們可能得到最右側(cè)的結(jié)果。黑暗區(qū)域只能用1bit來記錄,篝火用7bit記錄,這樣會(huì)導(dǎo)致大面積的黑色。
所以沒有足夠的色彩深度的支撐,HDR根本無法體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。道理很簡(jiǎn)單,亮度范圍是大了,但是精度不夠用,亮度信息被稀疏掉了,效果自然大打折扣。一般而言:
SDR 顯示器通常支持 8 位色深,這意味著它們可以顯示多達(dá) 1670 萬種顏色。
HDR 顯示器可以支持 10 位甚至 12 位色深,這意味著它們可以顯示多達(dá) 10.7 億種顏色或更多。
色彩空間-色彩的生動(dòng)或者豐富程度
色彩空間(英語:Color space)是對(duì)色彩的組織方式。我們一般談到色彩空間,都是基于人眼可見色彩范圍這個(gè)角度來界定的。它是一種將色彩映射到一組坐標(biāo)或值的數(shù)學(xué)模型,允許它們?cè)诓煌脑O(shè)備和系統(tǒng)上準(zhǔn)確地再現(xiàn)。
CIE 1931 XYZ色彩空間(也叫做CIE 1931色彩空間)就是國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)于1931年創(chuàng)立的一個(gè)模型。它根據(jù)人眼三種視錐細(xì)胞的感光能力(波長(zhǎng)和光譜敏感度)繪制。外側(cè)曲線邊界是光譜(或單色)光軌跡,波長(zhǎng)用納米標(biāo)記。注意描繪的顏色依賴于顯示這個(gè)圖象的設(shè)備的色彩空間,目前沒有設(shè)備能有足夠大色域來在所有位置上提供精確的色度表現(xiàn)。舉個(gè)例子,如果你看到的這個(gè)CIE 1931 色彩空間很多顏色很接近,甚至一致,這不是眼睛的問題,大概率是因?yàn)槟钠聊辉诖藞D像中顯示的顏色是使用sRGB指定的,因此無法正確顯示sRGB色域之外的顏色。
回到今天的話題,HDR和SDR能承載的色彩空間是不同的。與 SDR 相比,HDR 的另一個(gè)好處是顏色范圍更廣(通常稱為廣色域或 WCG)(見下圖)。就目前而言,SDR 的色域被稱為 BT.709(可以顯示人眼可見顏色的35%左右),而 HDR 的色域在技術(shù)上是 BT.2020(可顯示高達(dá) 75% 或更多的可見顏色)。但是,很少有顯示器能夠真正顯示 BT.2020 的全部范圍,因此稱為 DCI-P3 的中間色域通常用于 HDR 內(nèi)容。
值得注意的是,對(duì)比度、色深和色彩空間的確切數(shù)字可能會(huì)因具體的顯示器和正在查看的內(nèi)容而異。但是,總的來說,HDR 顯示器在對(duì)比度和色深方面比 SDR 顯示器有顯著改進(jìn)。
為了正確顯示HDR圖像,僅僅提高亮度是不夠的 - 以與人類視力相匹配的方式顯示色彩和色調(diào)至關(guān)重要。色彩和色調(diào)受每個(gè)輸入和輸出設(shè)備具有的稱為伽瑪?shù)妮斎?- 輸出特性的影響。
伽瑪曲線
圖像的伽馬曲線(Gamma Curve)編碼矯正用于通過利用人類感知光和顏色的非線性方式來優(yōu)化編碼圖像時(shí)的位使用或用于傳輸圖像的帶寬。在普通照明條件下(既不是漆黑也不是刺眼的明亮),人類對(duì)亮度(亮度)的感知遵循近似冪函數(shù)。對(duì)較暗色調(diào)之間的相對(duì)差異更敏感比在較輕的音調(diào)之間,符合史蒂文斯冪定律。而伽馬曲線編碼利用了這一點(diǎn)。如果圖像不是伽馬編碼的,它們會(huì)為人類無法區(qū)分的高光分配太多的比特或太多的帶寬,而為人類敏感的陰影值分配太少的比特或太少的帶寬,并且需要更多的比特/帶寬來維持相同的視覺質(zhì)量。
BT.2100標(biāo)準(zhǔn)提供兩條伽瑪曲線作為不同類型生產(chǎn)工作的標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)流媒體和電影:PQ (感知量化)
PQ伽瑪曲線基于人類視覺感知的特征,并且最適合于在互聯(lián)網(wǎng)上制作電影或串流視頻的內(nèi)容,其中再現(xiàn)準(zhǔn)確性是關(guān)鍵。
PQ伽瑪曲線的最高亮度固定為1,000 cd/m2 (或更高)。換句話說,無論顯示設(shè)備的最高亮度如何,伽瑪曲線始終相同,上限為1,000 cd/m2,從而實(shí)現(xiàn)一致的圖像再現(xiàn)。
對(duì)于廣播電視:HLG(混合對(duì)數(shù)伽瑪)
HLG伽瑪曲線旨在允許在現(xiàn)有的SDR電視上顯示而不會(huì)看不到位置,并且最適合于廣播電視和直播視頻饋送。
HLG伽瑪曲線的最高亮度與顯示設(shè)備的最高亮度無關(guān)。換言之,因?yàn)橘が斍€根據(jù)顯示設(shè)備的最高亮度而變化,即使在現(xiàn)有的SDR顯示器上,伽瑪曲線也可允許接受觀看HDR內(nèi)容,并且圖像劣化較小。
總而言之,PQ在圖像質(zhì)量和可顯示的亮度范圍方面要好得多,但如果從攝像機(jī)到最終顯示器的整個(gè)廣播鏈沒有得到適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控,那么要想保證圖像的正確顯示就會(huì)變得復(fù)雜又昂貴;PQ伽馬曲線基于人類視覺感知的特性,更適合應(yīng)用在電影制作和互聯(lián)網(wǎng)視頻流中。
HLG伽馬曲線基于較舊的SDR(709)標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展,以便能夠顯示更高的亮度范圍,這對(duì)于人類視覺系統(tǒng)來說并不是最佳選擇,但就制作而言HLG更易操作也更具有兼容性,允許在現(xiàn)有SDR電視上顯示更高動(dòng)態(tài)范圍的內(nèi)容,更適合應(yīng)用于廣播電視和直播視頻中。
好了,今天我們就先聊到這兒,下篇,我們?cè)僬務(wù)凥DR標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜狀況。
————未完待續(xù)————
-
開源技術(shù)
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
389瀏覽量
7891 -
OpenHarmony
+關(guān)注
關(guān)注
25文章
3614瀏覽量
15989
原文標(biāo)題:河套IT TALK 62:(原創(chuàng))由淺入深說高清——聊聊高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)
文章出處:【微信號(hào):開源技術(shù)服務(wù)中心,微信公眾號(hào):共熵服務(wù)中心】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論